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Dokumentenidentifikation DE102005057013A1 31.05.2007
Titel Textilmaschine und Verfahren zum Betreiben derselben
Anmelder Maschinenfabrik Rieter AG, Winterthur, CH
Erfinder Wolf, Horst, Winkel, CH
Vertreter BAUER WAGNER PRIESMEYER, Patent- und Rechtsanwälte, 52080 Aachen
DE-Anmeldedatum 30.11.2005
DE-Aktenzeichen 102005057013
Offenlegungstag 31.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2007
IPC-Hauptklasse D01H 1/06(2006.01)A, F, I, 20051130, B, H, DE
IPC-Nebenklasse D01H 1/244(2006.01)A, L, I, 20051130, B, H, DE   D01H 7/18(2006.01)A, L, I, 20051130, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Textilmaschine (1), vorzugsweise eine Spinn- oder Zwirnmaschine, mit einzelnen Positionen, die Spulen (8) aufnehmende, je einzeln angetriebene Spindeln (2) und die Spulen (8) übergreifende Balloneinengungshülsen (3) aufweisen, sowie ein Verfahren zum Betreiben derselben. Es wird vorgeschlagen, Antriebsmotoren (6, 7) der Spindeln (2) und Balloneinengungshülsen (3) sich selbsttätig so regulieren zu lassen, dass auch beim Gebrauch schmalster Spulen (8) ein hochwertiges, gleichmäßiges Garn produziert werden kann.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Textilmaschine, vorzugsweise eine Spinn- oder Zwirnmaschine, insbesondere eine Maschine mit einzelnen Positionen, die Spulen aufnehmende Spindeln und die Spulen übergreifende Balloneinengungshülsen aufweisen, die jeweils einzeln motorisch angetrieben sind, sowie ein Verfahren zum Betreiben derselben.

Terminologie

Balloneinengungshülsen, die zur Verwendung in einer Maschine bzw. einem Verfahren gemäss dieser Erfindung sind an und für sich bekannt. Das Spinnen mit derartigen Elementen ist auch prinzipiell gut bekannt, ist aber seit Jahrzehnten vom Ringspinnen praktisch verdrängt worden. Die Begriffe, die für in der Zwischenzeit sowohl für das Verfahren wie auch für die Elemente entwickelt wurden, sind vielfältig. Balloneinengungshülsen im Sinne dieser Anmeldung umfassen sämtliche Elemente wie Trichter, Glocken, Kappen, Stützrohr usw., welche um die Drehachse eines spulenbildenden Elements (einer Spindel) rotieren und das Garn bzw. den Faden zwischen Streckwerk und Spule führen, wobei die Erzeugung der Garndrehung ermöglicht, die freie radiale Ausweitung des Fadenlaufs (die Ballonbildung) aber eng begrenzt bzw. unterbunden wird. In der bevorzugten Ausführung wird das Garn in Berührung mit der Innenfläche der Hülse geführt, um den Ballon einzuengen.

Die Erfindung befasst sich mit vier Aspekten eines Spinnverfahrens, das Balloneinengungshülsen verwendet, nämlich mit:

  • – der gegenseitigen Abstimmung der Drehzahlen der Hauptarbeitselemente;
  • – einer bevorzugte Methode, diese Abstimmung zu erzielen;
  • – der Integration einer derartigen Methode in einer Maschine mit einer programmierbaren Steuerung, und
  • – einer wirtschaftlichen Lösung für das Antriebssystem der Maschine.

Stand der Technik

Es ist heute dem Spinntechnologen allgemein bekannt, dass die „Fadenspannung" einen wichtigen Betriebsparameter jedes Spinnverfahrens darstellt und einen wichtigen Einfluss auf die Fadenqualität ausübt. Es sind daher viele Anstrengungen unternommen worden, die Fadenspannung während des Spinnens zu kontrollieren, d. h. vor allem konstant zu halten, um dadurch einen Faden relativ hoher Qualität zu erzeugen (siehe z. B. EP-A-289009 bzw. EP-A-289010). Das allgemeine Problem dieses Konzeptes liegt darin, dass sich weder die „Fadenspannung" noch die „Fadenqualität" derart präzise definieren lässt, dass eindeutige, in der Praxis einsetzbare Wechselwirkungen zwischen dem Betriebsparameter und der Produkteigenschaft gezielt herbeizuführen sind. Die nachfolgende Diskussion des Standes der Technik zeigt aber, dass die vorerwähnten Anstrengungen heute noch fortgesetzt werden.

Wie beim Ringspinnen der Läufer, so schleppt beim Spinnen mit Balloneinengungshülsen, im Folgenden auch Trichter genannt, der Trichter den Faden zur Ablage auf eine Spule. Durch die Drehzahl des eingeengten Ballons bei gleichzeitiger Lieferung von Fasermaterial aus dem Streckwerk erhält der Faden die für seine Festigkeit unabdingbare Drehung. Durch die Drehzahldifferenz zwischen der schnelleren, die Spule tragenden Spindel und dem eingeengten Ballon wird der Faden auf die Spule aufgewunden. Die Drehzahldifferenz zwischen Spindel und Ballon schwankt jedoch, da die Trichterdrehzahl auch vom variierenden Umfang der zu bewickelnden Spule abhängt, d.h. dass z. B. bei nacheilendem Trichter der Trichter schneller drehen muss, je kleiner der Umfang der Spule ist, vice versa. Bei der Aufwindung auf den kleineren Spulendurchmesser entstehen durch ein ungünstigeres Kräfteparallelogramm grössere Fadenspannungen als bei der Aufwindung auf den äusseren, also grösseren Durchmesser. Fadenspannungsspitzen und -einbrüche können zu minderwertigem Garn oder gar Fadenbrüchen führen. Um den Faden zu schonen, ist schon länger bekannt, die Trichterrotation bei Textilmaschinen der eingangs genannten Art mit einem eigenen Motor zu unterstützen oder eigens zu bremsen (z. B. DE-A-34 00327 bzw. CH 667289).

Die DE-A-37 41 430 (bzw. EP-A-319783), die für die vorliegende Erfindung als nächstliegender Stand der Technik gelten soll, schlägt vor (Spalte 1, Zeilen 30 bis 38), Spindel- und Trichterantrieb an eine gemeinsame Frequenzsteuereinrichtung anzuschliessen, um den Steuerungsaufwand zu minimieren (der „Trichter" ist in DE-A-3741430 „Glocke" genannt). Dreh- und Lastmomentkennlinie des Trichtermotors sollten dabei so abgestimmt sein, dass bei gleicher Speisefrequenz für den Einzelmotor der Spindel und für den Einzelmotor des Trichters der Einzelmotor des Trichters mit einer Drehzahl des Trichters kleiner als für den Aufwindevorgang vonnöten ist.

Für den Trichterantrieb ist ein Asynchronmotor vorgesehen, der eine Drehmomentkennlinie mit einem flachen Verlauf aufweist. So kann die gleiche Frequenz für beide Motoren genutzt werden, obwohl der Trichtermotor mit der für den Aufwindeprozess benötigten Drehzahldifferenz hinter dem der Spindel zurückbleiben soll.

Obwohl die Beeinflussung der Fadenspannung nicht zur Hauptaufgabe der DE-A-3741430 gehört, wurden im Rahmen der Haupterfindung Vorschläge zur Linderung der Problematik der variablen Fadenspannung beim Trichterspinnen vorgelegt. Um eine konstante Fadenspannung während des Aufwindens zu gewährleisten, wurde z. B. vorgesehen, die Drehmoment-Kennlinie des Trichtermotors abhängig von den Aufwindeverhältnissen zu steuern. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung gemäss DE-A-3741430 wurde dort vorgesehen, den Trichter (die Glocke) mit einer periodisch einschaltbaren Bremseinrichtung zu versehen (Spalte 2, Zeilen 24 bis 27).

DE-A-3741430 erkennt also die Problematik der „Aufwindeverhältnisse" und insbesondere die Problematik des variablen „Aufwindedurchmessers" (2, Spalte 3, Zeilen 37 bis 46). Die Entstehung dieser Problematik, die an und für sich nichts mit dem Trichterspinnverfahren zu tun hat, ist aus dem „Handbuch der textilen Fertigung: Die Kurzstapelspinnerei: Band 1 – Allgemeine Technologie der Kurzstapelspinnerei – Seite 56 und 57" (Autor: W. Klein) ersichtlich. Sie entstammt nämlich der Art von Spulenaufbau, der dem Spinnverfahren auferlegt wird und der eine entsprechende Gestaltung des Aufwindemechanismus mit einer fortschaltenden Changierbewegung erfordert.

Die Lehre nach DE-A-3741430 hat wie der gesamte Stand der Technik nicht zu einer Lösung der Probleme des Trichterspinnens geführt, so dass dieses Verfahren bis heute noch nicht kommerziell realisiert werden konnte.

Ein weiterer Minuspunkt dieses Standes der Technik ist die Menge der Frequenzumrichter, die eine Maschine gemäss DE-A-3741430 benötigt: wenn für Trichter- und Spindelmotor jeweils ein gemeinsamer Frequenzumrichter eingesetzt wird, lässt sich zwar die Hälfte aller bis dahin eingesetzten Frequenzumrichter einsparen, doch ist dieser eine pro Spinnstelle immer noch unerlässlich, d.h. z.B. 800 oder auch 1200 Frequenzumrichter pro Maschine. Dies resultiert in hohen Anschaffungs- wie auch Wartungskosten.

Andere Veröffentlichungen aus dem Stand der Technik

Es sind viele Versuche unternommen worden, um die Probleme des Trichterspinnens zu beseitigen. Die folgenden Beispiele dienen nur dazu, die bisherigen Entwicklungsrichtungen anzudeuten:

EP-A-476406: geht von der vorerwähnten Lösung gemäss DE-A-3741430 aus und stellt sich die Aufgabe, die Fadenspannung in Abhängigkeit einer vorgegebenen Garnnummer in engen Grenzen konstant zu halten. Gemäss der vorgeschlagenen Lösung, sollen dem Einzelmotor der Spindel und dem Einzelmotor der Glocke (des Trichters) je ein Frequenzumrichter zugeordnet werden. Die Umrichter sollten derart steuerbar sein, dass die Drehzahl der Spindel und die Drehzahl der Glocke unabhängig voneinander und in einer beliebigen Funktion der Zeit einstellbar sind. Die Schrift gibt auch eine Formel an, anhand welcher eine geeignete Steuerungsfunktion ableitbar sein sollte. Auch diese Lehre hat zu keiner brauchbaren Lösung der Problematik geführt.

DE-A-4422420: die Erfindung gemäss dieser Schrift sucht Anwendungen für „magnetisch gelagerte" Elemente in Spinnvorrichtungen. Mittels Sensoren sollten axiale „Abweichungen des rotationssymmetrischen Elementes von seiner Soll-Lage als Mass für die sich verändernde Fadenzugkraft" ausgewertet werden. Entsprechende Ausführungen sind insbesondere im Zusammenhang mit den 6 und 7 beschrieben – es fehlt aber die konkrete Lehre, wie die gewonnenen Signale praktisch eingesetzt werden könnten. Auch in diesem Fall ist keine kommerzielle Realisierung bekannt.

EP-A-1072699: gemäss dieser Schrift besteht ein Hindernis zur Weiterentwicklung des Ringspinnverfahrens darin, dass es vorher unmöglich war, während des Spinnens die Fadenspannung zu messen. Gemäss der Erfindung soll ein Fadenspannungssensor zwischen dem Streckwerk und der Spule vorgesehen werden, wobei die Ausführungsbeispiele gemäss dem Trichterspinnverfahren arbeiten, was aber für die Erfindung anscheinend unerheblich ist (Spalte 5, Zeilen 30 bis 39). Die Spindel und Trichter sollen unabhängig voneinander gesteuert werden aber miteinander „synchronisiert" werden (Spalte 3, Zeile 48 bis Spalte 4, Zeile 21), um eine überhöhte Fadenspannung zu vermeiden. Anhand des Fadenspannungssensors kann das Steuerverfahren in ein Regelverfahren umgewandelt werden (Spalte 5, Zeilen 19 bis 29). Wie die erzielten, vorteilhaften Wirkungen zu erzielen sind, wird nicht erklärt. Auch in diesem Fall ist keine praktische Ausführung derzeit bekannt.

DE-A-19938493: diese Schrift beschreibt ebenfalls Ausführungen des Trichterspinnens (der Trichter wird hier „Stützrohr" genannt), wobei je ein Einzelantrieb für die Spindel und den Trichter vorgesehen sind. Jeder Antrieb soll „einzeln hinsichtlich seiner Drehzahl regelbar" sein und zwar so, dass die „Differenz der Drehzahl des Rohres und des Wickelkörpers beliebig einstellen" lässt. Der Antrieb der Spindel erfolgt dabei durch einen Motor „der in bekannter Weise hinsichtlich seiner Drehzahl geregelt werden kann" (Spalte 4, Zeile 18 bis 20).

JP-A-2002-105777: ohne DE-A-3741430 zu erwähnen geht diese Schrift auf das Problem des variablen Spulendurchmessers ein, das schon in der DE-Schrift dargelegt wurde. Die JP-Schrift schlägt vor, „entsprechend der Veränderung des Wickeldurchmessers der Spule die Rotationsgeschwindigkeit des Antriebsmotors der Glocke" zu verändern. Wie in DE-A-3741430, 2 gezeigt ist, erfolgt in dem Fall selbsttätig eine Veränderung der Rotationsgeschwindigkeit der Glocke – gemäss der JP-Schrift ist die selbsttätige Anpassung der Glockendrehzahl allenfalls durch eine gesteuerte Anpassung zu ersetzen. Es ist heute noch keine entsprechende Maschine bekannt – es bestehen aber zumindest Zweifel, ob die gesteuerte Anpassung der Glockendrehzahl geeignet ist, die Probleme des Trichterspinnens zu beseitigen.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Schriften, die nach DE-A-3741430 veröffentlicht wurden, keine wesentlichen Kenntnisse bezüglich der Antriebssteuerung bzw. des Antriebssystems beigetragen haben. Sie gehen davon aus, dass die Möglichkeit, das Antriebssystem „beliebig" einstellen zu können, zum Erfolg führen muss. Die „Praxis", in der das Trichterspinnen immer noch nicht wettbewerbsfähig ist, zeigt aber, dass diese Annahme nicht stimmt. Wie schon angedeutet, geht die vorliegende Erfindung daher von DE-A-3741430 aus.

Allgemeine Erfindungsgedanken

Die Erfindung befasst sich also mit einem Spinnverfahren, bei welchem eine Garnspule auf einem rotierbaren Spulenträger (z. B. einer Spindel) gebildet wird, wobei das Garn mittels eines rotierbaren Führungselements an die Spule abgegeben wird. Das Trichterspinnverfahren gehört zu dieser Kategorie. Vorzugsweise sind beide Elemente, Spulenträger und Führungselement, steuerbar angetrieben. Der Spulenträger und das Führungselement führen eine gesteuerte Relativbewegung (Changierbewegung) aus, um einen vorgegebenen Spulenaufbau zu erzeugen. Die fertig ausgebildete Garnspule weist keine vollständig zylindrische Mantelfläche auf – ein fertig ausgebildeter Kops weist z. B. im obersten Abschnitt eine kegelförmige Mantelfläche auf (siehe Klein, op. cit.). Ein Verfahren gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass während eines vorbestimmten Abschnitts des Spulenaufbaus die Drehzahl des Spulenträgers in Abhängigkeit von der genannten Relativbewegung verändert wird.

Die Erfindung ist speziell vorteilhaft, wenn mit hohen Spindeldrehzahlen gearbeitet werden soll, insbesondere mit Spindeldrehzahlen, die um einen Faktor 1,5 bis 5 grösser sind, als das heute beim Ringspinnen und bei vergleichbarem Garn der Fall ist.

Die Möglichkeit mit derart hohen Spindeldrehzahlen zu spinnen, ist prinzipiell ein Vorteil des Trichterspinnens gegenüber dem Ringspinnverfahren.

Die Veränderung der Spulenträgerdrehzahl gemäss der Erfindung kann mittels einer geeigneten Steuerung als eine Funktion der Relativbewegung herbeigeführt werden. Eine geeignete Steuerung kann mittels geeigneter Modifikationen aus der vorerwähnten JP-A-2002-105777 abgeleitet werden. In diesem Fall muss die Steuerung aber ebenfalls in Abhängigkeit vom Spulenaufbau arbeiten können, was möglich ist, aber ein relativ komplexes Steuerungsprogramm erfordert. In der bevorzugten Ausführung erfolgt die Drehzahländerung selbsttätig in Abhängigkeit von einer variablen Lastcharakteristik, welche, wie schon prinzipiell im Stand der Technik erläutert worden ist, aus dem variablen Durchmesser der Spule entsteht. Der Antrieb bzw. die Steuerung für den Antrieb vom Spulenträger kann derart gestaltet werden, dass die variable Lastcharakteristik zur erforderlichen Drehzahlcharakteristik des Spindelantriebs führt.

Es wird vorgeschlagen, dass die Drehzahlveränderung des Spulenträgers zu einer Abnahme bzw. einer Beruhigung der Fadenspannung im Fadenstück zwischen dem Führungselement und dem Spulenträger führt. Die Erfindung soll aber nicht vom Erzielen dieser Wirkung abhängig sein. Man kann sich auch folgendes vorstellen:

  • – in einem System gemäss DE-A-3741430 (siehe insbesondere 2), wo das Fadenführungselement (Glocke bzw. Trichter) allein die erforderliche Anpassung an die sich stetig verändernden Aufwindeverhältnisse leisten muss, hängt die Güte der Anpassung natürlich nur von diesem Element (bzw. von seinem Aufbau, Antrieb und Lagerung) ab;
  • – in einem System gemäss der vorliegenden Erfindung, wo auch der Spulenträger Anpassungsarbeit leisten kann, besteht eher die Chance, die Störfaktoren auszugleichen, um ein gleichmässiges Verfahren zu gewährleisten.
  • – bei leichten Störungen des Systems durch Dick- bzw. Dünnstellen reagiert das System gemäss der vorliegenden Erfindung toleranter. Störungen führen somit seltener zu einem Fadenbruch.
  • – die Auswirkung der Massenträgheit wird durch Verminderung von Beschleunigung und Verzögerung des Trichters verringert. Dadurch wird das Geschwindigkeitspotential erhöht, da die maximalen Beschleunigungen und Verzögerungen erst bei grösseren Drehzahlen erreicht werden.
  • – kleinere Hülsenaussendurchmesser werden ermöglicht. Damit werden auch kleinere Kopsaussendurchmesser und Trichterdurchmesser ermöglicht. Der Energiebedarf wird reduziert.

Auch wenn keine dieser Theorien stimmt, ist feststellbar, dass ein Verfahren gemäss der Erfindung zu besseren Garnwerten führt als ein Verfahren mit konstanter Spindeldrehzahl.

Die Vorstellung liegt aber nahe, dass das Beherrschen der Fadenspannung insbesondere im freien Fadenstück zwischen dem Trichter und der Spule, das Kernproblem der Realisierung des Trichterspinnens bildet. Aus Gründen, die nachfolgend im Zusammenhang mit der 3 bis 5 erklärt werden, drängt sich diese Vorstellung speziell dann auf, wenn mit einer relativ „schlanken" Hülse gesponnen werden sollte. Insbesondere bei hohen Spindeldrehzahlen sollte der Durchmesser der Spule begrenzt werden, um den Energieverbrauch zu begünstigen. Gleichzeitig ist aber dann der Durchmesser der Hülse so klein wie möglich zu halten, um bei gleichem Kopsgewicht einen möglichst schlanken Garnkörper zu erhalten. Dementsprechend schlägt die Erfindung vor, eine Hülse mit einem Hülsendurchmesser am oberen, äusseren Rand im Bereich 14 bis 17 mm zu verwenden. Der Durchmesser am oberen Rand einer Hülse, die heute für das Ringspinnen verwendet wird, beträgt ca. 20 mm.

Die Erfindung gemäss Anspruch 1

Insbesondere zur Lösung der Teilaufgabe der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens sieht die Erfindung eine Textilmaschine und ein Verfahren zum Betreiben derselben gemäss den unabhängigen Ansprüchen 1 und 9 vor, wobei die entsprechenden Unteransprüche vorteilhafte Ausbildungen bezeichnen.

Die Erfindung sieht in diesem Aspekt zum ersten vor, zur Umgehung der Probleme, die während des Aufwindens besonders beim Gebrauch schmaler Spulen und/oder beim Wechsel von kleineren auf grössere Spulenumfänge und/oder infolge von Schwachstellen im Garn entstehen, nicht – wie nahe liegend – die Motoren von Trichter und/oder Spindel den Spinnverhältnissen angepasst, möglichst hart zu regeln oder zu steuern, sondern ihnen im Gegenteil einen möglichst grossen Freiheitsgrad zu gewähren.

Der Grundgedanke der Erfindung gemäss dem Anspruch 1 liegt darin, die zur Aufwindung nötige Drehzahlanpassung zwischen Spindel- und Trichterantrieb zu verteilen. Vorteilhaft ist hierbei der Einsatz jeweils eines Motors, z. B. eines Asynchronmotors, für Spindel- wie für Trichterantriebe, der lastabhängig einstellbar ist, d. h. grundsätzlich stellt er seine Drehzahl in Abhängigkeit vom effektiv wirkenden Lastmoment selbst ein. Es muss dafür keine dezidierte Steuerung, keine Regelung, vorgesehen werden, welche die erforderliche Anpassung bewirkt. Für diese Grundanpassung der Drehzahl muss daher keine diesbezügliche Rückführung an einen Regelkreis vorgesehen werden. Vielmehr ist der Motor durch die Kennlinieneinstellung in der Lage, Drehzahländerungen innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen auszuführen.

Eine praktische Maschine wird aber wohl aus anderen Gründen mit einer Drehzahlsteuerung versehen werden, womit sich die Drehzahlen der Arbeitselemente in Betrieb einstellen und/oder gemäss einem vorgegebenen Programm bestimmen lassen. Zur Verwendung in einer Maschine gemäss der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist diese Steuerung daher derart zu gestalten, dass sie einerseits die vorgesehenen Steuerungsfunktionen gewährleistet, andererseits die selbsttätige Grundanpassung nicht beeinträchtigt. Die Steuerung bzw. Regelung der Spindeldrehzahl wird daher vorzugsweise „weich" gestaltet, so dass vorgegebene Soll-Werte grundsätzlich eingehalten, Abweichungen davon innerhalb vorbestimmter Toleranzgrenzen aber toleriert werden.

Die Maschinensteuerung ist heute normalerweise eine programmierbare (Computer) Steuerung und sie kann programmiert sein, um ein Grundprogramm durchzuarbeiten, wobei z. B. die Grunddrehzahlen der Arbeitselemente vorbestimmt werden. In Kombination mit der vorliegenden Erfindung kann eine derartige Steuerung für die Optimierung eingesetzt werden, beispielsweise um

  • – vorhersehbare (berechenbare)
  • – periodisch stattfindende und/oder
  • – sensorisch feststellbare
Wirkungen auszugleichen.

Eine derartige Steuerung der Spindelmotoren und der Trichtermotoren kann so ausgelegt werden, dass sie das von den Motoren ausgeübte Drehmoment ein wenig phasenversetzt zu den Umkehrpunkten der Changierbewegung kurz verändert: Auf diese Weise kann z. B vor der Kegelspitze die Speisefrequenz des Trichtermotors kurz reduziert werden, um die Geschwindigkeit zu drosseln und das Drehmoment zu erhöhen. Nach der Kegelspitze kann dieselbe Frequenz kurz erhöht werden, um die Geschwindigkeit des Trichters zu erhöhen und das Drehmoment zu drosseln. Gegenläufig dazu kann auch die Spindel vor der Kegelspitze beschleunigt werden, bzw. nach Erreichen gebremst werden.

Weiter lassen sich vorhersehbare Spitzen und Einbrüche in der Fadenspannung beinahe komplett eliminieren, indem die Steuerung dem Motor vorbeugend Antriebsimpulse setzt, um einer drohenden Spannungsänderung vorzubeugen. Derartige Impulse umfassen kurze, stark verzögernde, bzw. beschleunigende Momentimpulse, z. B. mittels deutlich veränderten Speisefrequenzen für frequenzgesteuerte Motoren.

Ausserdem kann mittels einer geeigneten Steuerung den Trichter- und Spindelmotoren durch Veränderung von Speisefrequenz und -spannung jeweils eine Motorkennlinie in Abhängigkeit von den Betriebsverhältnissen vorgegeben werden. Dies kann in Abhängigkeit von der Relativposition von Trichter und Spindel erfolgen z. B. in Abhängigkeit von der Position innerhalb des Spulenaufbaus bzw. von der Phase des Programms für den Spulenaufbau und/oder in Abhängigkeit vom Changierhub. Durch rechtzeitiges Ändern der Kennlinie können die eine oder andere oder beide von zwei Wirkungen erzielt werden. Einerseits kann damit das erforderliche Abbremsen bzw. Beschleunigen von Spindel und Trichter in der Art antizipiert, dass die zu erwartenden Massenträgheitsmomente durch das gesteuert variable Motormoment mindestens zum Teil kompensiert werden. Die vorerwähnte Phasenverschiebung kann somit verringert werden. Andererseits sollen die bei unterschiedlichen Aufwindedurchmessern unterschiedlichen Aufwindelängen je Umdrehung und Krafteinwirkungen auf Faden, Spindel und Trichter durch eine je nach Bedarf flachere oder steilere Motorkennlinie in der Weise kompensiert werden, dass bei einer Fadenspannungsänderung eine Reaktion der Drehzahländerung von Spindel und/oder Trichter in angemessener Grösse entsteht. Eine Unter- oder Überreaktion wird so vermieden. Die Steilheit der Motorkennlinien übernimmt die Funktion der Regulierintensität in dem selbstregulierenden System.

Erfindungswesentlich ist im ersten Aspekt der Erfindung (gemäss dem Anspruch 1 bzw. 9), jeweils alle Trichter- sowie alle Spindelmotoren an einen einzigen Frequenzumrichter anzuschliessen, d.h. für die gesamte Maschine sind zwei statt mehreren hundert Frequenzumrichtern für die Spindel- und Trichterantriebe vorgesehen. Den Frequenzumrichtern der Spindel- und Trichtermotoren ist unabhängig von einander je eine vorgegebene (elektrische) Spannungsfrequenzkennlinie vorzugeben, auf die sie sich selbst optimieren. Die Drehzahlregler in den Frequenzumrichtern sollten Proportionalintegralregler (PI) sein, die grössere Abweichungen von einem Sollwert zulassen.

Dieses selbst einstellende System hat grosse Vorteile gegenüber dem Stand der Technik: Aus der Reduktion der Anzahl der Frequenzumrichter von mehreren hundert auf zwei pro Maschine, folgt selbstredend eine enorme Kostenreduktion in der Herstellung und auch im Unterhalt der Maschine. Trotz des Verzichts auf eine harte Regelung oder dezidierte Steuerung für die Drehzahlanpassung der Motoren ist es möglich, Garn von gleichmässiger Güte ohne Fadenbrüche zu produzieren. Darüber hinaus ist eine erfindungsgemässe Maschine weitaus benutzerfreundlicher, weil bedienungssicherer als eine herkömmliche Textilmaschine mit Trichterspinn- oder -zwirnvorrichtungen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen im Folgenden durch Figuren erläutert werden, die beispielhaft und keineswegs einschränkend zu verstehen sind.

Es zeigen

1 eine Textilmaschine 1 der eingangs genannten Art;

2 einen Ausschnitt aus einer Arbeitsstelle dieser Maschine; 3 ein Detail aus der Anordnung gemäss der 2;

4 eine Kopie der 2 aus DE-A-3741430;

5 eine Modifikation der 4 durch das Einfügen einer Kurve, welche die Changierbewegung darstellt;

6 eine Modifikation der 5 durch das Einfügen einer Kurve, welche schematisch eine Spindeldrehzahländerung gemäss der vorliegenden Erfindung darstellt;

7A, 7B Detaildiagramme zur Erklärung der Wirkung der Modifikation gemäss der 6;

8 ein Diagramm zur Erläuterung der Lastverhältnisse in einer Anordnung gemäss der 3;

9, 10 Diagramme aus Chemiefasern/Textilindustrie, November 1979;

11 ein Diagramm zur Erklärung der bevorzugten Ausführung der Erfindung;

12 schematisch eine Regelung zur Verwendung in einer Maschine gemäss der bevorzugten Ausführung der Erfindung;

13 eine Zusammenstellung der Verläufe verschiedener Betriebsparameter einer Trichterspinnmaschine gemäss Erfindung, und

14 eine Modifikation der 1.

1 zeigt schematisch einen Teil einer Textilmaschine 1 der eingangs genannten Art mit einzelnen Arbeitsstellen, die Spindeln 2 und die Spindeln übergreifende Balloneinengungshülsen (Trichter) 3 aufweisen, die jeweils einzeln durch einen Motor 6, resp. 7, angetrieben sind, wobei sowohl alle Spindelmotoren 6 wie alle Trichtermotoren 7 jeweils an einen Frequenzumrichter 4, resp. 5, angeschlossen sind. Eine geeignete Ausführung einer Maschine für das Trichterspinnen ist in CH Patentanmeldung Nr.1580/03 (angemeldet am 15.09.2003) beschrieben. Der Inhalt der genannten CH Anmeldung ist als integrierender Bestandteil der vorliegenden Anmeldung zu betrachten.

2 zeigt einen schematischen Ausschnitt einer Arbeitsstelle, hier Spinnposition, der Maschine gemäss der 1 mit einem fertig gebildeten Kops 9 auf der Spindel 2, einem Streckwerk 10, und einem fadenabgebenden Element (eine „Schürze") 18 am unteren Ende der Balloneinengungshülse 3. Die Balloneinengungshülse 3 in der 2, insbesondere der Teil 8, übergreift den Kops 9, aufgewunden auf einer Hülse 8 (in 2 nicht erkennbar), die von der Spindel 2 getragen wird und mit der Spindel rotiert. Der Fadenlauf in der Balloneinengungshülse (im Trichter) 3 ist gestrichelt angedeutet. Der Faden läuft am unteren Rand der Schürze 18 durch ein Fadenführungselement (z. B. eine Öse) 16, welches hier z.B. fest an der Schürze angebracht ist. Andere Befestigungsformen sind denkbar, z. B. lastabhängig fest, lösbar, beweglich, drehbar, in die Schürze integriert. Zwischen dem Element 16 und der aufnehmenden Fläche der Spule erstreckt sich eine freie Fadenstrecke 14, die ebenfalls in der 2 gestrichelt angedeutet ist. Die Form der aufnehmenden Fläche soll nachfolgend näher erläutert werden.

3 zeigt nochmals Elemente aus der 2, insbesondere den obersten Endteil der Hülse 8, welcher auch aus dem fertig gebildeten Kops 9 hervorsteht, und die kegelförmig auslaufende Spitze K vom Kops (vgl. Klein, op. cit., Seite 56). Die Spindelachse ist mit A angedeutet und die Lagerung (nicht gezeigt) vom Trichter 3 ist derart angeordnet, dass der Trichter 3 ebenfalls um die Achse A dreht. Die Mantelfläche der Hülse 8 weist im obersten Endteil einen Radius r, die zylindrische Mantelfläche des Kopses und die Basis der Spitze K einen erheblich grösseren Radius R auf. Die 3 zeigt auch einen Ausschnitt aus dem untersten Randteil des Elements 8 und zwar in zwei gedachten Stellungen („Höhen") gegenüber dem Kops 9. In einer Stellung liegt der untere Rand des Teils 8 auf der Höhe der Basis der Spitze K und in der zweiten Stellung auf der Höhe des Scheitels. Der Innendurchmesser des unteren Randes vom Trichter 3 und/oder der Durchmesser der Mantelfläche des Kopses sind derart gewählt, dass der Fadenführer auch in der zweiten Stellung einen Abstand zu der Mantelfläche des Kopses aufweist. Wie im nächsten Absatz erklärt wird, kommen diese beiden Stellungen vorzugsweise durch eine Axialbewegung der Spindel 2 gegenüber einem axial feststehenden Trichter 3 zustande.

Die Höhendifferenz zwischen den vorgenannten Stellungen entspricht dem Changierhub H. Der Hub H wird vom Aufwindemechanismus definiert, der hier nicht beschrieben werden soll, dem Fachmann aber aus der Literatur bekannt ist. Dieser Mechanismus sorgt dafür, dass der vom Teil 8 abgegebene Faden zu einer Spule mit, in diesem Beispiel, einer Kops- oder Kötzerwicklung gebildet wird. Die vom Aufwindemechanismus definierte Relativ- oder Changierbewegung kann anhand eines axial feststehenden und eines axial bewegbaren Elements, oder anhand zweier axial bewegbaren Elemente erzielt werden. Die bevorzugte Variante umfasst eine axial bewegbare Spindel und einen axial feststehenden Trichter.

Es ist also ein charakteristisches Merkmal vom Kopsaufbau, dass die Mantelfläche des Kopses (der Fadenspule) nicht vollständig zylindrisch ist und dass daher der Faden sowohl auf der leeren Hülse 8 mit Radius r als auch auf schon gebildeten Fadenlagen mit einem grösseren Radius bis zum Radius R der zylindrischen Mantelfläche abgelegt werden muss. Die Wirkungen dieser Anordnung bei konstanter Spindeldrehzahl ns sind schon in DE-A-3741430 (wie auch in JP-A-2002-105777) erklärt worden und sie sind hier in 4 gezeigt, die direkt aus der DE Schrift entnommen worden ist. Wie in der 4 gezeigt, und in der DE-Schrift erläutert, muss sich die Trichter drehzahl nG bei der Bildung des kegelförmigen Kopsteils in Abhängigkeit von der Changierbewegung anpassen.

Die 5 deutet den Changierhub H ebenfalls, stellt die Changierbewegung aber nicht um als Drehzahl/Zeit-, sondern als einen Weg/Zeit-Diagramm dar. Aus der 5 ist daher zu entnehmen, dass die Trichterdrehzahl nG ein Minimum an jedem obersten Umkehrpunkt und ein Maximum an jedem untersten Umkehrpunkt der Changierbewegung aufweist. Die 5 entspricht auch dem Stand der Technik.

Die Drehmomente, welche das Verhalten des Systems bestimmen, können folgenderweise miteinander in Beziehung gebracht werden:

Für den Trichter gilt: MMotor + MFadenspannung = MLager + MLuftwiderstand + MMassenträgheit Für die Spindel gilt: MMotor = MLager + MLuftwiderstand + MMassenträgheit + MFadenspannung Bei der Beschleunigung gilt: MMassenträgheit > 0

Bei der Verzögerung gilt: MMassenträgheit < 0.

Die Fadenspannung, die hier angesprochen wird, ist die Spannung im freien Fadenstück zwischen dem Trichter und dem Kops. Bei kurzfristig fehlender Abstimmung der Grössen untereinander, wirkt das aus der Fadenspannung entstehende Drehmoment als Ausgleichsgrösse, d. h. die Fadenspannung im freien Fadenstück steigt entsprechend an oder fällt entsprechend ab.

Die daraus entstehenden Probleme, die schon im Stand der Technik erkannt wurden, vermehren sich bei der Benutzung schlanker Hülsen. Je grösser das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Kreises, auf dem das fadenführende Element des Trichters bewegt wird, welches die Höhe bestimmt, in der das Garn auf die Spule gewunden wird und dem Durchmesser der Hülse ist, umso grösser ist die Drehzahldifferenz von Spindel und Trichter beim Aufwinden auf die leere Hülse. Wird das Garn auf den grossen Aussendurchmesser des Kopses gewunden, so ist die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Trichter und Spindel klein. Wie gezeigt, stellt die Oberseite des auf die Hülse gewundenen Garnkörpers, auf welche das neu gesponnene Garn gewunden wird, meist einen sich nach oben hin verjüngenden Konus dar, vorzugsweise einen geradflankigen Konus. Wird die Spindel mit der Spule jetzt gegenüber dem Trichter in axialer Richtung herausgezogen, so wird der Durchmesser, auf den gewunden wird, immer kleiner. Bei nacheilendem Trichter muss dieser also immer langsamer werden, bis er sein Minimum beim Aufwinden auf den Hülsendurchmesser erreicht.

Je kleiner der Hülsendurchmesser ist, desto schneller muss sich der Trichter verzögern. Die dem Antriebsmoment entgegenwirkenden Lastmomente, d.h. das Lagerwiderstandsmoment und das Luftwiderstandsmoment unterstützen diese Verzögerung.

Sind die antreibenden Momente, d.h. das Motormoment und das Fadenspannungsmoment, sowie das Massenträgheitsmoment zu gross, um die nötige Verzögerung zu erzielen, so lässt die Fadenspannung nach. Dies kann im Extremfall für die Fadenspannung zwischen Streckwerk und Trichter bis Null sein. Auf der Spule entstehen weiche Windungen, die abrutschen können. Es kann sich eine Fadenreserve bilden, die erst wieder verschwindet, wenn der Trichter langsam genug läuft. Wird die Fadenspannung dann wieder aufgebaut, so ist der Trichter zwangsläufig deutlich zu langsam, so dass er durch den sich spannenden Faden schlagartig beschleunigt wird. Wiederum durch die Massenträgheit entsteht eine Fadenzugkraftspitze. Sowohl diese Spitze, als auch das vorbeschriebene Gegenteil, die kaum oder sogar nicht mehr stattfindende Drehungsübertragung mangels Fadenzugkraft und das Lagenrutschen können zum Fadenbruch führen. Da dieser Vorgang regelmässig und auf allen Spinnstellen gleichzeitig stattfindet, wäre eine solche Spinnmaschine mit derartigen Spannungsschwankungen nicht mehr betreibbar.

Die 6 zeigt nun die Bewegungscharakteristiken für eine Anordnung gemäss der vorliegenden Erfindung, wobei die Kurven nG und H gegenüber der 5 gleich bleiben. Es wird aber in diesem Fall angenommen, dass die Spindeldrehzahl nS nicht konstant bleibt, sondern zahnförmigen Wellen bildet, die gegenläufig zu den Wellen der Trichterdrehzahl nG verlaufen. Weiterhin wird in dieser Darstellung angenommen, dass sich diese Wellen symmetrisch um einen durch eine gestrichelte Linie angedeuteten Durchschnittswert verteilen, wobei dieser Durchschnittswert der konstanten Drehzahl nS gemäss der 4 bzw. 5 entspricht. Diese Gestaltung der Variabilität der Spindeldrehzahl gilt aber nur als Erklärungsbeispiel – sie ist nicht erfindungswesentlich.

Aus der 7A bzw. B ist ein Vergleich der Anordnung gemäss der 4 bzw. 5 mit der Anordnung gemäss der 6 zu entnehmen. Die 7A entspricht den Verhältnissen gemäss der 4. Am obersten Umkehrpunkt der Changierbewegung bleibt eine Drehzahldifferenz a zwischen der konstanten Spindeldrehzahl nS und der variablen Trichterdrehzahl nG bestehen, wobei die Spindel voreilt. Durch diese Drehzahldifferenz a wird gewährleistet, dass auch bei der maximalen Trichterdrehzahl immer noch eine minimale Fadenlänge pro Zeiteinheit auf der Mantelfläche des Kops 9 aufgewunden wird. Am untersten Umkehrpunkt des Changierhubes besteht eine erheblich grössere Drehzahldifferenz b zwischen der konstanten Spindeldrehzahl nS und der Trichterdrehzahl nG.

Die 7B entspricht den Verhältnissen gemäss der 6. Zwischen den variablen Drehzahlen nS und nG besteht genauso am obersten Umkehrpunkt der Changierbewegung die Drehzahldifferenz a und am untersten Umkehrpunkt die Drehzahldifferenz b – die über den Changierhub stattfindende Drehzahlanpassung ist aber nun zwischen den beiden fadenverarbeitenden Elementen, Trichter und Spindel, aufgeteilt. Es soll hier vollständigkeitshalber erwähnt werden, dass die zahnförmigen Wellen gemäss den 4 bis 7 eigentlich stark vereinfacht und nur zur Darstellung des Grundprinzips geeignet sind. Eine Annäherung an die praktischen Betriebsbedingungen folgt nachfolgend in diesem Text nach weiteren Erklärungen.

Eine Drehzahlcharakteristik gemäss der 6 könnte mittels einer Steuerung realisiert werden. Wie aber die vorerwähnte Annäherung an praktische Betriebsbedingungen zeigen wird, müsste eine derartige Steuerung eine relativ komplexe Programmierung und/oder eine harte Regulierung der Drehzahl über die Fadenspannung, wie z.B. in EP-A-1072699 beschrieben, aufweisen, und sie erforderte trotzdem erhebliche Einstellarbeiten, um das optimale Betriebsverhalten zu erzielen. Bevorzugt wird daher eine selbsteinstellende Ausführung, welche zunächst näher erklärt werden soll.

Es wird vorerst auf die schematische Darstellung in der 8 hingewiesen, die den Zustand gemäss der 3 anders darlegen soll (eine ähnliche Darstellung befindet sich in der JP-A-2002-105777, 4). Die gleiche Geometrie ist in der 3 in Vorderansicht und in der 8 in Draufsicht gezeigt, wobei die freie Fadenstrecke 14 zweimal angedeutet wird, einmal in der obersten Stellung 14A und einmal in der untersten Stellung 14B. In der 8 ist zusätzlich ein gedachter, radialer Vektor V angedeutet, der mit der Spindeldrehzahl &ohgr; um die Achse A rotiert. Für die nachfolgenden Erklärungen wird angenommen:

  • – der Ablagepunkt, an dem der Faden auf die Mantelfläche vom Kops 9 bzw. Hülse 8 auftrifft, liegt sowohl am obersten Umkehrpunkt (Radius r) wie auch am untersten Umkehrpunkt (Radius R) auf dem Vektor V;
  • – die Spindeldrehzahl &ohgr; bleibt konstant (gemäss der 4);
  • – die Fadenzugkraft F bleibt ebenfalls konstant (unwahrscheinlich in der Praxis, vereinfacht aber die Erklärung, wobei die Vereinfachung für die Relevanz der Prinziperklärung keine Rolle spielt);
  • – die Linear-(Umfangs)-geschwindigkeit des Elements 16 (2) besteht aus zwei Komponenten, wovon die eine Komponente (K1) eine Funktion des Aufwinderadius ist. Die andere Komponente (K2) ist eine Funktion von der Aufwindedrehzahl (=Drehzahldifferenz Spindel/Trichter) und kann für die folgende Erklärung vernachlässigt werden.

Das Lastmoment, das auf die Spindel wirkt, ist somit am obersten Umkehrpunkt durch Fr und am untersten Umkehrpunkt durch FR gegeben. Die Komponente K1 der Umfangsgeschwindigkeit des Elements 16 wird am obersten Umkehrpunkt mit &ohgr;r und am untersten Umkehrpunkt mit &ohgr;R gegeben. Die Drehzahl nG des Trichters muss sich entsprechend über den Changierhub H anpassen, wie schon, auch im Stand der Technik, erläutert wurde. Die Spindeldrehzahl muss trotz variabler Last konstant gehalten werden. Dies kann ohne weiteres anhand eines geregelten Asynchronmotors als Trichterantriebsmotor 7 bewerkstelligt werden, wie dem Artikel „Mehrmotorenantriebe mit geregelten Asynchronmotoren" (Autor: H. Lamparter) in Chemiefasern/Textilindustrie, Nov. 1979, Seite 950 bis 954 zu entnehmen ist. Die 6 und 8 aus dem genannten Artikel sind hier als 9 und 10 aufgeführt – sie werden hier nicht spezifisch beschrieben, zeigen aber zwei verschiedenen Methoden, eine konstante Drehzahl trotz Lastabhängigkeit der Drehmoment-Charakteristik des Asynchronmotors an und für sich zu erzielen. Dafür ist aber eine „harte Regelung" erforderlich, welche die Drehzahl möglichst genau am Soll-Wert führt. Eine derartige Regelung ist für die bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung nicht geeignet – sie soll durch eine „weiche Regelung" ersetzt werden, wie nachfolgend anhand der 11 und 12 beschrieben ist.

Die 11 zeigt als Beispiel zwei Dqrehmomentcharakteristiken gemäss der 9. Es wird angenommen, das Antriebssystem der Maschine gemäss der 1 arbeite vorerst nach den Verhältnissen der 4 mit einer konstanten Spindeldrehzahl n1, wobei (gemäss der 8) das vom Trichter 3 auf die Spindel 2 wirkende Lastmoment M1 = Fr am obersten Umkehrpunkt und das entsprechende Lastmoment M2 = FR am untersten Umkehrpunkt beträgt. Mittels der harten Regelung wird die Drehzahlcharakteristik angepasst, so dass jeder Motor 6 das höhere Drehmoment bei konstanter Drehzahl aufbringen kann. Wenn aber keine Regelung oder eine „weiche" Regelung vorgesehen ist, kann der Motor trotzdem das erforderliche höhere Drehmoment M2 aufbringen, allerdings bei einer Abnahme der Drehzahl auf n2 gemäss der unveränderten Drehmomentcharakteristik. Dieses Verhalten ermöglicht aber gerade die selbsttätige (bzw. selbsteinstellende) Anpassung der Spindeldrehzahl gemäss der 6, d. h. es ergibt sich daraus eine relativ hohe Drehzahl bei einem relativ niedrigen Drehmoment am obersten Umkehrpunkt und eine relativ niedrige Drehzahl bei einem relativ hohen Drehmoment am untersten Umkehrpunkt.

Die Selbsttätigkeit folgt aus der Lastabhängigkeit der Drehzahlcharakteristik des Asynchronmotors bei variabler Lastcharakteristik, die direkt aus der Geometrie des Systems entsteht. Diese Geometrie hängt zwar nicht direkt mit der Changierbewegung zusammen, sondern mit der Funktion des Aufwindemechanismus, welcher die Changierbewegung auf eine vorgegebenen Art und Weise steuert, um eine Spule (einen Kops) zu bilden, welche eine nicht vollständig zylindrische Mantelfläche aufweist. Beim Bilden der Spule durch Winden auf den nicht zylindrischen Teil der Mantelfläche besteht also doch eine Beziehung zwischen der Changierbewegung und der vorerwähnten variablen Lastcharakteristik.

Die Selbsttätigkeit der Drehzahlanpassung stellt einen erheblichen Vorteil dar, weil die Notwendigkeit der Anpassung, wie gerade erklärt, nicht direkt aus der Changierbewegung an und für sich entsteht, sondern aus dieser Bewegung in Kombination mit dem sich verändernden Spulenaufbau. Obwohl sich die Changierbewegung vom Anfang bis Ende der Kopsbildung kaum verändert, ergibt sich in einem ersten Abschnitt der Kopsbildung, (wie von Klein, op. cit. beschrieben – siehe Seite 57, „Die Ansatzbildung") keine oder eine nur geringe Durchmesseränderung in der axialen Richtung des Kopsabschnitts. In dieser Phase gibt es deshalb keine oder nur sehr kleine Anpassungen in der Drehzahl des Spindelmotors. Die unveränderte Changierbewegung wird aber doch selbsttätig und selbsteinstellend in jedem Abschnitt des Kopsaufbaus, in dem Durchmesserveränderungen in der axialen Richtung (wegen der Wirkungsregeln vom Aufwindemechanismus) zustande kommen, von Drehzahlanpassungen begleitet.

Um eine entsprechende Wirkung mittels einer Steuerung zu erzielen, müsste die Steuerung mit einem Sensor bzw. mit einer Rechenfunktion (z. B. einer Zeitrechenfunktion) versehen werden, welche die verschiedenen Abschnitte der Kopsbildung unterscheiden könnte. Die Optimierung dieser Steuerung würde erhebliches Geschick seitens der Bedienung erfordern. Die Erfindung ist nicht grundsätzlich auf Asynchronmotoren eingeschränkt, insbesondere nicht, wenn mit einer Steuerung statt selbsttätig gearbeitet wird. Auch wenn selbsttätig gearbeitet wird, kann jeder lastabhängige Motorentyp eingesetzt werden, wobei der Motor vorzugsweise frequenzgesteuert ist.

Anhand der 12 soll nun eine für die Erfindung geeignete „weiche Regelung" für den Spindelmotor 6 beschrieben werden. Die Regeleinrichtung arbeitet gemäss dem bekannten Rückführungsprinzip, d. h. mittels eines Sensors 20 wird ein drehzahlabhängiges Ist-Signal gewonnen, das an eine Vergleichsstufe 22 zurückgeführt wird. In der Stufe 22 wird das Ist-Signal mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen, um aus dem Vergleich ein Differenzsignal zu ermitteln. Die Motorregelung reagiert auf die ermittelte Differenz, um die Drehzahl vom Spindelmotor 6 derart anzupassen, dass die Differenz auf Null reduziert wird.

Es bestehen grundsätzlich drei „Reaktionen" auf die Differenz

  • – proportional zur Differenz (p);
  • – integral (i), d.h. proportional zur kumulierten, noch nicht ausregulierten Differenz;
  • – differentiell (d), d.h. proportional zur Veränderungsgeschwindigkeit der Differenz, wobei normalerweise nur die p- und i-Anteile in einer praktischen Regelung ausgenutzt werden.

Die effektive Wirkung jedes „Reaktionstyps" ist mittels der Auswahl von Verstärkungsfaktoren in der Regelung steuerbar. Anhand höherer Verstärkungsfaktoren kann die Regelung programmiert sein, „hart" zu reagieren, womit die Ist-Drehzahl innerhalb enger Toleranzgrenzen gegenüber der Soll-Drehzahl gehalten wird. Anhand niedrigerer Verstärkungsfaktoren kann die Regelung aber programmiert sein „weich" zu reagieren, womit Abweichungen von der Soll-Drehzahl innerhalb breiterer Toleranzgrenzen möglich (bzw. in Kauf zu nehmen) sind. Normalerweise wird die Regelung programmiert, um möglichst „hart" zu reagieren, ohne die Stabilität der Regelung zu gefährden.

Im vorliegenden Fall wird derart „weich geregelt", dass ein variables Lastmoment eine spürbare Abweichung von der Solldrehzahl verursachen kann, wobei der Motor stets zurück zur Solldrehzahl neigt, sobald das Lastmoment nachlässt. Eine wellenförmige Lastcharakteristik verursacht daher die schon beschriebene (gegenläufig) wellenförmige Drehzahlcharakteristik des Motors. Die weiche Regulierung ermöglicht trotzdem die Steuerung der Maschine nach einem Grundprogramm, welches das Hochlaufen, Normalbetrieb und Auslauf vorsehen wird. In Gegensatz zu einer Ringspinnmaschine ist es nicht erforderlich, die Grunddrehzahl über die Periode des Kopsaufbaus zu ändern, da kein Ballon zu berücksichtigen ist. Die Maschine kann z. B. über eine Periode von wenigen Minuten hochlaufen und dann die Betriebsdrehzahl bis zum Ende des Kopsaufbauzyklus grundsätzlich einhalten.

Der Motor 6 in der 12 ist vorzugsweise ein frequenzgesteuerter Motor und die Motorregelung 24 in dieser Figur ist vorzugsweise eine steuerbare Frequenzquelle, insbesondere ein steuerbarer Frequenzumrichter. In einer Ausführung gemäss der 1, d. h. mit nur einem Frequenzumrichter 4 für alle Spindelmotoren, wird der Umrichter 4 als steuerbarer Umrichter mit einer weichen Regelfunktion ausgeführt und programmiert. Das Rückführungssignal für einen derartigen Umrichter kann z. B. von „Leitspindeln" gewonnen werden, wie grundsätzlich in CH-B-686889 (für ein Ringspinnverfahren) beschrieben ist.

Es wird aber klar sein, dass eine Spinnmaschine mit mehreren Frequenzumrichtern für die Spindelmotoren versehen werden kann. Eine Mehrzahl von Umrichtern könnte vorgesehen werden, die z. B. je einer Spindelgruppe zugeordnet sind. Eine Ausführung mit je einem Umrichter pro Spindelmotor ist natürlich prinzipiell möglich, fällt aber bei den heutigen Herstellungskosten aus wirtschaftlichen Gründen ausser Betracht.

Es soll nun kurz auf zusätzliche Faktoren eingegangen werden, welche in der Praxis das einfache Bild verkomplizieren können und vorzugsweise in einer praktischen Ausführung mitberücksichtigt werden sollten. Die Lösung der zusätzlichen Aufgaben gehört aber nicht zur Erfindung im breitesten Sinne.

Es ist schon erwähnt worden, dass die Darstellungen gemäss den 4, 5 und 6 stark vereinfacht wurden, um Grundprinzipien erklären zu können. Die Vereinfachung kann zum Teil aus dem Artikel Klein (op. cit.) abgeleitet werden, in dem erklärt wird, dass ein Kopsaufbau eigentlich aus Haupt- und Kreuzwindungen gebildet wird, wobei die Kreuzwindungen „weit auseinander liegende, steil nach unten führende Windungen" sind. Sie ergeben sich durch eine Phase der Changierbewegung, in der die Relativbewegung der fadenführenden Elemente relativ rasch durchgeführt wird. Konkret im Fall des Trichterspinnens gemäss der 3, wird die Spindel 2 vom Aufwindemechanismus relativ langsam nach oben verschoben, um den Ablagepunkt des Fadens von der Kegelbasis bis zum Kegelscheitel zu bewegen und dabei die Hauptlagen zu bilden, um sich dann relativ schnell wieder nach unten zu bewegen, bis sich der Ablagepunkt wieder an der Basis befindet, so dass der Aufwindezyklus wieder neu beginnen kann.

Daraus folgt, dass die fadenführenden Elemente relativ viel Zeit haben können, die erforderlichen Drehzahlanpassungen beim Bilden der Hauptlagen, aber relativ wenig Zeit beim Bilden der Kreuzwindungen zur Verfügung haben. Die zahnförmigen Wellen in den 4, 5 und 6 können symmetrisch sein, sind daher aber in der Praxis meist nicht symmetrisch (wie schematisch abgebildet), sondern eher stark asymmetrisch um die Maximal- bzw. Minimalpunkte verteilt. Daraus kann insbesondere an der Kops- bzw. Kegelspitze durch die Dynamik bzw. die Geometrie ein zusätzliches Problem entstehen.

Der Trichter 3 muss bei der Bildung der letzten Hauptlagen eines kegelförmigen Spulenabschnitts immer stärker verzögern. Dabei wirkt die Massenträgheit des Trichters dem entgegen. Unter Umständen fällt die Fadenspannung so stark ab, dass sich eine Fadenreserve bilden kann. Währenddessen erreicht der bewegte Rahmen bereits den Umkehrpunkt und beschleunigt in die andere Richtung stark. Die Fadenreserve wird aufgebraucht, während der Trichter immer noch langsamer wird, obwohl er bei gespanntem Faden bereits wieder stark beschleunigen müsste. Ist die Fadenreserve aufgebraucht, wird der Trichter durch Schleppwirkung des Fadens schlagartig beschleunigt – es entsteht eine Fadenspannungsspitze. Diese Wirkung kann durch eine gegenseitige Anpassung der Spindel- und Trichterdrehzahl, z. B. gemäss der 6, gelindert, aber nicht immer völlig eliminiert werden.

13 zeigt eine Zusammenschau der für den Spinnprozess relevanten Parameter über mehrere Doppelhübe der Changierung. Die oberste Kurve nSp zeigt den Verlauf der Spindeldrehzahl. Die zweite Kurve NSpb beschreibt die Abbildung des Spindelbankhubes. Vergleicht man die beiden Linien nSp und HSpb wird der Zusammenhang zwischen der Drehzahl der Spindel nSp und der Bewegung der Spindelbank HSpb klar. Ist die Spindelbank oben, d.h. an der Spulenspitze, muss die Spindel 2 ihre geringste Drehzahl nSp haben, da auf den kleinsten Durchmesser der Hülse 8 aufgewunden wird. Die dritte Kurve nT bildet den Verlauf der Trichterdrehzahl ab, der der Spindeldrehzahlkurve entgegengesetzt ist. Die vierte Zeile fF zeigt die einen möglichen Verlauf der Fadenspannung, wobei angenommen wird, dass in diesem Prozess die vorher beschriebenen, starken Fadenspannungsspitzen insbesondere bei der Bildung der Kegelspitze vorkommen können.

Die Klammern an der vierten Zeile teilen die Doppelhübe in zwei Gruppen oder Phasen P1 bzw. P2 auf: P1 ist eine „gewöhnliche" Aufwindephase, ohne einen Optimierungsimpuls auf einen Motor. Im Vergleich mit P1 zeigt P2 schematisch die Wirkung eines derartigen Impulses: Die Drehzahlen werden vor Erreichen des Maximums beeinflusst wie oben beschrieben. Die Verlaufslinie der Fadenspannung zeigt das klare Ergebnis: die Spannungsspitzen sind praktisch vollkommen eliminiert.

Zeilen fünf und sechs zeigen schematisch verschiedene Beispiele für Signale, die von der Steuerung einerseits gemäss eines Grundprogramms und andererseits zwecks Optimierung ausgelöst werden können. Die linke Hälfte jeder Zeile zeigt ein konstantes Signal, welches einer vorgegebenen konstanten Drehzahl (beispielsweise der Spindel oder des Trichters) entspricht. Wie schon erklärt wurde, verhindert dieses Signal nicht die Entstehung einer variablen Spindeldrehzahl durch selbsttätige Anpassung des Spindelantriebes an die variablen Aufwindeverhältnisse während der Changierbewegung. Die vierte Zeile zeigt aber, dass diese selbsttätige Anpassung des Antriebssystems nicht in der Lage ist, kontinuierlich die Antriebe der Spindel und des Trichters aufeinander abzustimmen. Es treten deshalb periodisch, einmal pro Changierzyklus, Fadenspannungsspitzen auf, z. B. wegen der Bildung einer Fadenreserve (schlaffe Fadenstrecke) zwischen dem Trichter und der Spule, wie vorher erklärt.

Die rechte Hälfte jeder Zeile zeigt Beispiele verschiedener Optimierungssignale. In der fünften Zeile besteht die Optimierung aus Impulsen, wie sie in der Einleitung erklärt wurden. Diese Impulse sollen z. B. das Problem der Bildung einer „Fadenreserve" beim periodischen Voreilen des Trichters lösen. Die Impulse erzeugen anhand des Trichterantriebes eine starke, periodische Bremswirkung auf den Trichter. Prinzipiell könnte die gleiche Wirkung durch das Beschleunigen der Spindel erzielt werden – dies wird aber die Lösung zusätzlicher Probleme wegen der variablen Massenträgheit der (Spindel + Spule) erfordern. Weil die gewünschte Wirkung periodisch, zu einem feststellbaren Zeitpunkt im Changierzyklus, erzeugt werden soll, können die Steuersignale die Antriebsimpulse „im voraus" auslösen, d. h. bevor die Fadenreserve zustande gekommen ist. Dadurch kann das Entstehen des eigentlichen Problems unterbunden werden.

In der sechsten Zeile besteht das Optimierungssignal aus einer kontinuierlichen Pegeländerung („Wobbelung"), welche dem Grundpegel überlagert wird. Aus Gründen der Einfachheit der Darstellung wird diese Änderung als eine zahnförmige Welle gezeigt – es wird aber klar sein, dass die effektive Wellenform der erforderlichen Optimierung angepasst werden muss. Wie schon für die fünfte Zeile erklärt, kann die Optimierungswelle der sechsten Zeile phasenverschoben im Vergleich zum Changierzyklus erzeugt werden, um das Entstehen einer Problemsituation zu unterbinden, statt bloss darauf zu reagieren. Selbstverständlich können Optimierungssignale gemäss der fünften Zeile mit einer Optimierung gemäss der sechsten Zeile kombiniert werden.

Die 14 zeigt schematisch eine Ergänzung der 1 mit einer Computersteuerung &mgr;C, die beiden Frequenzumrichter 4 bzw. 5, die hier gemäss der 12 gebildet sind und ihre jeweiligen Sollwerte von der Zentralsteuerung &mgr;C gemäss ihrer Programmierung erhalten. Ausserdem zeigt die 14 schematisch ein Aufwindemechanismus 26, das auch von der Zentralsteuerung &mgr;C gesteuert wird, um die erforderliche Changierbewegung zu erzeugen.

Die vorerwähnte Optimierung erfolgt vorzugsweise durch gesteuerte Beschleunigung bzw. Verzögerung des Trichters, d.h. durch die Einwirkung der Steuerung auf den Frequenzumrichter 5, 14, wobei die Optimierung mittels gesteuerter Beeinflussung der Spindeln oder beider Elemente nicht ausgeschlossen ist.

Die Erfindung ist nicht auf die schon erwähnten Optimierungsbeispiele eingeschränkt – es sind andere Optimierungsmassnahmen möglich. Es kann z. B. die Steilheit der Motorenkennlinien gesteuert verändert werden, wie ebenfalls in der Einleitung allgemein erläutert ist. Die Veränderung der Steilheit kann gemäss den Prinzipien erfolgen, die in der 10 allgemein gezeigt sind und entsprechend im Artikel Lamparter beschrieben wurden. Die Steuerung kann auch Optimierungssignale erzeugen, um berechenbare Wirkungen auszugleichen. Ist z. B. die Masse des Trichters bekannt und über die Garnnummer auch das Soll der Fadenspannung, sowie Lagerwiderstand und Luftwiderstand (als nur ein Wert aus Leerlaufdrehzahl und aufgenommener Leistung ermittelt), dann kann die Steuerung über die Momentengleichung rechnen, wie viel vorher und wie stark sie beschleunigen oder abbremsen muss, um zum richtigen Zeitpunkt die richtige Reaktion zu erzielen.

Die Verteilung der wellenförmigen Charakteristik der Drehzahldifferenz von Trichter und Spindel auf die Drehzahlen der beiden Elemente erfolgt vorzugsweise so, dass diese Drehzahldifferenz auf beide Elemente etwa gleichmässig verteilt wird. Abhängig von der tatsächlichen Ausführung der Elemente und der Kopsfüllung kann der optimale Arbeitspunkt für ein Element eine gegenüber dem anderen Element grössere oder kleinere wellenförmige Drehzahlvariation erfordern. Die Anpassung kann dann über die Veränderung der Verstärkungsfaktoren oder der Motorkennlinien, wie oben beschrieben, erfolgen.


Anspruch[de]
Textilmaschine (1), vorzugsweise Spinn- oder Zwirnmaschine, mit einzelnen Positionen, die Spulen aufnehmende Spindeln (2) und die Spulen übergreifende Balloneinengungshülsen (3) aufweisen, die jeweils einzeln motorisch angetrieben sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmotoren (6) aller Spindeln (2) und die Antriebsmotoren (7) aller Balloneinengungshülsen (3) jeweils an einen gemeinsamen Frequenzumrichter (4, 5) angeschlossen sind und die Antriebsmotoren (7) der Balloneinengungshülsen (3) und die Antriebsmotoren (6) der Spindeln (2) jeweils unabhängig voneinander ihre Drehzahl in Abhängigkeit vom Drehmoment selbsttätig einstellen können. Textilmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es den Antriebsmotoren (6, 7) von Spindeln (2) und Balloneinengungshülsen (3) überlassen ist, vorgegebene Sollwerte selbst einzuhalten. Textilmaschine (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Antriebsmotoren (6, 7) von Spindeln (2) und Balloneinengungshülsen (3) unabhängig von einander Speisespannungs/frequenzkennlinien vorgebbar sind. Textilmaschine (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmotoren von Spindeln (2) und Balloneinengungshülsen (3) Asynchronmotoren sind. Verfahren zum Betreiben einer Textilmaschine (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, die Antriebsmotoren (7) der Balloneinengungshülsen (3) und die Antriebsmotoren (6) der Spindeln (2) jeweils unabhängig voneinander ihre Drehzahl in Abhängigkeit vom Drehmoment selbsttätig einstellen können. Spinnverfahren bei welchem eine Garnspule auf einem, um eine vorgegebene Achse rotierbaren Spulenträger (z. B. einer Spindel) gebildet wird, wobei das Garn mittels eines, ebenfalls um diese Achse rotierbaren Führungselements an die Spule abgegeben wird, beispielsweise eines Trichterspinnverfahrens, wobei mindestens der Spulenträger oder vorzugsweise beide Elemente, Spulenträger und Führungselement, steuerbar angetrieben sind und wobei der Spulenträger und das Führungselement eine gesteuerte Relativbewegung (Changierbewegung) ausführen, um einen derart vorgegebenen Spulenaufbau zu erzeugen, dass die fertig gebildete Garnspule eine nicht-vollständig zylindrische Mantelfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass während eines vorbestimmten Abschnitts des Spulenaufbaus die Drehzahl des Spulenträgers in Abhängigkeit von der genannten Relativbewegung verändert wird. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahländerung selbsttätig in Abhängigkeit von einer variablen Lastcharakteristik zustande kommt, welche aus dem variablen Durchmesser der Spule entsteht. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb bzw. die Steuerung für den Antrieb vom Spulenträger derart gestaltet ist, dass die variable Lastcharakteristik selbsttätig zur erforderlichen Drehzahlcharakteristik führt. Spinnmaschine mit einem um eine vorgegebene Achse rotierbaren Spulenträger (z. B. einer Spindel) und einem, ebenfalls um diese Achse rotierbaren Führungselement zur Abgabe des Garns an die Spule, beispielsweise eine Trichterspinnmaschine, und mit mindestens einem steuerbaren Antrieb für den Spulenträger und vorzugsweise je einem steuerbaren Antrieb für beide Elemente, Spulenträger und Führungselement, und mit einem Mechanismus zur Erzeugung einer gesteuerten Relativbewegung (Changierbewegung) des Spulenträgers und des Führungselements, um einen derart vorgegebenen Spulenaufbau zu erzeugen, dass eine fertig gebildete Garnspule eine nicht vollständig zylindrische Mantelfläche aufweisen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung derart getroffen ist, dass während eines vorbestimmten Abschnitts des Spulenaufbaus die Drehzahl des Spulenträgers in Abhängigkeit von der genannten Relativbewegung verändert wird. Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung derart getroffen ist, dass im Betrieb die Drehzahländerung selbsttätig in Abhängigkeit von einer variablen Lastcharakteristik zustande kommt, welche aus dem variablen Durchmesser der Spule entsteht. Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb bzw. die Steuerung für den Antrieb vom Spulenträger derart gestaltet ist, dass die variable Lastcharakteristik selbsttätig zur erforderlichen Drehzahlcharakteristik führen kann. Spinn- oder Zwirnmaschine, mit einzelnen Positionen, die Spulen aufnehmende Spindeln (2) und die Spulen übergreifende Balloneinengungshülsen (3) aufweisen, die jeweils einzeln motorisch angetrieben sind, und mit einer programmierbaren Steuerung, welche imstande ist, Steuerungssignale für die Antriebsmotoren zu erzeugen bzw. erzeugen zu lassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale lastabhängige Abweichungen der Spindeldrehzahl von einer durch die Steuerung vorgegebenen Drehzahl zulassen und/oder vorgegebene Abweichungen von einem Sollwert der Spindeldrehzahl auslösen können. Maschine gemäss Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale lastabhängige Abweichungen der Spindeldrehzahl von einer durch die Steuerung vorgegebenen Drehzahl zulassen und die Steuerung ausserdem programmiert ist, Optimierungssignale zu erzeugen bzw. erzeugen zu lassen, welche der Drehzahl bzw. den Drehzahlen gemäss einem Grundprogramm überlagert sind. Maschine gemäss Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundprogramm ein zyklisches Arbeitsprogramm vorsieht und die Steuerung Optimierungssignale zu einer Phase im Zyklus erzeugt, in der die lastabhängigen An-passungen regelmässig mit einer Verzögerung eintreten, z. B. weil die selbsttätige Anpassung erst als Reaktion auf eine Störwirkung eintreten kann. Maschine gemäss Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierungssignale auf den Antrieb für die Balloneinengungshülsen und/oder auf den Antrieb für die Spindeln wirken. Maschine gemäss Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierungssignale eine periodische Beschleunigung und/oder Verzögerung insbesondere der Antriebe für die Balloneinengungshülsen verursachen können. Maschine gemäss einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierungssignale eine periodische Beschleunigung und/oder Verzögerung mittels Antriebsimpulsen verursachen können. Maschine gemäss einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierungssignale auf den Antrieb für die Balloneinengungshülsen und/oder auf den Antrieb für die Spindeln wirken. Maschine gemäss Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierungssignale eine Veränderung der Steilheit der Drehmomentkennlinie gewisser Antriebsmotoren bewirken können. Maschine gemäss einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmotoren lastabhängige Drehzahlcharakteristiken aufweisen. Maschine gemäss einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmotoren frequenzgesteuerte Motoren sind. Maschine gemäss einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung auch Steuerungssignale für einen Aufwindemechanismus erzeugen bzw. erzeugen lassen kann.






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