Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Überwachen eines auf einer Fadenspule aufgewickelten Fadens während des Betriebes in einer Nähmaschine.

Aus verschiedenen Untersuchungen ist bekannt, dass eine Fadenspule an einer Nähmaschine während des Nähvorgangs sehr unkontrolliert läuft. So findet beispielsweise nach Beginn eines jeden Nähvorgangs ein Anreißen einer Drehbewegung statt, wobei der Zeitpunkt des Anreißens sowie die Stärke der einsetzenden Drehbewegung und die Beschleunigung der Fadenspule unter anderem vom Füllgrad der Fadenspule, vom Material des Fadens sowie dem Verschleiß mechanischer Elemente im Bereich der Fadenspule abhängen, um nur einige der möglichen Einflussfaktoren zu nennen. Die Bewegung der Fadenspule ist damit im Wesentlichen nicht planbar und in Folge dessen selbst vom Start eines Nähvorganges her betrachtet auch nicht mathematisch zu beschreiben.

Diese allgemeinen Feststellungen treffen sowohl für den Oberfaden, als auch für den Unterfaden einer Nähmaschine zu. Da jedoch jegliche Art der Überwachung und Kontrolle im Bereich des Unterfadens schon aufgrund der sehr beengten räumlichen Verhältnisse eine große technische Herausforderung darstellt, soll nachfolgend ohne Beschränkung der Erfindung auf diesen Einsatzfall nur noch auf eine Kontrolle des Unterfadens beim Betrieb einer Nähmaschine eingegangen werden.

Aus dem Stand der Technik sind diverse Lösungsvorschläge für eine Überwachung eines Unterfadens einer Nähmaschine auf Fadenbruch bzw. Fadenriss bekannt. Ausgehend von Vorrichtungen zur Restfadenüberwachung in einer Unterfadenspule ist beispielsweise in der DE 30 14 753 C2 eine optische Einrichtung aus einer Leuchtdiode und einem Fotodetektor bekannt, die durch parallel zur Drehachse der Unterfadenspule gerichtete Löcher dann Licht hindurchgibt, wenn der Unterfaden auf der Unterfadenspule weitgehend aufgebraucht ist. Es wird also in dunkel/hell-Übergang überwacht mit Rückschluss auf den Füllstand der Spule.

In einer Weiterbildung gemäß DE 34 47 138 C2 wird eine Reflexionsfläche an der Fadenspule genutzt, um Sender und Detektor im Wesentlich als kompakte Einheit nur an einer Seite der Unterfadenspule an der Nähmaschine anzuordnen. Durch Löcher wird einfallende Strahlung vom Faden stark absorbiert, während Stege zwischen den Löchern und eine metallische Rückwand der Fadenspule stark reflektieren. Hier wird nun ein konstantes Dauersignal aus der Empfängereinheit als Indikator für einen Stillstand der Spule ausgewertet, der auch in Folge von Fadenbruch eintreten kann.

Zur Erhöhung der Funktionssicherheit in dieser durch Staub- und Fadenabrieb belasteten Umgebung wird beispielsweise in der DE 41 15 520 A1 eine spezielle Führung des Unterfadens im Zuge des Abwickelns von der Unterfadenspule vorgeschlagen. Hierdurch sollen verfälschende Beeinträchtigungen der Reflexion durch Verschmutzungsanlagerungen an den Reflexionsflächen durch ein quasi permanentes Abwischen dieser Flächen mit dem ablaufenden Faden fortlaufend gereinigt werden.

Für weitergehende Überwachungsaufgaben im Bereich der Unterfadenspule wird als Beispiel auf die Lehre der DE 35 40 126 A1 verwiesen. In dieser Lehre müssen zur Realisierung weitergehender Überwachungsaufgaben gleich drei optische Sensorzellen im Zusammenspiel mit zwei an einer Stirnseite der Fadenspule anzubringenden unterschiedlichen kreisringförmigen Markierungen bzw. Markierungseinheiten zusammenwirken.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art unter Minderung des apparativen und fertigungstechnischen Aufwandes bei erhöhter Überwachungszuverlässigkeit weiterzubilden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Basis der vorliegenden Erfindung ist die Erkenntnis, dass die Lösungsvorschläge nach dem Stand der Technik stets auf einer binären Entscheidung zwischen zwei Markierungszuständen beruhen. Es werden also entweder durch eine weiße oder silberne bzw. verspiegelte Fläche mehr als 70 % der einfallenden Strahlung reflektiert, oder die Strahlung wird zu mehr als 90 % durch Faden oder eine geschwärzte Fläche absorbiert. Dieses Prinzip ist in der Praxis trotz der weit auseinanderliegenden Schwellwerte der zu fällenden logischen Entscheidungen vergleichsweise fehleranfällig. Es hat sich zudem herausgestellt, dass eine Vorrichtung nach diesem Prinzip nur mit sehr hohem Aufwand auszubauen ist.

Dem gegenüber wird erfindungsgemäß zur Senkung der Komplexität einer Überwachungsvorrichtung und zur wesentlichen Vereinfachung eines entsprechenden Verfahrens eine Vorrichtung zur Überwachung eines auf einer Fadenspule aufgewickelten Fadens während des Betriebes in einer Nähmaschine vorgeschlagen, bei der im Bereich der Fadenspule mindestens zwei unterschiedliche Markierungszustände vorgesehen und mit einer optischen Einrichtung derart gekoppelt sind, dass sich mit Bewegung der Fadenspule ein in der optischen Einrichtung detektierbarer Markierungswechsel ergibt, der in einer mit der optischen Einrichtung verbundenen Logik auswertbar ist, wobei die Markierung im Bereich der Fadenspule mehr als zwei Zustände aufweist, wobei mindestens ein Zustand durch mindestens eine Farbe oder Mischung aus Grundfarben definiert ist.

Vom physikalischen Standpunkt her betrachtet sind die nach dem Stand der Technik eingesetzten Markierungen in weiß/silber bzw. verspiegelt einerseits und schwarz oder sehr dunkel andererseits keine Farben. Durch einen Aufbau einer Markierung, die gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Markierungen zusätzlich auch eine Farbe oder ein farbiges Feld aufweist, ist nunmehr der bislang nur binäre Erkennungsraum hin auf einen Zustandsraum mit drei voneinander klar unterscheidbaren Zuständen erweitert worden. Hiermit ist es nun insbesondere möglich, auch unter Verwendung nur einer optischen Einrichtung neben Stillstand auch eine jeweilige Drehrichtung des Spulenkörpers sicher und korrekt zu erfassen.

Zudem kann nun auch im Fall eines Fadenrisses bzw. Fadenbruchs im Bereich der Unterfadenspule der sehr häufig auftretende Fehlerfall detektiert werden, bei dem nach dem Fadenriss die Unterfadenspule nicht zum Stillstand kommt, sondern während des Nähvorgangs in eine Art von Zitter- bzw. Pendelbewegung verfällt. Eine derartige Pendelbewegung kann durch bekannte Detektorvorrichtungen fälschlich als Drehbewegung interpretiert werden. Da sich jedoch eine Pendelbewegung regelmäßig nur als Wechsel zwischen zwei benachbarten Markierungszuständen darstellt, fehlt in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ein dritter Zustandswert, so dass dieser Fehlerfall nach einem erfindungsgemäßen Verfahren sicher im Zuge einer Abweichung von dem definiert vorgegebenen Farb- bzw. Markierungszustandswechsel detektiert wird.

Da eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren sowohl für einen Unterfaden wie auch für einen Oberfaden Verwendung finden kann, können hiermit nun alle möglichen Versionen einer Scheinvernähung im Rahmen der vorliegenden Erfindung sicher ausgeschlossen werden. Der Fachmann versteht dabei unter Scheinnähten das Ergebnis einer Vernähung, bei der die Naht nur einen Faden umfasst und aufgrund des vollständigen Fehlens des zweiten Fadens nicht sicher ist. Regelmäßig tritt in der Praxis der Fall ein, dass die Vernähung durch den Oberfaden durch einen fehlenden, sichernden Unterfaden zu einer Scheinvernähung wird. Derartige fehlerhafte Nähte können erst im Zuge einer Qualitätskontrolle aufgefunden werden. Nachträglich durchgeführte Prüfungen können jedoch in diesen zusätzlichen Arbeitsschritt nichts anderes bewirken, als die Fehler der vorangehenden Arbeitsphase bzw. Arbeitsschritte zu finden. Durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung werden im Sinne des Poka-Yoke-Ansatzes Fehler bereits in der Arbeitsphase effektiv vermieden.

Weiter kann ein nach einem erfindungsgemäßen Verfahren ermitteltes Ausgangssignal einer entsprechenden Vorrichtung zur Abschaltung und Fehlermeldung verwendet werden. Darüber hinaus können die Durchläufe der definierten Musterwechsel für einen sehr zuverlässigen Zähler für Umdrehungen der betreffenden Fadenspule für eine häufig in Nähmaschinen vorgesehene Abschätzung der Restfadenlänge verwendet werden.

Schließlich sind die beiden Drehrichtungen aufgrund der Abfolge der Markierungszustände voneinander klar unterscheidbar. Damit kann aufgrund der Möglichkeit einer Unterscheidung in der Drehrichtung sichergestellt sein, dass eine Spule stets richtig herum eingelegt worden ist. Beim Abwickeln von Faden bzw. Garn von einer Spule kommt es ganz wesentlich auf die Wickelrichtung an. Nahtbild und Rissneigung gerade des regelmäßig verhältnismäßig dünnen Unterfadens sind aufgrund des je Wickelrichtung verschiedenen Abwickelwiderstandes stark unterschiedlich. Verschiedentlich werden daher in der Praxis gleichbleibende Wickelrichtungen bei der Zuführung von Faden zu einem Nähautomaten vorgegeben. Somit würde auch eine verkehrt herum eingelegte Unterfadenspule als Produktionsfehlerquelle im Sinne des Poka-Yoke-Ansatzes durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung erkannt werden, bevor es zu Fehlern im nachfolgenden Nähvorgang kommen würde.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht eine Markierung aus je einem Feld in weiß oder silbern, schwarz und einer echten Farbe oder Mischung aus den Grundfarben. Hierbei werden die Farben gelb, rot, blau und/oder grün bevorzugt eingesetzt. In dieser Ausführungsform werden durch das weiße bzw. silberfarbige und stark reflektierende Feld der binäre Zustand 1 und durch das schwarze Feld der Zustand 0 dargestellt, wie dies bereits nach dem Stand der Technik der Fall ist. Durch die konkrete Erkennung einer zusätzlich eingeführten Farbe wird ein dritter Zustand eingeführt, durch den nun eine Reihenfolge von unterschiedlichen Signal- bzw. Markierungszuständen festgelegt ist. Eine entsprechende Vorrichtung zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann in einem Ausführungsbeispiel durch Erweiterung bekannter Unterfadenüberwachungen um einen Farbsensor, der mit eigener Lichtquelle versehen sein kann, und entsprechende Einfügung eines zugeordneten Farbzustandes in einer bekannten Markierung erreicht werden. Eine Ausführung mit einer Lichtquelle und zwei Sensoren wäre als Beispiel also technisch möglich und zeigt den geringen Aufwand bei erhöhter Leistungsfähigkeit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Besonders bevorzugt wird jedoch die Verwendung einer nur farbigen bzw. nur unterschiedlich farbige Zustände aufweisenden Markierung, da die vorstehend beschriebenen Auslöser binärer Schaltzustände auch im Zuge von insbesondere durch Verschmutzungen oder Detektor-Defekt hervorgerufenen Fehlerzuständen auftreten können.

Vorzugsweise ist der in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung überwachte Faden ein Unterfaden und die entsprechende Fadenspule eine Unterfadenspule. Dabei wird bevorzugt die Markierung an mindestens einer der beiden Außenstirnseiten der Fadenspule vorgesehen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Markierung an beiden Außenstirnseiten der Fadenspule bei gleicher Farbfolge der Markierungen identisch vorgesehen. Damit ist erreicht, dass die Fadenspule universell einsetzbar ist. Der korrekte Einsatz der Fadenspule ist dann nur noch von der vorbestimmten Wickelrichtung abhängig.

Vorzugsweise sind die Markierungen in Form farbiger Segmente oder Kreisring-Abschnitte radial zur Drehachse der Farbspule vorgesehen. Dabei wird unter anderem zum Schutz der Markierung gegen mechanische Einflüsse eine Anordnung z.B. in Senk-Erodierungen am Körper der Fadenspule bevorzugt. Stege zwischen den einzelnen Erodierungen können dann Begrenzungen der farbigen Flächen bilden, die eine Fertigungsvereinfachung bei scharfer Zustandstrennung bieten.

Als optische Einrichtung werden in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine aktive Mehrfarben-Strahlungsquelle und ein darauf abgestimmter Detektor vorgesehen, die mit entsprechenden Markierungen zusammenwirken, insbesondere mit Markierungen in den Farben rot, gelb und blau. Am Markt sind hierzu zuverlässig arbeitende, sehr kompakte Baugruppen erhältlich, u.a. unter der Bezeichnung rgb-Sensor. Sie können zur Initialisierung auch einmal an den jeweiligen Farb-Zuständen individuell eingemessen werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist an der optischen Einrichtung eine Düse zur Erzeugung eines schmutzabweisenden Überdruckbereiches angeordnet. Hierzu wird gesäuberte Pressluft unter Dosierung und Ansteuerung durch ein Magnetventil durch die Düse in den regelmäßig gegen Verschmutzungen empfindlichen optischen Bereich zwischen der Markierung einer Fadenspule einerseits und der optischen Einrichtung andererseits eingeblasen. So kann sich aufgrund des herrschenden Überdrucks hier kein Staub, Fadenabrieb oder Ölnebel ansammeln.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Verdeutlichung weiterer Vorteile und Eigenschaften unter Bezugnahme auf die Abbildungen der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1: eine perspektivische Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

2: eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Unterfadenspule und

3: eine Draufsicht auf eine Stirn-Außenfläche der Spule von 2.

Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden einheitlich gleiche Bezeichnungen und Bezugszeichen für gleiche Teile verwendet.

1 zeigt als Explosionsdarstellung einen Ausschnitt einer bekannten Nähmaschine 1, bei der unter einem Nähtisch 2 eine Fadenspule 3 in einem Drehgreifer 4 aufgenommen ist und mit einem Spulengehäuse 5 abgedeckt wird. Das Spulengehäuse 5 weist eine Ausnehmung 6 auf, durch die Strahlung von einer optischen Einrichtung 8 mit einer aktiven Mehrfarben-Strahlungsquelle 9 entlang einer Strahlachse S hindurch auf eine Markierung 10 einer Außenstirnseite 12 der Fadenspule 3 mit mehreren Markierungs-Zuständen gelangt, dort reflektiert und zu einer im Bereich der aktiven Mehrfarben-Strahlungsquelle 9 in nicht weiter dargestellter Art und Weise angeordneten Detektoreinrichtung reflektiert wird. Im kompakter Bauweise wird als optische Einrichtung 8 ein sog. digitaler rgb-Sensor mit integrierter Optik und Ansteuer- und Auswertungselektronik verwendet. Auf die Funktionsweise wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Abbildungen der 2 und 3 eingegangen.

In einer Einbaulage der Fadenspule 3 ist zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen ersten optischen Einrichtung 8 eine binär bzw. auf schwarz/weiß-Kontrast hin arbeitende zweite optische Einrichtung 14 vorgesehen. Diese zweite optische Einrichtung 14 ist im Wesentlichen auf eine Drehachse D der Fadenspule 3 im Betriebszustand gerichtet. Sie bildet eine Restfaden-Überwachung, da sie in bekannter Weise nur zwischen den Zuständen "Faden vorhanden" und "reflektierender Spulengrund" unterscheiden kann. Hierzu kann neben Infrarot-Strahlung auch andere Strahlung in und außerhalb des sichtbaren Lichts verwendet werden.

2 zeigt die Fadenspule 3 in einer seitlichen Schnittdarstellung, aus der hervorgeht, dass die Fadenspule 3 im Bereich einer Außenstirnseite 12 Senk-Erodierungen 15 aufweist, in denen die Markierungen 10 durch Absenkung um einen Wert a vor mechanischer Beanspruchung durch Bremsfedern etc., die insbesondere Bestandteile des Spulengehäuses 5 sind, geschützt angeordnet sind.

3 zeigt eine Draufsicht auf die Außenstirnseite 12 der Fadenspule 3 von 2. Anhand der 3 wird deutlich, dass die Markierungen 10 in Form von drei Kreisring-Segmenten 16 mit durch Stegen gebildeten Zwischenräumen z in den Farben gelb g, rot r, und blau b konzentrisch um die Drehachse D der Fadenspule 3 angeordnet sind. Ein mittlerer Durchmesser d der Kreisring-Segmente 16 ist der Position der Ausnehmung 6 am Spulengehäuse 5 entsprechend gewählt. Damit wird durch die optische Einrichtung in der einen Drehrichtung der Spule eine Musterfolge der Farben gelb, rot, blau, in der entgegengesetzten Drehrichtung jedoch eine Farbfolge gelb, blau, rot detektiert werden. Diese Farbfolgen sind voneinander klar unterscheidbar, so dass in einer an die optische Einrichtung 8 angeschlossenen und nicht weiter dargestellten Logik beide Drehrichtungen der Fadenspule 3 voneinander klar unterscheidbar sind.

In einer in 2 nicht weiter dargestellten Art und Weise sind beide Außenstirnseiten der Fadenspule 3 in gleicher Weise codiert, so dass eine derartige Fadenspule 3 universell einsetzbar ist. Zu unterscheiden ist beim Einsetzen der Fadenspule 3 lediglich hinsichtlich der Wickelrichtung. Da jedoch in der vorstehend dargelegten Art und Weise über einen Farbwechsel jede der möglichen Drehrichtungen der Fadenspule 3 erkannt werden kann, kann auch eine hinsichtlich ihrer Wickelrichtung falsch eingelegte Fadenspule 3 sofort erkannt werden. In diesem Fall würde im Sinne des Poka-Yoke-Ansatzes ein Nähvorgang unter Ausgabe einer entsprechend zielgerichteten Fehlermeldung sofort unterbrochen werden.

Im Falle eines Stillstandes der Fadenspule 3 würde dauerhaft nur eines der Farbsignale g, r, b erkannt werden. Im Fall eines Zitterns der Spule würde beispielsweise nur ein Wechsel zwischen den Markierungen b und r detektiert werden. In beiden Fällen würde durch eine nachfolgende Logikschaltung eine Störung des Betriebes sofort erkannt werden.

In bekannter Weise muss beim Wiederanlauf einer Nähmaschine eine sogenannte Nachlauf-Fadenmenge auf der hier dargestellten Unterfadenspule 3 erst verbraucht werden, bis sich die Unterfadenspule 3 wieder drehen kann. Es wird also zeitversetzt zu einem Nähbeginn erst eine Drehung der Fadenspule 3 durch einsetzenden Musterwechsel über die optische Einrichtung 8 detektiert werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dieser Spulennachlauf dadurch berücksichtigt, dass durch einen Stichzähler in diesem Beispiel sieben Stiche ab Neustart des Nähvorganges abgewartet wird, bis ohne Detektion einer Drehung der Fadenspule 3 auf einen wahrscheinlichen Fadenriss des Unterfadens hingewiesen wird. Es wird damit erst ab der Durchführung des siebten Nähstiches eine Fehlermeldung mit Zwangsabschaltung der Nähmaschine bewirkt. Ab Start eines neuen Nähvorganges oder einer Änderung der Nähbewegung ist ein Maß von ca. 5 bis etwa 19 Stiche ohne eine Detektion eines Drehens der Fadenspule 3 bis zur Ausgabe einer Fehlermeldung abgewartet eingerichtet. Dieses Maß wird je nach Geometrie bzw. Dicke und Materialsteifigkeit des Nähgutes und Stichlänge einer bestimmten Nahtform vom Fachmann einmal eingestellt.

Zur Reinhaltung der optischen Einrichtung 8 ist eine mit gesäuberter Pressluft beaufschlagte Düse 17 vorgesehen, wie in der Abbildung von 1 angedeutet. Durch die gesäuberte Pressluft wird unter Ansteuerung durch ein nicht weiter dargestelltes Magnetventil mit zugehöriger Regelschaltung ein Überdruckbereich zwischen der optischen Einrichtung 8 und der Markierung 10 auf der Außenstirnseite 12 der Fadenspule 3 geschaffen. Hierdurch sind Ablagerungen von Staub und Fadenabrieb, aber auch Niederschlag von Öl- oder Kühl- und Schmiermittel-Nebel in diesem für die optische Erkennung sensitiven Bereich weitgehend ausgeschlossen. Somit arbeitet eine derartige Vorrichtung im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen wesentlich störungsfreier.

Eine derartige Düse 17 kann selbstverständlich auch im Bereich der zweiten optischen Einrichtung 14 eingesetzt werden. Diese zweite optische Einrichtung 14 mit binärer Entscheidung auf Basis eines starken hell-/dunkel-Kontrastes dient jedoch lediglich einer Restfaden-Überwachung auf der Fadenspule, wie sie aus dem Stand der Technik an sich bereits bekannt ist.

1

Nähmaschine

2

Nähtisch

3

Fadenspule

4

Drehgreifer

5

Spulengehäuse

6

Ausnehmung

7

8

optische Einrichtung

9

aktive Mehrfarben-Strahlungsquelle

10

Markierung

11

12

Außenstirnseite

13

14

zweite optische Einrichtung

15

Senk-Erodierung

16

Kreisring-Segment

17

Düse

g

Farbe gelb

r

Farbe rot

b

Farbe blau

D

Drehachse

S

Strahlengang

a

Erodierungstiefe

z

Zwischenräumen