Diplomarbeit - Von der Idee zum Produkt Kaiser Konstruktion · Schlinge. Durch diese wird der Unterfaden mit Hilfe des Greifers geführt. Dadurch entsteht eine Verknotung, die das

Elektronische Einstellung der Oberfadenspannung

an Industrienähmaschinen der Klasse 867 Premium

Fachhochschule Lippe und Höxter

Fachbereich Maschinentechnik und Mechatronik

Studiengang Mechatronik

Diplomarbeit Sommersemester 2004

Philipp Kaiser

Betreuung:

Prof. Dr.-Ing. Heinrich Uhe (FH Lippe)

Prof. Dr.-Ing. Alfred Schmitt (FH Lippe)

Dipl.-Ing. Andree Cramer (Dürkopp Adler AG)

Fadenspannung – Eidesstattliche Erklärung - 2 -

Eidesstattliche Erklärung

Schriftlicher Teil der Diplomprüfung im Studiengang Mechatronik

Diplomprüfungsordnung für den Studiengang Mechatronik an der Fachhochschule

Lippe und Höxter (DPO-Mechatronik)

Aufgrund des § 2 Abs. 4 und des § 1 des Gesetzes über die Fachhochschule im

Lande Nordrhein-Westfalen (Fachhochschulgesetz – FHG) in der Fassung der

Bekanntmachung vom 03. August 1993 (GV. NW. S. 564), zuletzt geändert durch

das Gesetz vom 07. März 1995 (GV. NW. S.192), hat die Fachhochschule Lippe und

Höxter die folgende Diplomprüfungsordnung als Satzung erlassen:

Diplomprüfungsordnung für den Studiengang Mechatronik an der Fachhochschule

Lippe und Höxter (DPO-Mechatronik)

Vom 27. Juli 1998

Die Diplomarbeit umfasst 127 Seiten + Anhang

Ich erkläre, dass ich die vorliegende Diplomarbeit selbstständig angefertigt habe und

nur die im Anhang aufgeführten Hilfsmittel benutzt wurden.

Bielefeld, den 30.06.2004

Philipp Kaiser

Fadenspannung – Angaben zur Diplomarbeit - 3 -

Angaben zur Diplomarbeit

Verfasser Philipp Kaiser

Oerlinghauser Str. 112

32758 Detmold

Matrikelnummer 16007021

Studienort Fachhochschule Lippe und Höxter

Liebigstr. 87

32657 Lemgo

Studiengang Mechatronik

Fachrichtung Mechanische Systeme

Betrieb Dürkopp Adler AG, Bielefeld

Potsdamer Str. 190

33719 Bielefeld

Betreuer im Betrieb Dipl.-Ing. Andree Cramer

Betreuer der Hochschule Prof. Dr.-Ing. Heinrich Uhe

Prof. Dr.-Ing. Alfred Schmitt

Bearbeitungszeitraum 30.03.2004 - 30.06.2004

Abgabedatum 30.06.2004

Fadenspannung – Danksagung - 4 -

Danksagung

Mein Dank gilt allen, die mich bei der Erstellung dieser Diplomarbeit unterstützt

haben:

• Andree Cramer für die Betreuung dieser Arbeit und vor allem für die

Hilfestellungen im Bereich Software und Elektrotechnik

• Jochen Heistermann für die Erstellung aller CAD-Darstellungen mit CATIA

• Den Mitarbeitern aus der Projektgruppe von Christoph Heckner

• Den Kollegen aus dem Bereich Steuerungstechnik

• Den Mitarbeitern aus der Versuchswerkstatt

Fadenspannung – Aufgabenstellung - 5 -

Aufgabenstellung

Elektronische Einstellung der Oberfadenspannung an Industrienähmaschinen

der Klasse 867 Premium

Zur maschinellen Vernähung von zwei Werkstücken werden zwei unterschiedliche

Fäden verwendet. Der Oberfaden wird von oben mit einer Nadel in das Werkstück

eingestochen und bildet beim Herausziehen an der Unterseite des Materials eine

Schlinge. Durch diese wird der Unterfaden mit Hilfe des Greifers geführt. Dadurch

entsteht eine Verknotung, die das obere und untere Werkstück zusammenhält. Die

Spannung des Oberfadens hat dabei großen Einfluss auf die Festigkeit des Knotens.

Im Idealfall ist sie so groß, dass der Knoten genau zwischen die beiden

Materiallagen gezogen wird.

Bei bisherigen Nähmaschinen wird zur Einstellung der Fadenspannung der

Oberfaden zwischen zwei Scheiben hindurch gezogen, die mit Federn vorgespannt

sind. Die für den aktuellen Arbeitsgang richtige Fadenspannung (abhängig u. a. von

der Fadendicke, den Materialeigenschaften des Nähgutes und der Kinematik der

Nähmaschine) muss die Näherin bei jedem Wechsel des auszuführenden

Arbeitsgangs empirisch neu ermitteln und durch Veränderung der Federvorspannung

neu einstellen.

Die Forderungen nach hoher Prozesssicherheit bei großen Stückzahlen macht auch

an den Nähmaschinen eine elektronische Verstellung möglichst aller Parameter

erforderlich, um Eingriffe der Näherin zu vermeiden. Mit Hilfe eines

elektromechanischen Stellgliedes soll die Fadenspannung durch Verstellung der

Kraft auf die beiden Scheiben, zwischen denen der Faden hindurch gezogen wird,

gesteuert werden. Es soll sowohl der mechanische Aufbau, als auch der zur

Ansteuerung erforderliche steuerungstechnische Teil im Rahmen dieser Diplomarbeit

erarbeitet werden. Der zeitliche Fadenspannungsverlauf in einem Stich soll mit

einem entsprechenden Sensor gemessen werden. Mit den gewonnenen Ergebnissen

ist die Machbarkeit einer Fadenspannungsregelung zu prüfen und ggf. ein Ansatz für

eine technische Lösung abzuleiten.

Die Diplomarbeit wird bei Dürkopp Adler in Bielefeld durchgeführt, dort von Herrn

Dipl.-Ing. Andree Cramer betreut und ist in engem Kontakt mit dem betreuenden

Dozenten abzuwickeln.

Fadenspannung – Inhaltsverzeichnis - 6 -

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung ...................................................................................... 11

1.1 Die Dürkopp Adler AG ................................................................................. 11

1.2 Der Prozess des Nähens ............................................................................. 13

1.2.1 Einteilung von Nähmaschinen ................................................................ 13

1.2.2 Aufbau einer Doppelsteppstichmaschine ................................................ 16

1.2.3 Entstehung eines Doppelsteppstichs ...................................................... 19

1.2.4 Einstellbare Nähparameter ..................................................................... 22

1.3 Maschinenklasse 867 .................................................................................. 22

1.3.1 Beschreibung des Entwicklungsprojektes ............................................... 22

1.3.2 Ansätze für die Automatisierung in Nähereien ........................................ 24

2. Grundlagen zur Fadenspannung ................................................. 25

2.1 Allgemeines .................................................................................................. 25

2.1.1 Entstehung der Fadenspannung............................................................. 25

2.1.2 Einstellung der Oberfadenspannung mit Druckfedern ............................ 26

2.1.3 Auswirkungen der Fadenspannung auf die Nahtqualität ........................ 27

2.1.4 Messung der Fadenspannung ................................................................ 29

2.1.5 Statische und dynamische Fadenspannung ........................................... 30

2.1.6 Verlauf der Fadenspannung während der Stichbildung .......................... 30

2.2 Nähgarn ........................................................................................................ 32

2.2.1 Einteilung von Fäden .............................................................................. 32

2.2.2 Verarbeitung von Fäden ......................................................................... 33

3. Elektronische Einstellung der Fadenspannung .......................... 36

3.1 Anforderungen und Ziele ............................................................................ 36

3.1.1 Reproduzierbare Einstellung der Fadenspannung.................................. 36

3.1.2 Anpassung an die Motordrehzahl ........................................................... 36

3.1.3 Weitere Gedanken und Ziele .................................................................. 36

3.2 Steuerungskonzept ...................................................................................... 37

3.2.1 Kurzportrait der Dürkopp Adler Control III ............................................... 37

3.2.2 Vorstellung der bestehenden Software (M-Type Premium) .................... 37

3.3 Lösungsansatz ............................................................................................. 38

3.3.1 Auswahl des elektromechanischen Wandlers ........................................ 38

3.3.2 Beschreibung des ausgewählten Hubmagneten .................................... 39


3.3.3 Zusammenhang zwischen Kraft, Luftspalt und Strom ............................. 40

3.3.4 Kennlinie mit Hysterese .......................................................................... 43

3.3.5 Steuerung des Hubmagneten über PWM ............................................... 45

3.3.6 Erwärmung des Magneten ...................................................................... 47

3.4 Aufbau eines Funktionsmusters ................................................................ 50

3.4.1 Anforderungen an die Mechanik ............................................................. 50

3.4.2 Umsetzung ............................................................................................. 51

3.4.3 Einstellung des Luftspaltes ..................................................................... 54

3.5 Entwurf einer Stromregelung ..................................................................... 55

3.5.1 Simulation der Regelstrecke ................................................................... 55

3.5.2 Erweiterung durch einen PI-Regler ......................................................... 59

3.5.3 Simulation der PWM-Erzeugung ............................................................. 63

3.5.4 Simulation des gesamten Systems ......................................................... 64

3.5.5 Ermittlung der Reglerparameter.............................................................. 68

3.6 Praktische Umsetzung der Stromregelung ............................................... 72

3.6.1 Messung des Stroms durch den Hubmagneten ...................................... 72

3.6.2 Verstärkung und Aufbereitung des Messsignals ..................................... 73

3.6.3 Zeitdiskrete Regelung des Stroms über PWM ........................................ 80

3.6.4 Ermittlung der Reglerparameter.............................................................. 88

3.6.5 Mögliche Unterschiede zwischen Simulation und Realität ...................... 93

4. Einsatz der elektronischen Fadenspannung .............................. 95

4.1 Auswahl des elektronischen Messverfahrens .......................................... 95

4.1.1 BTSR-Sensor.......................................................................................... 95

4.1.2 Verstärkung und Aufbereitung des Messsignals ..................................... 96

4.1.3 Kalibration des Sensors ........................................................................ 101

4.1.4 Hall-Sensor ........................................................................................... 102

4.2 Verwendung der elektronischen Fadenspannung .................................. 103

4.2.1 Einstellung des Luftspaltes ................................................................... 103

4.2.2 Kalibration der Fadenspannung ............................................................ 104

4.2.3 Bedienung der Fadenspannung............................................................ 105

4.3 Vergleich zwischen beiden Einstellungsmöglichkeiten ......................... 106

4.3.1 Einflussgrößen ...................................................................................... 106

4.3.2 Konstante Nähgeschwindigkeit ............................................................. 107

4.3.3 Variable Nähgeschwindigkeit ................................................................ 111


5. Machbarkeit einer Fadenspannungsregelung .......................... 112

5.1 Ausgangsbasis .......................................................................................... 112

5.1.1 Handlungsspielraum ............................................................................. 112

5.1.2 Lösungskonzepte .................................................................................. 113

5.2 Schätzung der Fadenspannung................................................................ 114

5.2.1 Charakteristik und Erfassung des Fadenspannungsverlaufs ................ 114

5.2.2 Bewertung ............................................................................................ 116

5.3 Langfristige Regelung ............................................................................... 118

5.3.1 Charakteristik und Erfassung des Fadenspannungsverlaufs ................ 118

5.3.2 Bewertung ............................................................................................ 119

5.4 Geschwindigkeitskompensation .............................................................. 120

5.4.1 Abhängigkeit von der Geschwindigkeit ................................................. 120

5.4.2 Bewertung ............................................................................................ 120

5.4.3 Ansatz für die Realisierung ................................................................... 121

6. Zusammenfassung & Ausblick .................................................. 124

A. Anhang ........................................................................................ 128

A.1 Quellenangaben ......................................................................................... 128

A.2 Datenblätter ................................................................................................ 130

A.2.1 Hubmagnet ........................................................................................... 130

A.2.2 LEM ...................................................................................................... 132

A.2.3 Operationsverstärker ............................................................................ 134

A.2.4 BTSR-Sensor........................................................................................ 139

A.3 Beispielnähte ............................................................................................. 140

Fadenspannung – Abbildungsverzeichnis - 9 -

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Doppelstepp- und Doppelkettenstich ................................................... 13

Abbildung 2: Nähmaschine der Klasse 867 (Prototyp) ............................................. 16

Abbildung 3: Schematische Darstellung einer Nähmaschine ................................... 16

Abbildung 4: Greiferfunktionsmodell (Greifer der Klasse 271) .................................. 19

Abbildung 5: Erfassung der Schlinge ........................................................................ 20

Abbildung 6: Führung um den Unterfaden ................................................................ 20

Abbildung 7: Einziehen des Knotens in das „virtuelle“ Material ................................ 21

Abbildung 8: Prototyp ............................................................................................... 23

Abbildung 9: Spannungsplatte mit Druckfedern ........................................................ 26

Abbildung 10: Richtige Fadenspannung beim Doppelsteppstich .............................. 27

Abbildung 11: Falsche Fadenspannungen beim Doppelsteppstich .......................... 27

Abbildung 12: Fadenwaage mit automatischem Fadenabzug .................................. 29

Abbildung 13: Verlauf der Fadenspannung bei vier Stichen ..................................... 31

Abbildung 14: Verlauf der Fadenspannung bei einem Stich ..................................... 31

Abbildung 15: Querschnitt durch den Hubmagneten ................................................ 39

Abbildung 16: Kennlinie des Hubmagneten (Katalog der Firma indEAS) ................. 42

Abbildung 17: Hystereseschleife eines ferromagnetischen Materials ....................... 43

Abbildung 18: Kennlinien des Hubmagneten (Messungen der Firma indEAS) ......... 44

Abbildung 19: Jeweils drei Perioden T bei 50 % und 20 % PWM ............................. 45

Abbildung 20: Verlauf des Stromes über der Zeit (bei 100 % PWM) ........................ 48

Abbildung 21: Verlauf des Stromes über der Zeit (diverse Pulsweiten) .................... 49

Abbildung 22: Verlauf des Stromes über der Zeit (diverse Pulsweiten) .................... 49

Abbildung 23: Spannungsplatte mit Hubmagnet ....................................................... 51

Abbildung 24: Spannungsplatte mit Fadenführung ................................................... 52

Abbildung 25: Hubmagnet (im Gehäuse) mit Spannungsscheiben .......................... 53

Abbildung 26: Hubmagnet mit Spannungsscheiben ................................................. 54

Abbildung 27: Elektrisches Ersatzschaltbild des Hubmagneten ............................... 55

Abbildung 28: Sprungantwort des realen Systems ................................................... 56

Abbildung 29: Modell der Regelstrecke .................................................................... 57

Abbildung 30: Sprungantwort des simulierten Systems ............................................ 58

Abbildung 31: Modell des zeitdiskreten PI-Reglers .................................................. 59

Abbildung 32: Generierung des PWM-Signals mit einer Drei-Punkt-PWM ............... 63

Fadenspannung – Abbildungsverzeichnis - 10 -

Abbildung 33: Modell der PWM-Erzeugung .............................................................. 64

Abbildung 34: Regler, Stellglied und Regelstrecke ................................................... 64

Abbildung 35: Sollwertsprung von 100 mA auf 250 mA ............................................ 66

Abbildung 36: Vergrößerung des PWM-Signals ....................................................... 67

Abbildung 37: Strom und Spannung bei P = 50 (oben) und 55 (unten) .................... 69

Abbildung 38: Vergrößerung des Stromes bei P = 55 .............................................. 70

Abbildung 39: Strom und Spannung bei optimierten Parametern ............................. 71

Abbildung 40: Differenzverstärker ............................................................................ 73

Abbildung 41: Differenzverstärker mit Filterung ........................................................ 76

Abbildung 42: Differenzverstärker mit Filterung und Offseterzeugung ..................... 78

Abbildung 43: Aufbereitung des LEM-Signals .......................................................... 79

Abbildung 44: Ausgangsspannung über Strom ........................................................ 80

Abbildung 45: Strom und Spannung bei P = 9500 (oben) und 10000 (unten) .......... 89

Abbildung 46: Vergrößerung des Stromes ............................................................... 90

Abbildung 47: Stromsprünge bei I = 44 (oben) und 130 (unten) ............................... 91

Abbildung 48: Stromsprünge bei I = 250 .................................................................. 92

Abbildung 49: Vergleich zwischen Messschaltung und Stromzange ........................ 94

Abbildung 50: Überlagerung des Messsignals mit der Eigenschwingung ................. 96

Abbildung 51: Bessel-Tiefpass 2. Ordnung .............................................................. 97

Abbildung 52: Aufbereitung des BTSR-Signals ........................................................ 99

Abbildung 53: Vergleich des gefilterten und des ungefilterten Messsignals ........... 100

Abbildung 54: Ausgangsspannung über Fadenspannung ...................................... 101

Abbildung 55: Abschätzung der Fadenspannung ................................................... 103

Abbildung 56: Fadenspannung über eingestelltem Strom (zwei Messungen) ........ 104

Abbildung 57: Einstellung der Fadenspannung mit Druckfedern ............................ 107

Abbildung 58: Elektronische Einstellung der Fadenspannung ................................ 108

Abbildung 59: Einstellung mit Hubmagnet (oben) und Federn (unten) ................... 109

Abbildung 60: Fadenspannung über der Drehzahl ................................................. 111

Abbildung 61: Annäherung des Verlaufs durch eine Parabel ................................. 114

Abbildung 62: Fadenspannung und OT bei zwei Nähgeschwindigkeiten ............... 117

Abbildung 63: Verlauf der Fadenspannung bei voller Unterfadenspule .................. 118

Abbildung 64: Verlauf der Fadenspannung bei leerer Unterfadenspule ................. 119

Abbildung 65: Fadenspannung über der Drehzahl ................................................. 120

Abbildung 66: Gemessene Fadenspannung über Drehzahl und Strom .................. 121

Abbildung 67: Angenäherte Fadenspannung über Drehzahl und Strom ................ 123

Fadenspannung – Einleitung - 11 -

1. Einleitung

1.1 Die Dürkopp Adler AG

Bielefeld, Mitte des 19. Jahrhunderts: Die industrielle Revolution hat die Stadt in

einen bedeutenden Textilstandort verwandelt. Zur Weiterverarbeitung der Stoffe

werden vorwiegend aus den USA importierte Nähmaschinen eingesetzt. Ihre

Anschaffung ist teuer und ihre Wartung schwierig. Die beiden Schlosser Baer und

Koch erkennen die Gunst der Stunde und gründen 1860 die erste Bielefelder

Nähmaschinenfabrik.

Der Erfolg des Unternehmens verdeutlicht den Partnern das Potential des neu

erschlossenen Marktes, so dass Baer sich 1865 entschließt, einen eigenen Betrieb

zu gründen. Koch firmiert fortan unter dem Namen Koch & Co und beschäftigt jetzt

die beiden Nähmaschinenmechaniker Dürkopp und Schmidt. Dürkopp hatte bereits

1861 seine erste Nähmaschine konstruiert und macht sich 1867 mit Schmidt als

Dürkopp & Schmidt selbständig.

So entwickelt sich Bielefeld innerhalb von 20 Jahren zu einem der wichtigsten

Standorte der Nähmaschinenindustrie in Deutschland. 1880 sind 19 Bielefelder

Unternehmen in der Branche tätig. Ihre Produkte genießen internationale

Anerkennung und werden europaweit verkauft.

Durch die große nationale und internationale Konkurrenz kriselt es in den 80er

Jahren in der Branche. Dürkopp & Co - wie das Werk nach dem Ausscheiden

Schmidts heißt - ist das erste Unternehmen, das auf der Suche nach neuen

Absatzmärkten mit der Fertigung von Fahrrädern beginnt. Das neue Produkt verkauft

sich sehr gut, und das Unternehmen kann seinen Erfolgskurs fortsetzen. Wie andere

Betriebe folgt Koch & Co dem Beispiel Dürkopps, so dass sich die Fahrradproduktion

bald zu einem wichtigen Wirtschaftsfaktor der Stadt entwickelt.

Vom Erfolg beflügelt, beginnt Dürkopp gegen Ende des Jahrhunderts mit der

Produktion von Autos, Lkws und anderen motorisierten Fortbewegungsmitteln.

Während Dürkopp stetig bemüht ist, neue Geschäftsfelder für sein Unternehmen zu

erschließen, konzentrieren sich Koch & Co auf den Bereich der industriellen Näh-

und Bekleidungstechnik. Ihr Markenname Adler wird zum Synonym für international

gefragte Spezialnähmaschinen. So stellen die Kochs Adler Nähmaschinenwerke AG,

wie sich das Unternehmen nun nennt, 1920 die Fahrradproduktion ein.

Die Weltwirtschaftskrise zwingt die Dürkoppwerke AG - so heißt das Unternehmen

nach dem Tod des Gründungsvaters - Ende der zwanziger Jahre zur Aufgabe der


ohnehin nicht so erfolgreichen Automobilproduktion. Gegen Ende der Weimarer

Republik wird mit der Entwicklung der ersten Förderanlage für die Textilindustrie ein

Absatzmarkt erschlossen, in dem das Unternehmen noch heute aktiv ist.

Nach dem zweiten Weltkrieg versuchen auch die Kochs Adler Nähmaschinenwerke

mit der Produktion von Schreibmaschinen und Verpackungsmaschinen, in neue

Geschäftsfelder vorzudringen. Beide Bereiche werden jedoch mittelfristig ebenso wie

die Produktion von Haushaltsnähmaschinen wieder aufgegeben. Auch die

Dürkoppwerke AG beschränkt sich seit Anfang der sechziger Jahre auf die

Produktbereiche Industrienähmaschinen und Förderanlagen.

1962 wird die Aktienmehrheit der Dürkoppwerke AG durch die FAG Kugelfischer

übernommen. Als rund 25 Jahre später der Kugelfischer Konzern auch die Mehrheit

der Aktien der Kochs Adler AG übernimmt, ist der Weg für die Fusion der beiden

konkurrierenden Nähmaschinenfabriken geebnet. Seit 1990 firmieren sie als Dürkopp

Adler AG in den neuen Firmengebäuden in Bielefeld-Oldentrup.

Heute bietet die Dürkopp Adler AG Problemlösungen in den Bereichen Näh- und

Fördertechnik an. Der Konzern operiert mit einer weltweiten Service- und

Vertriebsorganisation von 11 Tochtergesellschaften und über 80 Vertragshändlern.

Ziel des Unternehmens ist es, die Automatisierung von Fertigungsabläufen zu

perfektionieren und gleichzeitig ein Höchstmaß von flexiblen Anwendungs-

möglichkeiten zu gewährleisten.


1.2 Der Prozess des Nähens

1.2.1 Einteilung von Nähmaschinen

Bereits in der Jungsteinzeit (ca. 4600 – 2000 v. Chr.) wurden Fäden mit

Handspindeln gesponnen und unter anderem zur Bearbeitung von Kleidungsstücken

eingesetzt. Die damaligen Techniken sind im Grunde bis heute erhalten geblieben

und lassen sich in allen manuellen und maschinellen Nähvorgängen wieder finden:

Eine Nadel durchsticht das Nähgut, durch das entstandene Stichloch wird ein Faden

geführt und nach einem definierten Muster verknotet. Meistens entsteht dabei eine

trennbare Verbindung zwischen zwei Materiallagen.

Mittlerweile wird der Faden durch eine Öse an der Nadelspitze gefädelt. Den dann

folgenden Vorgang haben alle Nähmaschinen gemeinsam:

Die Nadel durchsticht das Werkstück. Das geschieht bei einigen

Industrienähmaschinen bis zu 8000-mal pro Minute! Der Faden bildet beim

Herausziehen der Nadel an der Unterseite eine Schlinge, die von einem Greifer

aufgenommen wird. Was anschließend passiert, hängt vom jeweiligen Nähverfahren

ab. In der DIN 61400 wird beschrieben, welche Muster möglich sind und wie die

Nähmaschinen und Nähstichtypen eingeteilt werden. Die beiden wichtigsten

Stichtypen sind der Doppelsteppstich und der Doppelkettenstich [1]:

Nahtkonstruktion Aussehen Fadenverbrauch

Doppelsteppstich

„Typ 301“

Oberfaden: 1,40 m *

Unterfaden: 1,40 m *

Doppelkettenstich

„Typ 401“

Oberfaden: 1,70 m *

Unterfaden: 3,10 m *

* pro Meter Nahtstrecke (Materialdicke: 1 mm & Stichlänge: 2,5 mm)

Abbildung 1: Doppelstepp- und Doppelkettenstich


Der Doppelsteppstich wird am häufigsten in Nähmaschinen eingesetzt und ist auch

die Basis dieser Arbeit. Außerdem gibt es noch weitere selbstständige Stichtypen,

zahlreiche Varianten und Kombinationen:

- Einfachblindstich

- Diverse „Zick-Zack“-Stiche

- Überwendlingstiche (mit bis zu sechs Fäden)

- Biesenstich

- Stiche mit zwei, drei oder vier Nadeln

- Sicherheitsnähte (Kombinationen aus mehreren Stichtypen nebeneinander)

- Überdeckstiche

- Flatlocknaht

- Mauserlocknaht

- Nähte für Wäsche- und Augenknopflöcher

- Nähte zum Annähen von Knöpfen

Aus diesen Stichtypen und aus weiteren technologischen Gesichtspunkten ergibt

sich die erste Einteilung von Nähmaschinen, nach Hauptklassen:

- Stichtyp (grundsätzliche Art der Stichbildung)

- Anzahl der Nadeln (bis zu vier)

- Transportarten (unterschiedliche Formen des Material- und auch

Nadeltransports)

- Greiferarten und Greiferanordnungen (abhängig von der Stichtype, z.B.

oszillierende oder rotierende Greifer in vertikaler oder horizontaler Anordnung)

- Bauformen (Form des Gussgehäuses, vor allem im Hinblick auf den

Arbeitsbereich der Maschine, z.B. für die Bearbeitung von Schuhen)

- Automatisierungsgrad

o Standardmaschine: Die Näherin näht (Näher gibt es nicht…).

o CNC-Nähautomat: Die Näherin legt Material ein und die Maschine näht

den Nahtabschnitt selbstständig (z.B. Augen- und Wäscheknopflöcher

oder Nahtverriegelungen).

o CNC-Nähanlage: Die Näherin legt Material ein und die Maschine führt

mehrere Arbeitsgänge (z.B. Nähen, Umschlagen, Schneiden)

selbstständig aus (z.B. Aufnähen von Taschen, Einnähen von

Bundfutter).


In der industriellen Fertigung von Textilien werden die meisten Maschinen nur für

einen bestimmten Arbeitsgang eingesetzt. Um den Ablauf möglichst effektiv

gestalten zu können, wird die Maschine für die jeweilige Anwendung spezialisiert.

Die folgenden Aspekte führen zu einer zusätzlichen Einteilung nach Unterklassen:

- Näheinrichtung (Nadel, Transporteur, Transportfuß und Stichplatte)

- Maximale Stichlänge (in der Regel bis maximal 12 mm)

- Schneideinrichtungen (zum Abschneiden von Fäden, Schneiden von Kanten,

zugeführten Stoffen etc.)

- Bedienungshilfen (z.B. Zuführungen und Führungen von Stoffen,

Reißverschlüssen und Knöpfen; Restunterfadenwächter; Nahtverriegelung

(zur Sicherung von Nähten); zweite (umschaltbare) Stichlänge; zweiter

(umschaltbarer) Füßchenhub)

Außerdem kann die Einteilung von Nähmaschinen auch noch nach der Schwere der

zu nähenden Materialien (und damit der Maschinenbelastung) erfolgen:

- Leichte Baureihe (z.B. Bekleidung, Fahnen)

- Mittelschwere Baureihe (z.B. Jeans, Leder)

- Schwere Baureihe (z.B. Zelte, LKW-Planen)

Für das Marketing und den Vertrieb ist in erster Linie eine Zuordnung nach

Anwendungsbereichen und damit nach Kunden wichtig:

- Technische Textilien (z.B. Airbags, Lasten-Gurte, Planen)

- Damenoberbekleidung

- Hemden

- Hosen

- Schuhe

- Wohnpolster

- Innenausstattung von Fahrzeugen (z.B. Autositzbezüge, Innenverkleidung)


1.2.2 Aufbau einer Doppelsteppstichmaschine

Abbildung 2: Nähmaschine der Klasse 867 (Prototyp)

Abbildung 3: Schematische Darstellung einer Nähmaschine

Oberwelle

Direktantrieb

Handrad

Unterwelle

Spannungsplatte

Fadenhebel

Fadenanzugsfeder

Greifer

Nadelstange

Transporteur

Stoffdrückerstange

Stichplatte


Direktantrieb

Die Nähmaschine wird in der Regel von einem elektronisch kommutierten

Synchronmotor angetrieben. Über einen Zahnriemen wird das Drehmoment an Ober-

und Unterwelle weitergegeben und diese gleichzeitig synchronisiert.

Oberwelle

Die Oberwelle treibt die Komponenten im oberen Teil der Nähmaschine an. Dadurch

bewegen unter anderem sich die Nadelstange und der Nadeltransport.

Unterwelle

Die Unterwelle ist für die Bewegung im unteren Teil der Nähmaschine verantwortlich.

Sie treibt die Drehbewegung des Greifers und die intermittierende Bewegung des

Transporteurs an.

Handrad

Das Handrad wird benötigt, um die Nadel von Hand langsam in eine gewünschte

Position zu bewegen. Bei manchen Maschinenklassen dient das Handrad zusätzlich

als Schwungmasse, um höhere Durchstoßkräfte erzielen zu können.

Spannungsplatte

Die Spannungsplatte dient zur Einstellung der richtigen Oberfadenspannung.

Fadenanzugsfeder

Beim Einziehen der Fadenverschlingung ins Nähgut und Abziehen des Oberfadens

von der Fadenrolle gibt die Fadenanzugsfeder Faden frei. Der dann folgende

Fadenanzug soll bis zum erneuten Einstechen der Nadel beendet sein. Dadurch wird

ein Aufstechen der Nadelspitze auf den Oberfaden verhindert.

Fadenhebel

Er gibt der Greiferspitze die benötigte Fadenlänge (ca. 10 cm) und zieht nach der

größten Schleifenausdehnung den Oberfaden mit dem eingeschlossenen Unterfaden

ins Nähgut ein. Im letzten Teil der Aufwärtsbewegung zieht er neuen Faden für den

nächsten Stich von der Rolle.


Greifer

Der Greifer ist das Herzstück der Nähmaschine. Stichbild und Beanspruchung des

Oberfadens beim Nähen sind von der Beschaffenheit und der Justierung des

Greifers abhängig. Im Greifer befindet sich auch die Spule mit dem Unterfaden.

Nadelstange

An der Nadelstange wird die Nadel befestigt. Sie bewegt sich in senkrechter

Richtung und führt den Hub beim Stich aus. Bei der dargestellten Maschine handelt

es sich um eine Maschine mit Nadeltransport. Daher wird der Vorschub während des

Stichs ausgeführt.

Stoffdrückerstange mit Nähfuß

Die Stoffdrückerstange hat die Aufgabe, das Nähgut auf den Transporteur zu

drücken und beim Fadeneinzug den Bereich um das Stichloch stramm zu halten.

Beim Rücklauf (Abtauchen) des Transporteurs drückt sie das Nähgut auf die

Stichplatte.

Transporteur

Der Transporteur ist für den Transport des Nähgutes verantwortlich. Bei dieser

Maschine findet der Transport während des Stiches statt. Somit befindet sich das

Stichloch im Transporteur und nicht in der Stichplatte.

Stichplatte

Die Stichplatte beinhaltet in diesem Fall eine Öffnung für den Transporteur und fixiert

zusammen mit der Stoffdrückerstange das Nähgut, wenn die Nadel nicht im Eingriff

ist.


1.2.3 Entstehung eines Doppelsteppstichs

Die Stichbildung soll an einem Greiferfunktionsmodell erläutert werden. Der Greifer

stammt von einem Schnellnäher und ist vertikal angeordnet. Die Funktionsweise

lässt sich aber auf eine horizontale Anordnung und andere Bauformen übertragen.

Bei der maschinellen Vernähung von zwei Werkstücken mit einem Doppelsteppstich

werden zwei unterschiedliche Fäden verwendet. Der Oberfaden (auch Nadelfaden

genannt) kommt von einer Rolle, läuft durch die Fadenspannungsplatte, den

Fadenhebel und wird dann in das Nadelöhr eingefädelt. Der Unterfaden (oder auch

Greiferfaden) befindet sich auf einer Spule im Innern des Greifers und wird durch

eine Öffnung nachgezogen. Der Träger der Spule heißt Kapsel. Diese darf nicht fest

mit dem Greifer verbunden sein, da sie vom Oberfaden komplett umschlungen wird.

Der Vorgang ähnelt dem Seilchenspringen.

Abbildung 4: Greiferfunktionsmodell (Greifer der Klasse 271)

Nadel

Greifer

Oberfaden

Unterfaden

Greiferkapsel mit Unterfadenvorrat


Die Nadel führt den Oberfaden bis zum unteren Umkehrpunkt (Totpunkt) durch das

zu vernähende Material. Bei der Aufwärtsbewegung der Nadelstange wird unter der

Stichplatte in Schleifenhubhöhe eine Fadenschleife gebildet. Dort befindet sich der

rotierende Greifer. Dessen Spitze erfasst die Schlinge:

Abbildung 5: Erfassung der Schlinge

Während die Nadel das Nähgut verlässt, führt die Greiferspitze die

Oberfadenschleife um den Unterfadenvorrat herum. Das lose dargestellte Ende des

Unterfadens ist in Wirklichkeit angenäht. Dabei muss die ganze Unterfadenspule

einmal umschlungen werden:

Abbildung 6: Führung um den Unterfaden

Greiferspitze

Schlinge


Nach der größten Ausweitung der Fadenschleife zieht der Fadenhebel die

Fadenschleife mit dem eingeschlossenen Unterfaden nach oben in das Nähgut ein.

Dabei wird die Schlinge um den Unterfaden festgezogen:

Abbildung 7: Einziehen des Knotens in das „virtuelle“ Material

Dadurch entsteht eine Verknotung, die das obere und untere Werkstück

zusammenhält. Im letzten Teil der Aufwärtsbewegung zieht der Fadenhebel den

Oberfaden stramm und neuen Faden von der Rolle ab.

Dem eigentlichen Nähvorgang wird der Stofftransport überlagert. Um Zeit zu

gewinnen, führt die Nadel während des Einstichs gemeinsam mit dem Nähgut eine

Bewegung in Vorschubrichtung aus. Auf der Unterseite befindet sich der

Untertransport, der sich mitbewegt und den nötigen Gegendruck aufbaut.

Sobald die Nadel das Material verlassen hat, kann sie relativ zum Stoff zu der

nächsten Einstichstelle bewegt werden. Auf der Oberseite wechseln sich zwei

Füßchen ab, um das Nähgut zu fixieren bzw. zu transportieren.

Der Nähprozess ist im Grunde ein erzwungener Zufall, der von sehr vielen

Einflussgrößen abhängt und nur durch sehr feinfühlige mechanische Einstellungen

möglich gemacht wird.

Verknotung


1.2.4 Einstellbare Nähparameter

Wenn der eigentliche Nähprozess durch die mechanischen Einstellungen gesichert

ist, kann die Nähmaschine betrieben werden. Dabei hat die Näherin dann

verschiedene Möglichkeiten die Gestalt der Naht zu beeinflussen.

Über einen Hebel kann sie die Länge eines Stichs einstellen (in der Regel zwischen

0 und 12 mm). Die Stichlänge hat einen großen Einfluss auf die Festigkeit der Naht,

da von ihr die Anzahl der Verknotungen zwischen den Werkstücken abhängt. Sie ist

entscheidend für die Optik und bestimmt (zusammen mit der Drehzahl) die

Vorschubgeschwindigkeit (der Stoff wird bei jedem Stich um die Stichlänge

fortbewegt), sowie den Fadenverbrauch (bei jedem Stich wird ungefähr die doppelte

Stichlänge und die doppelte Materialdicke verbraucht).

Mit Hilfe eines Stellrades wird der Füßchenhub festgelegt. Dieser ist maßgeblich für

den Stofftransport und muss an die jeweilige Materialdicke angepasst werden. Bei

einer Verdickung quer zur Nahtrichtung, z.B. einer zusätzlichen Lage Material, sollte

der Hub erhöht werden, um ein „Erklimmen“ der Kante zu ermöglichen.

Mit einer Stellschraube kann die Näherin den Druck auf das Füßchen variieren. Die

so genannte Stoffdrückerfeder ist ebenfalls für den Materialtransport wichtig.

Außerdem bestimmt sie, wie stark das Nähgut beim Einstich der Nadel fixiert wird.

Auch auf die Fadenspannung kann die Näherin Einfluss nehmen. Sie bestimmt unter

anderem die Festigkeit der Naht und wird später ausführlich erläutert.

1.3 Maschinenklasse 867

1.3.1 Beschreibung des Entwicklungsprojektes

Die Premium-Ausführung der Klasse 867 gehört zur mittelschweren Baureihe und ist

in erster Linie für das Nähen von Autositzbezügen gedacht. Dazu sollen Funktionen

in die Standardausführung der Maschine integriert werden, die die Herstellung von

qualitativ hochwertigen Nähten ermöglichen. Das bedeutet nicht nur ein verbessertes

Stichbild, sondern auch die Überwachung und Dokumentation der Nähte. Schließlich

ist eine aufgeplatzte Naht auf dem Fahrersitz einer Luxuskarosse für das Image des

Herstellers schädlich und ein Austausch auch kostspielig. Auf der anderen Seite ist

es natürlich auch zu teuer, jede Naht mit geringer Drehzahl herzustellen und von

Hand zu überprüfen.


Zurzeit umfasst die Produktpalette für den mittelschweren Sektor die

Maschinenklassen 367, 467, 667 und 767. Diese Maschinen sind in den

unterschiedlichsten Ausführungen für zahlreiche Anwendungen verfügbar.

Charakteristisch ist in erster Linie die massive Bauweise, die das Durchstechen von

dicken Materialien bei hoher Drehzahl (bis 4000 U/min) ermöglicht.

Die Entwicklung der Klasse 867 (eine Überarbeitung der Vorgängerklassen) befindet

sich kurz vor der Vollendung. Sobald die Basismaschine fertig gestellt und die

Machbarkeit der Premium-Funktionen belegt ist, sollen diese in den neuen Guss

integriert werden. Bis zur Markteinführung der Premium-Maschine werden also noch

einige Jahre vergehen.

Die bisherigen Voruntersuchungen haben an einem Prototyp stattgefunden, der aus

einem Oberteil der Klasse 367 und einer Grundplatte der Klasse 667 besteht. Zur

Prüfung der Funktionen, wie z.B. der elektronischen Verstellung der Fadenspannung,

der Stichlänge und des Füßchenhubs, reicht diese Maschine aber vollkommen aus.

Abbildung 8: Prototyp


1.3.2 Ansätze für die Automatisierung in Nähereien

In der Zulieferindustrie der Automobilbranche besteht das Bestreben,

Produktionsabläufe zu automatisieren, um eine hohe Prozesssicherheit bei großen

Stückzahlen zu gewährleisten. Dafür ist auch an einer Nähmaschine eine

elektronische Verstellung möglichst aller Parameter erforderlich, um Eingriffe der

Näherin zu vermeiden. So müssen an einer Nähmaschine die Oberfadenspannung,

die Stichlänge, die für den Arbeitsgang maximale Drehzahl, der Füßchenhub und die

Riegelparameter eingestellt werden. Durch den verstärkten Einsatz von

elektromechanischen Aktoren (in erster Linie Schrittmotoren) in Kombination mit

moderner Steuerungstechnik (insbesondere Software) wurden zahlreiche neue

Funktionen realisiert oder erst denkbar:

- Automatisierung und Flexibilisierung von Arbeitsgängen (z.B. Anpassung der

Parameter für Nahtabschnitte, ohne die Maschine anhalten zu müssen)

- Einlesen und automatisches Einstellen von Naht-Parametern z.B. mit Hilfe von

Barcodes oder Transpondern (RFID)

- Verbesserung der Reproduzierbarkeit von Ergebnissen durch Speicherung

von Erfahrungswerten

- Erkennung von Fehlstichen

- Differential-Stofftransport (z.B. zur Einarbeitung von Mehrweite)

- Dokumentation von Nähten (z.B. für sicherheitskritische Bauteile wie Airbags)

- Automatisierung von Fertigungsabläufen (Produktionsplanung und –steuerung

(PPS))

Fadenspannung – Grundlagen zur Fadenspannung - 25 -

2. Grundlagen zur Fadenspannung

2.1 Allgemeines

2.1.1 Entstehung der Fadenspannung

Der Faden ist über weite Strecken der Stichbildung nahezu spannungsfrei. Ein erster

Anstieg ist zu bemerken, wenn die Nadel das Material durchstochen hat und der

Oberfaden von der Greiferspitze erfasst wird. Von diesem Moment an muss Faden

von der Spule nachgezogen werden und wird dabei an der Spannungsplatte

gebremst. Dieses geschieht mit einer Art Backenbremse. Der Faden wird zwischen

zwei Scheiben hindurch gezogen, die durch eine Spiralfeder zusammengedrückt

werden. Meistens werden zwei dieser Backenbremsen nach einander eingesetzt. Die

Vorspannung der Federn wird von der Näherin mit Hilfe einer Stellschraube verstellt.

Wenn der Faden die dickste Stelle des Greifers passiert hat, beginnt der

Fadenhebel, den überschüssigen Faden aus dem System herauszuziehen. Das

letzte Stück bis zum oberen Totpunkt des Fadenhebels nennt man Fadenanzug. Der

Oberfaden ist nun im ganzen System gespannt und der Knoten wird festgezogen.

Gleichzeitig wird bereits Faden für den nächsten Stich nachgezogen. Dabei kommt

es darauf an, wie stark der Faden an der Spannungsplatte (und allen anderen

Umlenkungen, Ösen etc.) gebremst wird und nachgeben kann.

Eine große Bedeutung kommt dabei der Unterfadenspannung zu, die mit einer

Schraube eingestellt wird und der Fadenanzugskraft entgegen wirkt. Diese

Einstellung wird aber in der Regel nicht verändert.

Die für den aktuellen Arbeitsgang richtige Fadenspannung hängt u. a. von der Dicke

des Fadens, den Materialeigenschaften des Nähgutes und der Kinematik der

Nähmaschine ab. So muss die Näherin bei jedem Wechsel des auszuführenden

Arbeitsgangs die optimale Fadenspannung empirisch neu ermitteln.


2.1.2 Einstellung der Oberfadenspannung mit Druckfedern

Abbildung 9: Spannungsplatte mit Druckfedern

Der Faden wird zunächst durch eine federbetätigte Klemmstelle geführt. Zusammen

mit allen anderen Fadenösen und Umlenkungen sorgt die Vorspannung für eine

Beruhigung des Fadens und eine Grundfadenspannung. Anschließend durchläuft der

Faden zwei weitere Klemmstellen und wird dabei stufenweise auf die volle

Fadenspannung gebracht.

Vorteile

- Sehr kostengünstige und einfache Lösung

- Bewährtes Prinzip, welches an fast allen Nähmaschinen und anderen

Textilmaschinen eingesetzt wird

- Schonende Erzeugung hoher Spannungen (bis 1400 cN)

Nachteil

- Manuelle Einstellung

- Die Fadenspannung ist nicht reproduzierbar einstellbar.

- Die Qualität der Naht hängt von der Tagesform der Näherin ab.


2.1.3 Auswirkungen der Fadenspannung auf die Nahtqualität

Optimal eingestellte Fadenspannungen sind die Voraussetzung für eine richtige

Fadenverteilung und ausreichende Fadenmengen in der Naht. Ober- und

Unterfadenspannung werden bei Doppelsteppstichmaschinen so eingestellt, dass die

Verschlingung beider Fäden möglichst in der Mitte des Materials zu liegen kommt

bzw. innerhalb der Naht die gleiche Menge Ober- und Unterfaden verbraucht wird.

Dabei sollten beide Fäden möglichst lose eingestellt werden. Es darf aber auch keine

auseinanderklaffende Naht entstehen.

In der folgenden Abbildung sind die Fadenspannungen richtig eingestellt. Es ergibt

sich eine optimale Fadenverteilung, ein ausgewogenes Stichbild, maximale

Nahtelastizität und Nahtreißfestigkeit.

Abbildung 10: Richtige Fadenspannung beim Doppelsteppstich

Bei zu hoch bzw. zu niedrig eingestellten Fadenspannungen ist der Faden ungünstig

verteilt, die Nahtelastizität und die Nahtreißfestigkeit eher gering:

Abbildung 11: Falsche Fadenspannungen beim Doppelsteppstich

Ist die Fadenspannung zu hoch eingestellt, platzt die Naht bereits bei geringer

Belastung. Genau dieser Effekt kann aber auch gewünscht sein, z.B. bei Nähten, die


sich beim Auslösen von Airbags öffnen sollen. In diesem Fall soll die

Nahtreißfestigkeit möglichst genau definiert sein. Auf das äußere Erscheinungsbild

kommt es besonders bei Sichtnähten an. Unter Belastung sind Ungleichmäßigkeiten

in der Fadenspannung deutlich sichtbar. Bei zu hoher Fadenspannung kann es

vorkommen, dass der Fadenhebel den Knoten nach oben aus dem Material

herauszieht.


2.1.4 Messung der Fadenspannung

Die Fadenspannung wird in der Regel nach subjektiver Prüfung der Naht eingestellt

und selten gemessen. Im Labor oder der Versuchswerkstatt stehen jedoch zur

Erfassung der Fadenspannung so genannte Fadenwaagen zur Verfügung:

Abbildung 12: Fadenwaage mit automatischem Fadenabzug

Der Faden wird bei der Messung waagerecht aus der Öse des Fadenhebels

herausgezogen und über die Fadenwaage geführt. Die mittlere Umlenkrolle arbeitet

als Messrolle. Sie ist beweglich gelagert. Wenn der Faden gespannt ist, bewirkt ihre

Auslenkung einen Ausschlag des Zeigers.

Der Fadenhebel sollte sich dabei im oberen Totpunkt befinden. Somit werden alle

Reibstellen auf dem Weg vom Fadenhebel bis zur Nadel nicht erfasst.


Die tatsächliche Fadenspannung ist also deutlich höher. Insgesamt ist die Messung

eher ungenau und eine exakte Vergleichbarkeit zwischen den Ergebnissen der

Hersteller und Nähereien kaum zu erreichen. Eine Angabe der Fadenspannung ist

daher stets mit Vorsicht zu genießen. Der Begriff Fadenspannung meint übrigens

immer eine Kraft. Eine Angabe als Kraft pro Fläche ist aufgrund der geringen und

schwer zu definierenden Fadenquerschnittsflächen nicht sinnvoll. Die Maßeinheit

lautet Centinewton (cN). Übliche Fadenspannungswerte im mittelschweren Bereich

liegen zwischen 150 und 800 cN (in Ausnahmefällen bis 1400 cN). Das entspricht in

etwa den Gewichtskräften von Massen zwischen 150 und 800 Gramm (bzw. bis 1400

Gramm). Auf elektronische Messmethoden wird später eingegangen.

2.1.5 Statische und dynamische Fadenspannung

Die eben beschriebene Messung der Fadenspannung dient der Erfassung der

statischen Fadenspannung. Der Faden wird möglichst kontinuierlich (manuell oder

mit einem Elektromotor) aus dem System herausgezogen. Dabei wird einmalig die

Haftreibung überwunden und lediglich die Gleitreibung gemessen. Im eigentlichen

Nähprozess sieht das aber ganz anders aus: Bei jedem Stich wird in etwa die

Stichlänge und die Materialdicke an Oberfaden verbraucht. Dieses Stück Faden wird

aber nur in einem kurzen Zeitraum des Stichs durch die Fadenspannung gezogen. In

der restlichen Zeit ist der Faden schlaff und wird zwischen den Spannungsscheiben

eingeklemmt. Der Übergang zwischen Haft- und Gleitreibung findet also in jedem

Stich statt und ist, je nach Drehzahl des Nähmotors, mehr oder weniger ruckartig.

Dadurch liegen natürlich auch die Spannungsspitzen bei der dynamischen

Fadenspannung deutlich höher, als beim statischen Abziehen.

2.1.6 Verlauf der Fadenspannung während der Stichbildung

Die folgenden Abbildungen zeigen typische Verläufe der Fadenspannung während

des Stiches. Sie wurden mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen (DMS) zwischen

Fadenhebel und Nadel gemessen. Diese Messmethode liefert sehr detaillierte

Aufnahmen, kann aber aufgrund der aufwendigen und teuren Auswerteelektronik

lediglich im Labor Anwendung finden.


Zeit

Fad

ensp

ann

un

g

Abbildung 13: Verlauf der Fadenspannung bei vier Stichen

Zeit

Fad

ensp

ann

un

g

Abbildung 14: Verlauf der Fadenspannung bei einem Stich

Fadenanzug

Verlassen des Greifers

Dickste Stelle des Greifers

Einziehen des Knotens zwischen die beiden

Materiallagen


2.2 Nähgarn

2.2.1 Einteilung von Fäden

Der Nähprozess stellt extreme Anforderungen an ein Nähgarn. Ein Faden wird ca.

70- bis 80-mal durch das Nadelöhr gezogen, bis er vernäht ist. Dabei wird er beim

Anfahren und Abbremsen der Nähmaschine zusätzlich ruckartig belastet.

Anschließend muss er dann in der Naht beim Gebrauch noch zufrieden stellend

seinen Dienst leisten.

Zur Herstellung von Nähgarnen eignen sich deshalb nur einige ausgewählte

Naturfasern und synthetische Fasern:

- Baumwoll-Nähgarne sind problemlos zu vernähen, weich, geschmeidig und

von hinreichender Festigkeit und Elastizität. Sie werden ausschließlich aus

ägyptischen Sorten hergestellt und lassen sich mit hoher Farbechtheit

einfärben. Die fertigen Nähte verschleißen deutlich schneller als bei

synthetischen Garnen.

- Leinenzwirne (Lein = Flachs) werden heute kaum noch verwendet.

- Seidene Fäden wurden ebenfalls von Baumwoll- und Synthetikgarnen

verdrängt.

- Nähgarne aus Polyester oder Polyamid (Nylon) weisen gegenüber

Naturfasern eine ganze Reihe von Vorteilen auf: überragende Reißfestigkeit,

Scheuerbeständigkeit, Biegebeständigkeit, günstige Elastizität, gleichmäßiger

Fadencharakter, absolute Widerstandsfähigkeit gegenüber Schimmel, Fäulnis

und den meisten Chemikalien. Polyesterfasern trotzen zudem auch negativen

Einflüssen von Wetter und Sonnenlicht. Sie lassen sich sicher verarbeiten und

sind in allen textilen Bereichen zur meistverwendeten Faser geworden.

Ein Nähgarn ist immer ein Zwirn. Es entsteht durch das Zusammendrehen von

meistens drei Einzelfasern (Gespinsten). Der Zwirn ist fast immer rechts gedreht und

die Faserschräglage läuft von rechts oben nach links unten. Anschließend wird das

Garn gefärbt, veredelt (z.B. gesengt, gestreckt, poliert, beschichtet etc.) und auf

Spulen gewickelt.

Zur Nummerierung (Typisierung) von Nähgarnen stehen mehrere Systeme zur

Verfügung. In dieser Arbeit soll aber lediglich die metrische Nummerierung (Nm)


Verwendung finden: Diese Bezeichnung gibt an, wie viel Meter einfachen Garnes ein

Gramm wiegen.

Beispiel

Nm 100 bedeutet: 100 Meter einfachen Garnes wiegen ein Gramm.

Bei Zwirnen aus mehreren Einzelfasern wird noch die Anzahl der Fasern

hinzugefügt.

Beispiel

Nm 100/3 bedeutet: 100 Meter einfachen Garnes wiegen immer noch ein Gramm,

vom gesamten Faden wiegen allerdings bereits 33,3 Meter ein Gramm.

Die im mittelschweren Bereich verwendeten Fäden bewegen sich zwischen Nm 10/3

und Nm 80/3.

Andere Nummerierungen sind:

- Die englische Baumwoll-Nummerierung (Schreibweise: NeB)

- Titer Denier (Schreibweise: Td)

- Die Tex-Nummerierung (Schreibweise: tex)

Die verschiedenen Systeme lassen sich beliebig in einander umrechnen.

2.2.2 Verarbeitung von Fäden

Auch die Verarbeitung von Garnen in Textilmaschinen ist eine Wissenschaft für sich:

Fadenführungs- oder Fadengleitflächen werden teilweise einem hohen Verschleiß

ausgesetzt. Hohe Fadenspannungen oder starke Umlenkungen können dazu führen,

dass diese Teile mit der Zeit regelrecht zersägt werden. Auf der anderen Seite

können schon kleinste Unebenheiten an den Reibstellen zu einem Fadenbruch

führen. An diesen Stellen werden Metalle, Kunststoffe und Keramiken als Werkstoffe

eingesetzt. Die entsprechenden Bauteile sollten möglichst hart und verschleißfest

sein und müssen einer speziellen Oberflächenbehandlung unterzogen werden. Diese

wird bei Dürkopp Adler mit dem Begriff „fadenglatt poliert“ (fgp) bezeichnet und ist in

einer eigenen Norm definiert. Darin wird der Mittenrauwert aR mit dem größten


messbaren Rauheitswert der Messstrecke maxR und der Polierriefenrichtung

kombiniert. Dabei kommt es stark auf die jeweilige Anforderung an: Fadenspannung,

Stärke der Umlenkung und Geschwindigkeit des Fadens.

Die folgende Tabelle zeigt einige typische Anwendungen:

Bauteil aR -Wert Fertigungsverfahren

Fadenöse

fgp

R

Ra

1max

1,0 Polieren, Honen, Läppschleifen

Fadenspannungsscheibe

fgp

R

Ra

4,0max

05,0 Glanzpolieren, Trommeln, Schwabbeln

Oberfläche am Greifer

fgp

R

Ra

25,0max

025,0 Hochglanzpolieren

Abgesehen von der Aggressivität gegenüber Oberflächen gibt es noch einige weitere

unangenehme Eigenschaften von Garnen, die Einfluss auf die Fadenspannung

haben:

- Speziell Baumwollfäden weisen häufig Ungleichmäßigkeiten im Durchmesser

auf. Verdickungen sorgen beim Durchlaufen der Spannungsscheiben für eine

kurze Spannungsspitze und können auch am Nadelöhr ein Haken zur Folge

haben.

- Garne schlechter Qualität haben häufig einen Drall, wenn sie von der Spule

abgewickelt werden. Dadurch wickelt sich der Faden manchmal um sich

selbst und es entstehen Knoten. Diese verursachen dann noch größere

Probleme als Verdickungen.

- Ein weiterer Effekt in diese Richtung ist der so genannte Drallaufschub. Bei

starkem Quetschen des Fadens kann es passieren, dass die reguläre

Verdrillung aufgeschoben wird und dadurch ein Knoten entsteht. Die

Schädigung kann auch zu Problemen beim „Einfangen“ des Fadens durch den

Greifer führen, wenn sich dieser nur eine Faser aus dem beschädigten Garn

herausgreift.


- Es können Schwankungen in der Fadenspannung entstehen, wenn die obere

Lage Faden auf einer Spule, beispielsweise über Nacht, feucht geworden ist

und das Garn darunter trocken ist (Änderung des Reibbeiwertes).

- An allen Reibstellen bilden sich nach kurzer Betriebsdauer Fuseln und

staubähnlicher Abrieb. Ablagerungen zwischen den Spannungsscheiben

können zu einer Verringerung der Fadenspannung führen.

- Bei der Führung durch Spannungsscheiben besteht die Gefahr des

Herauswanderns des Fadens. Wenn die Scheiben nicht parallel zu einander

liegen, ergibt sich ein V-förmiger Spalt, und der Faden wird bei Belastung der

Scheiben nach außen herausgedrückt.

- Der Faden hat federnde Eigenschaften. Die Elastizität ist bei jedem Faden

anders und wirkt sich unter Umständen auf den zeitlichen Ablauf des

Nähprozesses aus.

Fadenspannung – Elektronische Einstellung der Fadenspannung - 36 -

3. Elektronische Einstellung der Fadenspannung

3.1 Anforderungen und Ziele

3.1.1 Reproduzierbare Einstellung der Fadenspannung

Das Hauptziel ist eine reproduzierbare Einstellung der Fadenspannung bei

wiederkehrenden Arbeitsgängen. Im Idealfall kann die bei einer qualitativ

hochwertigen Musternaht ermittelte Fadenspannung immer wieder eingestellt

werden. Möglicherweise lassen sich auch allgemeingültige Einstellungen für

verschiedene Kombinationen von Stoffen und Garnen finden.

Grundsätzlich sollte die Qualität der Nähte bei elektronisch eingestellter Spannung

mindestens genau so gut sein, wie bei der herkömmlichen Methode. Eine

Verbesserung ist natürlich wünschenswert. Dabei stellt sich die Frage, welche

Schwankungen der Fadenspannung sich überhaupt im Nähergebnis niederschlagen.

3.1.2 Anpassung an die Motordrehzahl

Die Dynamik des Nähprozesses hat zur Folge, dass sich die Fadenspannung über

der Drehzahl verändert. Die Arbeitsdrehzahl der Maschine liegt zwischen 2000 U/min

und 4000 U/min. Bei der bisherigen Einstellung mit Federn ist es nicht möglich,

während des Prozesses einzugreifen und die Fadenspannung an die momentane

Motordrehzahl anzupassen. Die Einstellung wird daher in der Regel für die maximale

Drehzahl optimiert. In den Beschleunigungsphasen ist die Fadenspannung dann zu

niedrig. Mit Einführung der elektronischen Verstellung soll die Fadenspannung an die

Nähgeschwindigkeit angepasst werden.

3.1.3 Weitere Gedanken und Ziele

- Die einstellbare Fadenspannung sollte bis zu 800 cN betragen und später auf

den Bereich bis 1400 cN erweitert werden können.

- Das System muss zuverlässig funktionieren, sollte sich aber in einem

bezahlbaren Preisrahmen bewegen.

- Informationen über Nähparameter sollen gespeichert und zur Überwachung

und Automatisierung des Prozesses verwendet werden.

- Die Bedienung und Kalibration sollte möglichst einfach gehalten werden.

- Das Erfassen von neuen Parametern soll z.B. im Teach-In-Verfahren erfolgen.


3.2 Steuerungskonzept

3.2.1 Kurzportrait der Dürkopp Adler Control III

Die Premium-Maschine der Klasse 867 wird von einer Dürkopp Adler Control III

(DAC III) gesteuert. Dabei handelt es sich um eine Industriesteuerung, die speziell

für Nähanlagen und Nähautomaten konzipiert worden ist. Das Herzstück der DAC III

ist der 16-Bit-Mikrocontroller C 167. Zur Steuerung des Maschinenablaufes stehen

unter anderem folgende Funktionen zur Verfügung:

- 1 x (geregelter) Leistungsausgang für den Nähmotor (Synchronmotor)

- 3 x (geregelte) Leistungsausgänge für Schrittmotoren

- 4 x PWM (24 V) mit schaltbarer Schnellentregung

- 32 x Digitalausgänge

- 24 x Digitaleingänge

- 4 x Analogeingänge (mit 10-Bit-ADC)

- Kommunikation: u.a. RS422, RS232, RS485, synchrone und asynchrone

Schnittstelle, CAN-Bus

3.2.2 Vorstellung der bestehenden Software (M-Type Premium)

Die Programmierung des Nähablaufes geschieht in der Programmiersprache C oder

direkt in Assembler. Die Software ist bereits weitestgehend fertig gestellt. Die

Maschine näht mit einstellbaren Parametern, verfügt über ein Bedienfeld, einen

Testmodus und einen automatischen Fadenabschneider. Außerdem sind diverse

Nahtverriegelungen möglich. Nach dem Booten gelangt der Steuerungsablauf in eine

Endlosschleife. In diese Schleife ist ein Zustandsautomat eingebettet: Nacheinander

werden alle für den Funktionsablauf relevanten Komponenten (z.B. Fußpedal,

Bedienfeld) aufgerufen und nach Änderungen ihres Zustandes befragt (z.B.

Änderung der Pedalstellung auf Vollgas). Durch diese Tatsache wird eine

Zustandsvariable neu gesetzt, die spätestens beim nächsten Durchlauf der

Endlosschleife zu einer Reaktion führt (z.B. Erhöhung der Drehzahl des Nähmotors).

Durch diese Form der Programmierung sind immer nur gerade benötigte

Programmteile aktiv und das Programm ist sehr schnell. Auch für die elektronische

Einstellung der Fadenspannung ist bereits ein Zustandsautomat vorgesehen, der

noch mit Leben gefüllt werden muss. Es ist nahezu ein Echtzeitbetrieb möglich.


3.3 Lösungsansatz

3.3.1 Auswahl des elektromechanischen Wandlers

Grundsätzlich stellt sich zunächst die Frage, ob es Alternativen zur herkömmlichen

Erzeugung der Fadenspannung gibt.

Für geringe Fadenspannungen (bis ca. 20 cN) werden auch Rollenspannungen als

Fadenbremsen eingesetzt. Dabei wird der Faden mehrmals um eine sich mit

drehende Welle gewickelt, die mehr oder weniger stark gebremst wird und dadurch

die Fadenspannung beeinflusst. In der Vergangenheit sind jedoch sämtliche

Versuche gescheitert, Rollenspannungen zur Erzeugung von höheren

Fadenspannungen zu entwickeln.

Eine ebenfalls wohl nur theoretische Alternative stellt ein Fadengeber dar: Ein

elektronisch gesteuertes (geregeltes) System, das der Nähmaschine für jeden Stich

exakt die benötigte Menge Faden zur Verfügung stellt und dadurch gleichzeitig die

Fadenspannung definiert. Die genaue Bestimmung der benötigten Fadenmenge

würde jedoch den technischen Rahmen sprengen.

Damit wird es wohl auch in Zukunft beim bewährtem Bremsen des Fadens mit Hilfe

von Spannungsscheiben bleiben. Um die Fadenspannung jedoch elektronisch

einstellen zu können, wurde die Feder bereits in der Vergangenheit an einem

Knopflochautomaten durch einen Hubmagneten ersetzt. Die benötigte

Fadenspannung beträgt dort jedoch nur ca. 150 cN. Doch auch für höhere

Fadenspannungen erfüllt ein Hubmagnet alle technischen Auswahlkriterien und wird

aus folgenden Gründen firmenintern als einzige Lösung favorisiert:

- Erforderliche Kraft zwischen 20 und 30 N (Erfahrungswert aus der Federkraft)

- Maximaler Hub ca. 2 mm

- Einfache Ansteuerung über die DAC III (z.B. über einen PWM-Kanal)

- Geringer Platzbedarf (vor allem geringe Einbautiefe), große Kraftdichte

- Betriebssicherheit bei millionenfacher Betätigung

Sämtliche Alternativen haben mindestens einen großen technischen Nachteil und

sind außerdem preismäßig unterlegen:

- Pneumatische Aktoren eignen sich nur mit großem Zusatzaufwand für

stufenlose Verstellungen.

- Voice-Coil-Magneten verschlingen bei der erforderlichen Kraft zu viel

Bauraum, sind hoch präzise und damit zu teuer.


- Piezo-Aktoren benötigen eine sehr hohe Spannung, erzeugen aber nur bei

geringerem Hub kurzzeitig die benötigte Kraft von ca. 30 N.

- Schrittmotoren sind teurer als Hubmagnete, benötigen außerdem noch

mechanischen Zusatzaufwand (Getriebe).

Die Nachteile eines Hubmagneten werden im Folgenden ausführlich herausgestellt.

3.3.2 Beschreibung des ausgewählten Hubmagneten

Der bisherige Zulieferer für Hubmagnete, die Firma indEAS, hat für die geforderte

Kraft von ca. 30 N einen passenden Magneten im Angebot. Dieser wird von einer

Gleichspannung (24 V) gespeist, die einen Strom durch seine Wicklung treibt. Dieser

elektrische Strom ist eine magnetische Spannungsquelle und die Ursache für einen

Magnetfluss durch die magnetischen Widerstände Luftspalt und Eisen (nach der

„Rechten-Hand-Regel“). Der Magnetfluss verläuft dabei sowohl durch den Ständer,

als auch durch den beweglichen Anker. Zwischen diesen Bauteilen muss der Fluss

einen Luftspalt passieren. Dieser Abstand zwischen Anker und Ständer bestimmt im

Wesentlichen die Induktivität der Spule und somit die Kraft, mit der der Anker

angezogen wird (Herleitung folgt später).

Abbildung 15: Querschnitt durch den Hubmagneten

Luftspalt s

„Kreuzstrom“

Ständer

Hauptfluss

Eisen

„Punktstrom“

Kupferwicklungen

Kraftwirkung auf den Anker Anker

Hauptfluss

Eisen


Bezeichnung Hubmagnet 340.14

Hersteller Firma indEAS, Metzingen

Preis ca. 30 €

Technische Daten

Vorzugs-Nennspannung VDCU A 24=

Elektrische Leistung WP 5,720 =

Einschaltdauer %100=ED

3.3.3 Zusammenhang zwischen Kraft, Luftspalt und Strom

Zur Berechnung des magnetischen Kreises im Hubmagneten wird das

Durchflutungsgesetz herangezogen [2]. Der Anteil des Streuflusses beträgt ca. 1 %

des Hauptflusses und wird daher vernachlässigt:

sHlHsdHIN sEE ⋅+⋅==⋅=Θ ∫rr

( 1 )

Θ Durchflutung A Querschnittsfläche des Luftspaltes

N Windungszahl I Strom durch den Hubmagneten

H Magnetische Feldstärke Φ Magnetischer Fluss

EH Magnetische Feldstärke im Eisen sH Magnetische Feldstärke im Luftspalt

El Länge der Feldlinien im Eisen s Länge der Feldlinien im Luftspalt

EB Magnetische Flussdichte im Eisen sB Magnetische Flussdichte im Luftspalt

Eµ Permeabilitätszahl des Eisens

0µ Magnetische Feldkonstante

Für die magnetische Feldstärke im Luftspalt gilt:

0µs

s

BH = ( 2 )


Die magnetische Feldstärke im Eisen kann man ersetzen durch:

E

E

E

BH

µµ ⋅=

0

( 3 )

Zur Vereinfachung wird die Permeabilitätszahl des Eisens zu unendlich

angenommen. Daher kann man schreiben:

s

INBs

BIN s

s 0

0

µ

µ

⋅⋅=⇒⋅=⋅ ( 4 )

Für den magnetischen Fluss gilt:

s

INABA s

0µ⋅⋅⋅=⋅=Φ ( 5 )

Diese Beziehung kann man in die Definition der Induktivität einer Spule einsetzen

und erhält:

s

NA

I

NL 0

2 µ⋅⋅=

Φ⋅= ( 6 )

Damit kann man die, in der Spule gespeicherte, Energie bestimmen:

2

2

1ILW ⋅⋅= ( 7 )

Nur eine Änderung des Luftspaltes und damit der Induktivität kann eine Änderung

der gespeicherten Energie zur Folge haben, wenn der Strom konstant ist. Wegen der

Energieerhaltung muss die Spule in diesem Fall Arbeit verrichten. Arbeit ist das

Produkt aus Kraft in Wegrichtung und Weg. Der Weg ist infinitesimal klein (Prinzip

der virtuellen Verschiebung) und entspricht der Änderung des Luftspaltes (ds):

22

2

1

2

1I

ds

dLFdsFIdLdW ⋅⋅=⇒⋅=⋅⋅= ( 8 )


Die Induktivität ändert sich über dem Luftspalt nach folgendem Zusammenhang:

20

20

21)/1(

sNA

ds

sNAd

ds

dL⋅⋅⋅−=

⋅⋅⋅= µ

µ ( 9 )

Daher lautet die Beziehung zwischen Kraft, Luftspalt und Strom:

2

0

22

20

222

2

1

2

1

2

1

s

NAI

sNAII

ds

dLF

⋅

⋅⋅⋅−=⋅⋅⋅⋅⋅−=⋅⋅=

µµ ( 10 )

Bei konstanten geometrischen Verhältnissen bestimmt das Quadrat des Stromes die

Kraft. Diese ist immer negativ (anziehende Wirkung auf den Anker). In der Kennlinie

wird sie jedoch positiv dargestellt. Der Kennlinienverlauf der Standardmagneten kann

von der Firma indEAS in gewissen Grenzen auf Kundenwünsche abgestimmt

werden. Für die elektronische Fadenspannung steht ein Magnet mit angepasster

Charakteristik zur Verfügung (siehe nächstes Kapitel). Die Kennlinie der

Standardausführung sieht folgendermaßen aus:

0

10

20

30

40

50

60

70

0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75

Hub [mm]

Mag

net

kraf

t [N

]

Abbildung 16: Kennlinie des Hubmagneten (Katalog der Firma indEAS)


3.3.4 Kennlinie mit Hysterese

Die Herleitung der Kennlinie erfolgte unter der Annahme, dass die Permeabilitätszahl

des Eisens unendlich sei. In Wirklichkeit ist diese weder unendlich noch konstant.

Der Anker besteht aus einem ferromagnetischen Material. Bei Änderung des

äußeren Magnetfeldes verschieben sich die Trennwände der Weissschen Bezirke

(Ansammlung von gleich ausgerichteten Elementarmagneten) und das Material wird

auf- bzw. entmagnetisiert. Diese Abhängigkeit der Flussdichte B von der Feldstärke

H wird von einer Kurve beschrieben, die sich Hystereseschleife (Grenzschleife)

nennt. Letztendlich bestimmt also der Hub (der Luftspalt) die Feldstärke. Die

Bewegungsrichtung des Ankers entscheidet, ob das Material gerade auf- oder

entmagnetisiert wird. Die dargestellte Kurve zeigt zwar die Hysterese (ohne

Neukurve) eines magnetisch harten Werkstoffes (gemessen ohne Luftspalt),

verdeutlicht aber trotzdem den Zusammenhang [2]:

Flussdichte B

Feldstärke H

Luftspalt s

Abbildung 17: Hystereseschleife eines ferromagnetischen Materials

s max

s min

Ankerbewegung von s max auf s min

Ankerbewegung von s min auf s max

H max


Für den an dieser Stelle vorliegenden magnetisch weichen Werkstoff und einen

Luftspalt als zusätzlichen magnetischen Widerstand sieht die Hystereseschleife zwar

etwas anders aus, führt aber trotzdem zu einer zweigeteilten Kraftkennlinie des

Hubmagneten. Außerdem wird die magnetische Hysterese durch die, von der

Bewegungsrichtung abhängigen, mechanischen Reibungsverhältnisse an der

Ankerwelle noch verstärkt. Dargestellt ist die Hysterese bei einem Magneten mit

veränderter Kennlinie im Vergleich mit der Katalogkennlinie:

0

10

20

30

40

50

60

70

0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75

Hub [mm]

Mag

net

kraf

t [N

]

Abbildung 18: Kennlinien des Hubmagneten (Messungen der Firma indEAS)

Für diese Anwendung ist jedoch nur der untere Ast maßgeblich, da der Anker die

Spannungsscheiben immer von außen nach innen zieht.

Angepasste Kennlinie mit Hysterese

Katalogkennlinie


3.3.5 Steuerung des Hubmagneten über PWM

Die DAC III verfügt über vier getaktete Spannungsausgänge (PWM-Kanäle) mit einer

festen Ausgangsspannung von 24 V. Alle vier Kanäle können zusammen maximal

einen Strom von 10 A gleichzeitig zur Verfügung stellen.

Durch den Hubmagneten fließt bei der maximal zulässigen Versorgungsspannung

von 24 V ein Strom von ungefähr 300 mA.

Die Pulsfrequenz kann in der Software beliebig zwischen 10 Hz und 50 kHz gewählt

werden und eine Veränderung der prozentualen Einschaltdauer wird bereits mit der

nächsten Periode wirksam. Das Ein- und Ausschalten des Ausgangs übernimmt ein

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET). Dieser

Halbleiterschalter ist sehr schnell und für diese Anwendung hervorragend geeignet.

Bei einer hohen Pulsfrequenz (z.B. bei 20 kHz) kann der Stromfluss dem

Rechteckverlauf der Spannung nicht folgen. Das liegt an der, im Vergleich zur

Periodendauer, relativ langen Zeitkonstanten des Hubmagneten. Aus Sicht des

Stromes wird bei der Änderung der Einschaltdauer lediglich der zeitliche Mittelwert

der Spannung variiert:

0

5

10

15

20

25

30

0xT 1xT 2xT 3xT 4xT 5xT 6xT

Zeit [ms]

Sp

ann

un

g [

V]

Abbildung 19: Jeweils drei Perioden T bei 50 % und 20 % PWM

50 % ED

12 V

4,8 V

20 % ED


Für ein schnelles Abfließen des Stromes steht eine Schnellentregung zur Verfügung.

Da der Transistor im abgeschalteten Zustand nicht leitend ist, kann sich der Strom

lediglich über eine Freilaufdiode abbauen. Ist die Schnellentregung aktiv, sorgt ein

großer Widerstand auf einer Umleitung für eine geringere Zeitkonstante (τ = L/R) und

somit für ein schnelleres Abklingen des Stromes.

Für die Taktung des PWM-Kanals wurde eine Pulsfrequenz von 20 kHz ausgewählt:

- Schwingungen dieser Frequenz sind für den Menschen nicht mehr hörbar.

- Bei höheren Frequenzen nehmen die Verluste und somit auch die Probleme

mit der Elektro-Magnetischen Verträglichkeit (EMV) zu. Das betrifft vor allem

analoge Signale von Sensoren, die in der Nähe des Hubmagneten montiert

werden (z.B. den Fadenspannungssensor). Das „Übersprechen“ der

Schaltvorgänge muss aus den, für kapazitive und induktive Einkopplung

sensiblen, Analogsignalen wieder herausgefiltert werden.

- Bei einer Frequenz von 20 kHz tritt noch kein Stromverdrängungseffekt (Skin-

Effekt) auf. Laut Messung fließt der gleiche Strom, wie bei einer Pulsfrequenz

von 1 kHz.


3.3.6 Erwärmung des Magneten

Der Hubmagnet erwärmt sich im Betrieb. Eine wichtige Kenngröße dafür ist die

zulässige relative Einschaltdauer, kurz ED genannt. Sie ist das Verhältnis von

zulässiger Einschaltzeit zur gesamten Periodendauer. Eine ED von 5 % bedeutet

beispielsweise, dass der Magnet für 5 s eingeschaltet werden darf und danach für 95

s abkühlen muss. Der hier verwendete Magnet ist für eine Einschaltdauer von 100 %

ausgelegt und muss allen thermischen Belastungen standhalten. Im Extremfall wird

über die nahezu gesamte Betriebsdauer der Nähmaschine der maximale Strom zur

Krafterzeugung benötigt. Dieser Strom erzeugt Wärme, wenn er durch den

ohmschen Widerstand der Wicklungen fließt, und dabei Wirkleistung umsetzt [2]:

RIP ⋅= 2 ( 11 )

Die Temperatur steigt nach einer Exponentialfunktion bis zu einem Endwert an.

Dabei kommt es darauf an, wie der Magnet befestigt ist und seine Wärme an die

Umgebung abgeben kann. Optimal wären passive Kühlelemente, wie z.B.

Kühlrippen, oder sogar eine aktive Kühlung, z.B. durch einen Ventilator.

Durch die Wärme erhöht sich der Widerstand der Wicklungen und der Strom sinkt

ab. Wie bereits gezeigt, geht der Strom quadratisch in die Kraft ein. Deshalb wird die

maximale Kraft letztendlich durch die Temperatur begrenzt. Der von der Temperatur

abhängige Widerstand der Kupferwicklungen berechnet sich wie folgt [2]:

[ ])20(1)( 20 CRR °−⋅+⋅= ϑαϑ ( 12 )

)(ϑR Widerstand des Leiters bei der Temperatur ϑ

20R Widerstand des gleichen Leiters bei 20°C

α Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes für 20°C

(für Kupfer: K

1109,3

3 ⋅⋅= −α )


Die folgenden Diagramme zeigen das Verhalten des Stroms (in blau dargestellt) bei

unterschiedlichen Spannungen:

0

50

100

150

200

250

300

350

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Zeit [min]

Str

om

[m

A]

Abbildung 20: Verlauf des Stromes über der Zeit (bei 100 % PWM)

Der Hubmagnet wird bei Raumtemperatur eingeschaltet. Der Betrieb mit 100 %

PWM (ca. 26,5 V) führt zu einem Endwert des Stromes von ca. 260 mA. Die

Abnahme des Stroms von anfänglichen 327 mA beträgt ca. 20 %. Das entspricht

einer Änderung des Widerstandes von 81 Ω auf 102 Ω. Die folgende überschlägige

Rechnung zeigt die Erhöhung der Temperatur im Inneren des Magneten von ca.

20°C auf ca. 87°C:

[ ]

CCC

CRR

CRR

°=°+°⋅

−ΩΩ=⇒

°+−

=⇒°−⋅+⋅=

−5,8620

109,3

181/102

201/)(

)20(1)(

3

20

20

ϑ

α

ϑϑϑαϑ

( 13 )

Durch den quadratischen Zusammenhang zwischen Magnetkraft und Strom ergibt

sich rechnerisch eine Abnahme der Kraft um ca. 37 %.

100 % PWM


0

50

100

150

200

250

300

0 5 10 15 20 25 30

Zeit [min]

Str

om

[m

A]

Abbildung 21: Verlauf des Stromes über der Zeit (diverse Pulsweiten)

0

50

100

150

200

250

300

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Zeit [min]

Str

om

[m

A]

Abbildung 22: Verlauf des Stromes über der Zeit (diverse Pulsweiten)

80 % PWM

30 % PWM

90 %

60 % 30 %

40 % 40 % 10 %


Die gravierenden Änderungen des Stroms über der Temperatur machen die Chance

zunichte, eine reproduzierbare Fadenspannung erreichen zu können. Die

Ausgleichsvorgänge dauern relativ lange und finden bei jeder Änderung des

Sollwertes und der Umgebungstemperatur statt. Daher kann nur ein geregelter Strom

Abhilfe schaffen!

3.4 Aufbau eines Funktionsmusters

3.4.1 Anforderungen an die Mechanik

Aus den beschriebenen Eigenschaften und bisher gesammelten Erfahrungen mit

Hubmagneten ergeben sich nicht nur Konsequenzen für die Ansteuerung, sondern

auch für den Aufbau eines Funktionsmusters zur Erzeugung der Fadenspannung:

- Der Hubmagnet muss die Spannungsscheiben zusammenziehen, wenn die

Krafterzeugung durch die Druckfedern imitiert werden soll. Es ist eine

zusätzliche Federrückstellung der Ankerwelle nötig, da der Magnet nur die

ziehende Kraftwirkung selbst aufbringen kann.

- Der Luftspalt muss einstellbar sein, um die Magnetkraft festzulegen.

- Es muss eine gute Wärmeabfuhr gewährleistet sein, weil die Temperatur die

Kraft begrenzt.

- Die Ankerwelle muss sauber gelagert sein, um Querkräfte und Reibung zu

vermeiden.

- Der Nähprozess darf durch die Änderungen nicht beeinträchtigt werden.

- Es sollen mehrere alternative Fadenführungen zum Testen möglich sein.

Die an dem Funktionsmuster gewonnenen Erkenntnisse werden in die Konstruktion

einer eigenständigen Baugruppe einfließen.


3.4.2 Umsetzung

Vorläufig soll die mechanische Variante als Grundlage der neuen Fadenspannung

dienen und zu diesem Zweck umgebaut werden. Anstelle der federbelasteten

Spannungsscheiben wird der Hubmagnet eingebaut und eine vielseitige

Fadenführung ermöglicht:

Abbildung 23: Spannungsplatte mit Hubmagnet

Die Fadenspannung besteht aus zwei Komponenten, die getrennt von einander

montiert werden können:

- Spannungsplatte mit Fadenführung

- Hubmagnet (im Gehäuse) mit Spannungsscheiben

Die neuen Bauteile sind überdimensioniert. Die endgültige Lösung muss deutlich

kleiner (vor allem flacher) ausfallen, damit sie an der Maschine angebracht werden

kann.


Abbildung 24: Spannungsplatte mit Fadenführung

Bezeichnungen

Spannungsplatte (0667 110090 geändert)

Fadenanzugsfeder (Diverse DA-Teile)

Regulator (0667 110150)

Vorspannung (Diverse DA-Teile)

Fadenführung (0271 001392 geändert)

Normteile (teilweise geändert)

Änderungen

Befestigungsmöglichkeiten und Aussparungen an der Grundplatte; Kürzung der

Gewindebolzen an den Fadenführungen; Einsetzen eines Spannstiftes, um ein

Mitdrehen der Spannungsscheiben zu vermeiden.

Erläuterungen

- Die Fadenösen wurden versenkt, um die Führung des Fadens in einer Ebene zu

gewährleisten. Der Faden würde sonst im gespannten Zustand die Scheiben

nach vorne ziehen und damit gegen die Klemmkraft des Magneten arbeiten.

- Verzicht auf eine Vorspannung, um nicht reproduzierbare Einflüsse zu

vermeiden.

- Variable Fadenführung rund um die Klemmstelle, Beibehaltung von Regulator

und Fadenanzugsfeder aus nähtechnischen Gesichtspunkten


Abbildung 25: Hubmagnet (im Gehäuse) mit Spannungsscheiben

Bezeichnungen

Hubmagnet (Fa. indEAS)

Gehäuse (Neuteil)

Gehäusedeckel (Neuteil)

Rückstellfeder (Neuteil nicht eingezeichnet)

Anker (Fa. indEAS geändert)

Spannungsscheiben (0467 110220 geändert)

Druckhülse (Neuteil)

Normteile (teilweise geändert)

Änderungen

Einstich (Ringnut) am Anker für die Sicherungsscheibe; Kerbe für den Spannstift an

den Spannungsscheiben um ein Mitdrehen der Scheiben zu vermeiden

Erläuterungen

- Gehäuse aus Aluminium zur günstigen Wärmeableitung an die Spannungsplatte

und den Nähmaschinenguss

- Einstellung des Luftspaltes über Passscheiben

- Lagerung der Ankerwelle im Gehäuseboden

- Begrenzung des Hubes und zweite Lagerstelle für die Ankerwelle durch den

Gehäusedeckel

- Die Druckhülse drückt starr auf die Spannungsscheiben


- Die Ankerwelle wird durch die Hülse geschützt.

- Die Sicherungsscheibe sorgt für eine reproduzierbare Einstellung des Luftspaltes

nach Lösen der Spannungsscheiben (z.B. zu Reinigungszwecken)

- Federrückstellung der Ankerwelle mit einer Blattfeder (nicht eingezeichnet)

3.4.3 Einstellung des Luftspaltes

Die Einstellung des Luftspaltes wird an einem Schnitt durch den Hubmagneten und

das Gehäuse deutlich:

Abbildung 26: Hubmagnet mit Spannungsscheiben

Das Bild zeigt den Hubmagneten, wenn der Anker angezogen wird. Die

Passscheiben zwischen Korpus des Magneten und Gehäusewand legen den

minimalen Luftspalt fest. Nach diesem Luftspalt (und dem Strom) richtet sich die

Kraft auf den Faden (nicht eingezeichnet). Dickere Fäden vergrößern den Luftspalt.

Die Auswahl der Scheiben ergibt sich aus den geometrischen Verhältnissen (z.B.

durch Messung der Länge der herausstehenden Ankerwelle in verschiedenen

Situationen).

Luftspalt

Passscheiben

Grundplatte

Gehäusedeckel

Gehäuse

Korpus


3.5 Entwurf einer Stromregelung

3.5.1 Simulation der Regelstrecke

Die Auslegung eines Regelkreises wird durch die Verwendung geeigneter Software

deutlich erleichtert. Das gesamte System wird zunächst mit MATLAB-SIMULINK auf

einem PC nachgebildet, parametriert und anschließend auf die Realität übertragen.

Zur Simulation des Hubmagneten, also der Regelstrecke, wird das elektrische

Ersatzschaltbild herangezogen:

IR ⋅

dt

dIL ⋅

AU

I

Abbildung 27: Elektrisches Ersatzschaltbild des Hubmagneten

Die modulierte Spannung UA am PWM-Ausgang der DAC III treibt einen Strom

durch die Wicklungen mit dem ohmschen Widerstand R und der Induktivität L. Da

der Anker bei dieser Anwendung fast keinen Hub ausführt, wird die durch

Bewegungsinduktion erzeugte Spannung vernachlässigt. Die Maschengleichung

lautet also:

IRdt

dILU A ⋅−⋅−=0 ( 14 )

Diese Differentialgleichung 1. Ordnung kann man nach der höchsten Ableitung

auflösen:

( )IRULdt

dIIRU

dt

dIL AA ⋅−⋅=⇒⋅−=⋅⇒

1 ( 15 )


Diese Gleichung kann mit Funktionsblöcken nachgebildet werden, wenn der

ohmsche Widerstand und die Induktivität des Hubmagneten bekannt sind. Während

der Widerstand relativ leicht zu messen oder zu berechnen ist, muss die Induktivität

aus der Sprungantwort des realen Systems abgelesen werden.

Da sowohl die Induktivität (über dem Luftspalt), als auch der ohmsche Widerstand

(über der Temperatur) nicht konstant sind, wird zur Vereinfachung eine typische

Situation herausgegriffen. Bei einem Luftspalt von ungefähr 0,6 mm wird die

Sprungantwort des realen Systems aufgezeichnet und der Endwert des Stromes

gemessen. Daraus kann der ohmsche Widerstand berechnet werden. Die Induktivität

ist das Produkt aus der abgelesenen elektrischen Zeitkonstanten und dem

Widerstand.

Spannung, Strom

Zeit [10 ms / Einheit]

Abbildung 28: Sprungantwort des realen Systems

Laut Ausdruck springt die Spannung auf einen Endwert von ca. 26,5 V. Sie ist also

etwas höher als die von der DAC III erwartete Spannung von 24 V. Die Spannung

schwankt von Steuerung zu Steuerung ein wenig. Das liegt in erster Linie an den

63 % des Endwertes

8 ms

Strom [50 mA / Einheit]

Spannung [5 V / Einheit]


Toleranzen des Transformators. Zusammen mit dem Strom von 306 mA ergibt sich

zu diesem Zeitpunkt ein Widerstand von etwa 87 Ω.

Die Zeitkonstante kann aus dem Diagramm abgelesen werden. Sie markiert den

Zeitpunkt an dem der Strom 63 % seines Endwertes erreicht hat.

Widerstand Ω= 87R

Elektrische Zeitkonstante ms8=τ

Induktivität (bei s = 0,6 mm) HmsRL 7,0878 =Ω⋅=⋅= τ

Mit diesen Parametern ist die Gleichung komplett und der Hubmagnet kann in einem

Modell nachgebildet werden (die Normierung der Spannung dient der günstigeren

Darstellung im Diagramm):

UA

i

di/dt

R*i

u*R

Widerstand

i

Strom

Sprung

Sprung

Spannung

f(u)

Normierung

1/sIntegrator

u/L

Induktivität

Abbildung 29: Modell der Regelstrecke


Die Sprungantwort des Systems (bei einem Spannungssprung auf 26,5 V) sieht

folgendermaßen aus:

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4StromSpannungssprung

Abbildung 30: Sprungantwort des simulierten Systems

Die Simulation der Regelstrecke kann ohne Bedenken für den weiteren

Reglerentwurf verwendet werden, da sie die realen Verhältnisse sehr gut abbildet.

Str

om [

A]

Zeit [ms]


3.5.2 Erweiterung durch einen PI-Regler

Für die Regelung des Stroms wird ein Regler mit Proportional-Integral-Verhalten (PI-

Regler) verwendet [3]. Der darin enthaltene P-Anteil sorgt für schnelle Änderungen

des Stroms bei Sollwertsprüngen. Schleichende Abweichungen des Stroms vom

Sollwert, wie z.B. die Änderungen über der Temperatur, werden vom I-Anteil

ausgeglichen. Dieser sorgt außerdem dafür, dass keine bleibende Regelabweichung

auftritt.

e(k)

xI(k)

u(k)

e(k)*P

1/z

Verzögerung

PWM

Stellglied

Sollwert

u*PP-Anteil

Strom

Istwert

u*I I-Anteil

DAC

ADC

Abbildung 31: Modell des zeitdiskreten PI-Reglers

Da der PI-Regler auf dem Mikrocontroller C 167 implementiert werden soll, wird er

zeitdiskret aufgebaut. Alle hellblauen Funktionsblöcke sollen in Software formuliert

werden und spielen sich dann in der DAC III ab. Die Abtastzeit beträgt eine

Millisekunde, da später in der Realität auch in diesem Zeitraster gerechnet werden

soll. Die Berechnung der neuen Stellgröße erfolgt dann im Mikrocontroller und wird

per Timer-Interrupt ausgelöst. Dazu muss zunächst einmal die Gleichung für den

Regler aufgestellt werden. Der Reglerausgang ergibt sich folgendermaßen:

Pkekxku I ⋅+= )()()( ( 16 )


Der Wert )(kxI setzt sich zusammen aus:

Ikekxkx II ⋅−+−= )1()1()( ( 17 )

Der „alte“ I-Anteil lautet:

PkekukxI ⋅−−−=− )1()1()1( ( 18 )

Damit ergibt sich für den Reglerausgang:

PkeIPkekuku

PkeIkePkekuku

⋅+−⋅−−−=⇒

⋅+⋅−+⋅−−−=

)()()1()1()(

)()1()1()1()( ( 19 )

Diese Gleichung kann ohne großen Aufwand in einem Steuerungsprogramm

realisiert werden. Charakteristisch für einen PI-Regler sind normalerweise jedoch

nicht die Parameter I und P, sondern die Verstärkung kP und die Nachstellzeit TN.

Diese können mit Hilfe der Übertragungsfunktion ermittelt werden. Dazu werden

zunächst die Regelabweichungen auf die rechte und die Reglerausgänge auf die

linke Seite gebracht:

PkeIPkekuku

PkeIPkekuku

⋅+−⋅−−=−−⇒

⋅+−⋅−−−=

)()()1()1()(

)()()1()1()( ( 20 )

Anschließend wird die Gleichung in die z-Ebene übertragen und nach dem

Quotienten U(z) durch E(z) aufgelöst:

PzEzIPzEzzUzU ⋅+⋅−⋅−=⋅− −−)()()()()(

11

))(()()1()(11 PzIPzEzzU +⋅−−⋅=−⋅⇒ −−

1

)(

1

)(

)(

)(1

1

−

+−+⋅=

−

+⋅+−=⇒

−

−

z

IPzP

z

PzIP

zE

zU

( 21 )


Dieser Quotient ist die Übertragungsfunktion des PI-Reglers:

11

)1(

1

)(

)(

)()(

−+=

−

+−⋅=

−

+−+⋅==

z

IP

z

IzP

z

IPzP

zE

zUzH R ( 22 )

Der allgemeine Ansatz für einen zeitkontinuierlichen PI-Regler mit den Koeffizienten

kP und TN lautet [3]:

N

PRTs

ksH⋅

+=1

)( ( 23 )

Auch diese Gleichung kann in die z-Ebene gebracht werden. Dies geschieht mit Hilfe

der „Rechteckregel“ (Ts ist die Abtastzeit):

N

s

PR

s Tz

TkzH

T

zs

⋅−+=⇒

−=

−

−

)1()(

11

1

( 24 )

Diese Gleichung wird weiter umgeformt:

1

)/()(

1

/)(

1

/)(

1

/

1

)1()(

)1()(

1

1

11

1

1

−

−+⋅=⇒

−

⋅+−⋅=⇒

−

+⋅−=⇒

−+

−

−⋅=⇒

⋅−+=

−

−

−−

−

−

z

kTTkzzH

z

zTTkzkzH

z

TTzkkzH

z

TT

z

zkzH

Tz

TkzH

PNsP

R

NsPP

R

NsPP

R

NsP

R

N

s

PR

( 25 )

Jetzt kann man die beiden gewonnenen Übertragungsfunktionen gleichsetzen:

1

)(

1

)/()(

−

+−+⋅=

−

−+⋅=

z

IPzP

z

kTTkzzH PNsP

R ( 26 )


Ein Koeffizientenvergleich liefert:

IPkIPk PP −=⇒+−=− ( 27 )

und

I

T

kP

TTPTTk s

P

s

NNsP =−

=⇒=+ / ( 28 )


3.5.3 Simulation der PWM-Erzeugung

Der Regler soll die Pulsweite der mit 20 kHz getakteten Spannung UA am

Leistungsausgang der DAC III variieren. Der Mittelwert bewegt sich dabei zwischen 0

und 100 %, bzw. zwischen 0 und 26,5 V.

Die Änderung der Pulsweite erfolgt in der Realität mit einem Software-Befehl. In

dieser Simulation wird das PWM-Signal jedoch mit einer so genannten Drei-Punkt-

PWM erzeugt:

12000 12010 12020 12030 12040 12050 12060 12070 12080 12090 12100

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1ReglerausgangSägezahnPWM-Signal

Abbildung 32: Generierung des PWM-Signals mit einer Drei-Punkt-PWM

Der Reglerausgang wird permanent mit einem sich zwischen null und eins

bewegendem Sägezahnverlauf verglichen. Ist das Steuersignal größer, gibt der

Vergleichsoperator eine logische „1“ aus, ansonsten eine „0“. Somit erhält das

Ausgangssignal die Taktfrequenz des Sägezahns sowie eine Pulsweite zwischen 0

und 100 %. Dieser Wert wird noch mit dem Pegel multipliziert und als Spannung UA

an den Hubmagneten angeschlossen.

Zeit [us]


Sägezahn

Regler

Reglerausgang

Magnet

Regelstrecke

<=

Pulsweite

u*U_A

Pegel 26,5 V

Abbildung 33: Modell der PWM-Erzeugung

3.5.4 Simulation des gesamten Systems

Alle bisher vorgestellten Komponenten ergeben zusammen ein Simulationsmodell,

das im Folgenden parametriert werden soll:

e(k)

xI(k)u(k)

UA

i

di/dt

e(k)*P

R*i

u*R

Widerstand

1/z

Verzögerung

Taktung

SägezahnquelleSägezahn

i_Soll

Stromsollwert

i

Strom

Regler

Steuersignal

Sollwert

e

Regelabweichung

<=

Pulsweite

u*U_A

Pegel 26,5 V

u*PP-Anteil

PWM

Modulierte Spannung

1/sIntegrator

u/L

Induktivität

u*I I-Anteil

DAC

ADC

Abbildung 34: Regler, Stellglied und Regelstrecke


Das zugehörige MATLAB-File zeigt ein Beispiel für die Parametrierung des

Regelkreises:

% Diplomarbeit_Regelung_Hubmagnet.m

% Stromregelung

% PWM

% Frequenz [Hz]

f_PWM=20000;

% Spannungspegel [V]

U_A=26.5;

% Hubmagnet

% Parameter aus einer Sprungantwort des realen Systems

% bei einem Luftspalt von ca. 0.6 mm

% Widerstand [OHM]

R=87;

% Induktivität in [H]

L=0.7;

% Abtastrate [s]

Ts=0.001;

% PI-Regler

% Reglerverstärkung

P=25.34

% Nachstellzeit [s]

I=0.59

% Zeitpunkt für den Sollwertsprung

t_Sprung=0.050;

% Start-Sollwert für den Strom [A]

i_Anfangswert=0.100;

% End-Sollwert für den Strom [A]

i_Soll=0.250;

% Simulation

% Simulationsschrittweite [s]

% Faustregel für die Simulationsschrittweite: Sie sollte nicht größer sein

% als 1/10 der kleinsten Zeitkonstanten des Systems. Hier: PWM mit 20 kHz

% entspricht t = 0,00005 s; 1/10 davon: 0,000005 s


% Gewählte Schrittweite: 0,000001 s

Te=0.000001;

% Dauer der Simulation [s]

t_Sim=0.0999;

% Simulation

sim('Diplomarbeit_Regelung_Hubmagnet_BSB',[0 t_Sim]);

% Darstellung

figure(1),

% i_Soll und i_Ist

subplot(311),plot(i), hold on, grid on, plot(i_Soll,'g'), hold on, grid on

% Regelabweichung und Reglerausgang

subplot(312),plot(e,'r'), hold on, grid on, plot(Regler), hold on, grid on

% PWM-Ausgangssignal

subplot(313),plot(PWM), hold on, grid on

Die Ausführung des Programmcodes mit MATLAB ergibt folgendes Bild:

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

0.1

0.2

0.3

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

2

4

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

10

20

30 PWM

RegelabweichungReglerausgang

Ist-StromSoll-Strom

Abbildung 35: Sollwertsprung von 100 mA auf 250 mA

Spa

nnu

ng [

V]

Str

om [

A]

Zeit [ms]

Zeit [ms]

Zeit [ms]


Der Strom erreicht den Sollwert, ohne dass eine Regelabweichung zurückbleibt. Um

die Sollwertsprünge auszugleichen, bewirkt der Regler für kurze Zeit eine Spannung

von 100 %. Anschließend gelangt er zu der prozentualen Einschaltdauer, die nach

dem ohmschen Gesetz zu erwarten ist. Das zeigt auch die folgende Vergrößerung

des PWM-Signals. Ein derartiges Verhalten ist für den realen Regler unbedingt

anzustreben. Lediglich leichte Variationen der Pulsweite sollen den Strom auf dem

Sollwert halten. Das Ergebnis ist dann ein stabiler Stromverlauf.

0 50 100 150 200 250 0 50 100 150 200

0

5

10

15

20

25

PWM

Abbildung 36: Vergrößerung des PWM-Signals

Spa

nnu

ng [

V]

Zeit [ms]


3.5.5 Ermittlung der Reglerparameter

Zur Ermittlung von optimalen Reglerparametern gibt es viele verschiedene

Verfahren. Eine sehr einfache und praktikable Methode ist das Verfahren nach

Ziegler und Nicols [4]. Es soll am Beispiel der Simulation erläutert werden (Die

zugehörigen Abbildungen befinden sich auf den folgenden Seiten):

1. Ermittlung der kritischen Verstärkung

Der I-Anteil wird gleich Null gesetzt und die Verstärkung so lange erhöht, bis das

System mit konstanter Amplitude schwingt.

In der Simulation wurde die Verstärkung schrittweise auf P = 50 erhöht. Bis zu dieser

Stelle schwingt der Strom noch nicht mit konstanter Amplitude, und das PWM-Signal

ist noch gleichmäßig. Erst bei P = 55 beginnt der Strom mit konstanter Amplitude zu

schwingen. Das PWM-Signal setzt teilweise aus. Dieser Zustand kann als instabil

bezeichnet werden und ist zu vermeiden.

2. Ablesen der Periodendauer

Zur Berechnung der Nachstellzeit wird die Periodendauer der Schwingung benötigt.

Diese beträgt ungefähr 2 ms, wie dem Bild zu entnehmen ist.

3. Berechnung der Verstärkung kP und der Nachstellzeit TN

Aus der kritischen Verstärkung wird die Verstärkung kP berechnet:

75,245545,045,0 =⋅=⋅=kritPP kk ( 29 )

Die abgelesene Periodendauer führt zur Nachstellzeit TN:

ssTT kritN 0017,0002,085,085,0 =⋅=⋅= ( 30 )


0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

5

10

15

20

25

30

Ist-StromSoll-Strom

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

5

10

15

20

25

30PWM

Ist-StromSoll-Strom

Abbildung 37: Strom und Spannung bei P = 50 (oben) und 55 (unten)

Str

om [

A]

Spa

nnu

ng [

V]

Spa

nnu

ng [

V]

Str

om [

A]

Zeit [ms]

Zeit [ms]

Zeit [ms]

Zeit [ms]


40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

0.23

0.235

0.24

0.245

0.25

0.255 Ist-StromSoll-Strom

Abbildung 38: Vergrößerung des Stromes bei P = 55

4. Umrechnung der Werte in einen P-Anteil und einen I-Anteil

Die gewonnenen Werte müssen anschließend noch umgerechnet werden, damit sie

in diesem Regelkreis verwendet werden können:

59,0002,085,0

001,0

85,0=

⋅=

⋅==

s

s

T

T

T

TI

krit

s

N

s ( 31 )

34,2559,075,24 =+=+= IkP P ( 32 )

5. Testen der Ziegler-Nicols-Parameter

Die ermittelten Parameter führen zu einem zufrieden stellenden Ergebnis:

Str

om [

A]

Zeit [ms]


0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

5

10

15

20

25

30

Ist-StromSoll-Strom

PWM

Abbildung 39: Strom und Spannung bei optimierten Parametern

Str

om [

A]

Spa

nnu

ng [

V]


3.6 Praktische Umsetzung der Stromregelung

3.6.1 Messung des Stroms durch den Hubmagneten

Um den Strom durch den Hubmagneten regeln zu können, muss dieser zunächst

einmal gemessen werden. Für die Messung wird ein Modul der Firma LEM

ausgewählt. Das Messprinzip basiert auf dem Halleffekt. Der Strom verursacht,

aufgrund des ihn umgebenden Magnetfeldes, in einem Hall-Plättchen eine

Spannung. Diese analoge Spannung ist dem Strom proportional und vom

Hubmagneten galvanisch entkoppelt. Der Auswahl liegen eine Spannung von 24 V

(100 % PWM) und ein minimaler Widerstand von 76,2 Ω (kalter Hubmagnet)

zugrunde. Der daraus resultierende maximale Strom von 315 mA kann bis zu vier

Mal durch den LEM geführt werden (immer in der gleichen Richtung), um die

Ausgangsspannung zu vervierfachen.

Bezeichnung LTSR 6-NP

Hersteller Firma LEM, Schweiz

Preis ca. 3 €

Technische Daten

Nennstrom AI PN 6=

Messbereich AI P 2,19...0 ±=

Versorgungsspannung VUV 5=

Referenzspannung VU REF 5,2=

Ausgangsspannung PN

PREFOUT

I

IVUU ⋅±= 625,0

Der Sensor verfügt außerdem über einen Referenzspannungsausgang. Diese

Spannung kann zur Kompensation von Störeinflüssen (z.B. Temperaturdrift)

verwendet werden, indem man sie von der Ausgangsspannung abzieht.


3.6.2 Verstärkung und Aufbereitung des Messsignals

Die Aufbereitung des LEM-Ausgangssignals beinhaltet drei wichtige Aspekte, die in

einer analogen Schaltung zusammengefasst werden. Im Folgenden wird diese

Schaltung beschrieben und ausgelegt:

Verstärkung des Signals

Da die Ausgangsspannung des LEMs bei einem kleinen Strom von 315 mA (immer

positiv) ebenfalls sehr klein ist, muss das Signal deutlich verstärkt werden. Am

Analogeingang der DAC III können Spannungen von 0 bis 5 V abgetastet werden.

Deshalb sollte sich der Messspannungsbereich des theoretisch möglichen Stromes

auf maximal 4 V erstrecken, um einen gewissen Sicherheitsabstand von den

Grenzen einzuhalten.

Zur Subtraktion der Referenzspannung von der Ausgangsspannung und

gleichzeitigen Verstärkung dieser Differenz bietet sich die Beschaltung eines

Operationsverstärkers als Differenzverstärker an [5]:

Abbildung 40: Differenzverstärker

R1 = 2200 Ω

R4 = 68000 Ω

12 V Analogeingang

der DAC III Ua

GND

GND

Ausgangssignal des LEM

UOUT

-

+

R3 = 2200 Ω

R2 = 68000 Ω

GND

Referenzsignal des LEM

UREF = 2,5 V

U3 = R3 · I3

U1 = R1 · I1 U2 = R2 · I2

U4 = R4 · I4


Zur Berechnung der Verstärkung wird die Maschenregel angewendet (an den

Eingängen des OPs wird ein virtueller Kurzschluß angenommen). Die erste

Gleichung (Eingangsseite des OP) lautet:

13

13 0

UUUU

UUUU

REFOUT

OUTREF

−=−⇒

=−+− ( 33 )

Die zweite Gleichung beinhaltet die Ausgangsspannung des OP:

24

24 0

UUU

UUU

a

a

−=⇒

=+− ( 34 )

Die Verstärkung kennzeichnet das Verhältnis von Ausgangsspannung zu

Eingangsspannung:

13

24

UU

UU

UU

UA

OUTREF

a

−

−=

−= ( 35 )

Die Spannungen werden nun nach dem ohmschen Gesetz ersetzt:

1133

2244

IRIR

IRIR

UU

UA

OUTREF

a

⋅−⋅

⋅−⋅=

−= ( 36 )

Da aufgrund des hohen Eingangswiderstandes praktisch kein Strom durch den

Operationsverstärker fließt, gilt:

43

21

II

II

=

= ( 37 )

Unter der weiteren Voraussetzung, dass die Widerstände auf der rechten (R2 und R4)

und der linken Seite (R1 und R3) jeweils gleich sind, kann man schreiben:

3

4

1

2

1131

1232

1133

1234

1133

2244

R

R

R

R

IRIR

IRIR

IRIR

IRIR

IRIR

IRIRA ==

⋅−⋅

⋅−⋅=

⋅−⋅

⋅−⋅=

⋅−⋅

⋅−⋅= ( 38 )


Bevor nun die Dimensionierung der Widerstände erfolgen kann, muss zunächst der

benötigte Verstärkungsfaktor ermittelt werden:

PN

P

REF

PN

P

REFREFOUTI

IVU

I

IVUUU ⋅=−⋅+=− 625,0625,0 ( 39 )

Die eingesetzten Zahlenwerte liefern eine sehr kleine Spannung:

VA

AV

I

IUU

PN

P

REFOUT 0328125,06

315,0625,0625,0 =⋅=⋅=− ( 40 )

Die Verstärkung A auf 4 V kann noch etwas niedriger ausfallen, da der Strom vier

Mal durch das LEM-Modul geführt wird:

48,300328125,0

1

)(4

4==

−⋅=

V

V

UU

VA

REFOUT

( 41 )

Für das Verhältnis der Widerstände bedeutet dies:

3

4

1

248,30R

R

R

RA === ( 42 )

Die Widerstände R1 und R3 können frei gewählt werden:

Ω=Ω⋅=⋅==⇒

Ω==

67056220048,3048,30

2200

142

31

RRR

RR ( 43 )

Der nächste für R2 und R4 in Frage kommende Widerstand aus der Normreihe

beträgt 68000 Ω.

Filterung

Die Leistungsausgänge der DAC III, Umwelteinflüsse und insbesondere das

hochfrequente PWM-Signal zur Ansteuerung des Hubmagneten verursachen

Störungen auf dem Ausgangspegel. Diese müssen herausgefiltert werden. Zur


Filterung des Signals werden an beiden Eingängen des Operationsverstärkers

Tiefpässe 1. Ordnung in die bisherige Schaltung integriert. Durch eine

Parallelschaltung von Kondensatoren zu den größeren Widerständen (R2 = R4 =

68000 Ω) ergibt sich eine Filterwirkung für störende Wechselspannungen:

Abbildung 41: Differenzverstärker mit Filterung

Der Zusammenhang zwischen Grenzfrequenz, Widerstand und Kapazität bei einem

Tiefpass 1. Ordnung lautet [5]:

222

1

CRfG

⋅⋅⋅≈

π ( 44 )

Das Nutzsignal soll störungsfrei übertragen werden. Alle Strom-Anstiegszeiten, die

schneller als die Zeitkonstante des Hubmagneten sind, müssen Störströme sein und

deshalb herausgefiltert werden. Zur Auslegung wird deshalb aus der theoretisch

möglichen Anstiegszeit des Stromes die Grenzfrequenz berechnet.

C2 = 47 nF

C4 = 47 nF

R1 = 2200 Ω

R4 = 68000 Ω

12 V Analogeingang

der DAC III Ua

GND Ausgangssignal

des LEM UOUT

-

+

R3 = 2200 Ω

R2 = 68000 Ω

GND


UREF = 2,5 V


Als Zeitkonstante des Hubmagneten wird dabei ein τ von 8 ms angenommen:

Hzst

f

st

A

G

A

42008,03

1

3

1

008,0

=⋅

=⋅

≈

=

( 45 )

Damit gilt für die erforderliche Kapazität:

nFA

Vss

fRC

G

5610567,41680002

1

2

1 9

2

2 =⋅=⋅Ω⋅⋅

=⋅⋅⋅

= −

ππ ( 46 )

Es wird ein Kondensator der Kapazität 47 nF aus der Normreihe ausgewählt.

Erzeugung eines Spannungsoffsets

Um eine Nullpunktdrift in negative Richtung ausgleichen zu können, soll das Signal

einen definierten, positiven Ruhepegel bei null Strom besitzen. Dieser kann dann im

Mikrocontroller wieder abgezogen werden. Als Spannungsoffset wird ein Potential

von 0,5 V gewählt. Damit wird der angestrebte Messbereich von 0 bis 315 mA in eine

Spannung von 0,5 bis 4,5 V umgewandelt. Der Ausgang des Operationsverstärkers

soll also in seinem Spannungsniveau um 0,5 V angehoben werden. Der

Operationsverstärker ist bestrebt, die Spannung zwischen seinen beiden Eingängen

zu Null werden zu lassen (virtueller Kurzschluß) und ändert sein Potential am

Ausgang immer so, dass der dafür nötige Strom fließt. Das Potential kann also nur

auf 0,5 V ansteigen, wenn ein Strom abfließt, der über dem Widerstand R2 einen

Spannungsabfall von 0,5 V produziert:

AV

IOffset µ35,768000

5,0=

Ω= ( 47 )

Dieser Strom kann nur am Knoten zwischen R1 und R2 abfließen. Dort herrscht

aufgrund von UREF ein Spannungspotential von ca. 2,5 V. Daraus ergibt sich die

Größe des Widerstandes, der vom Knotenpunkt aus gegen Masse geschaltet wird:

Ω=== 34000035,7

5,25,2

A

V

I

VR

Offset

Offsetµ

( 48 )


Der nächste für ROffset in Frage kommende Widerstand aus der Normreihe beträgt

330000 Ω.

Abbildung 42: Differenzverstärker mit Filterung und Offseterzeugung

C2 = 47 nF

C4 = 47 nF

R1 = 2200 Ω

R4 = 68000 Ω

12 V Analogeingang

der DAC III Ua

GND Ausgangssignal

des LEM UOUT

-

+

R3 = 2200 Ω

R2 = 68000 Ω

GND


UREF = 2,5 V

ROffset = 330000 Ω

GND


Die Schaltung zur Aufbereitung des LEM-Signals ist nun komplett und kann aus

realen Bauelementen aufgebaut werden. Verwendung findet unter anderem der

Operationsverstärker MC33171 der Firma ON Semiconductor. Zur Bereitstellung der

benötigten Versorgungsspannungen wird die Schaltung noch erweitert:

- Ein Spannungsregler 7805 erzeugt 5 V für das LEM-Modul

- Ein Spannungsregler 7812 erzeugt 12 V für den Operationsverstärker

Abbildung 43: Aufbereitung des LEM-Signals

Die Schaltung wird in der Nähe der DAC III installiert, um die Leitung für das

Analogsignal möglichst kurz zu halten. Nach mehreren Versuchen hat sich diese

Lösung bewährt, das Signal vor den zahlreichen Störquellen (z.B. PWM-Signal,

Nähmotor, Schrittmotorendstufen etc.) zu schützen. Zusätzlich wird es in einer

getrennten geschirmten Leitung geführt. Es stellt sich heraus, dass die

Kabelkapazität zwischen Operationsverstärkerausgang und Analogeingang ein

Schwingen des OP-Ausgangs verursacht. Zur Stabilisierung wird deshalb ein

Widerstand von 470 Ω in Reihe dazwischen geschaltet. Dieser stellt zwar für den

Störstrom ein Hindernis dar, verfälscht das Messsignal aber nicht. Trotz dieser

ganzen Maßnahmen liefert die Schaltung einen annähernd linearen Verlauf der

Ausgangsspannung über dem eingestellten Strom:


0

1

2

3

4

5

6

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Strom [mA]

Au

sgan

gss

pan

nu

ng

[V

]

Abbildung 44: Ausgangsspannung über Strom

Aufgrund der leicht von der Auslegung abweichenden Bauteile, Fertigungstoleranzen

und Temperaturabhängigkeiten liegt der Spannungsoffset nicht bei 0,5 V, sondern

bei 0,46 V. Das reicht aber vollkommen aus. Die Linearität der Kurve lässt im oberen

Messbereich etwas nach. Diese Ströme kommen jedoch nicht vor. Die Steigung des

unteren Bereichs stellt das Übersetzungsverhältnis zwischen Messstrom und

Spannung dar. Es beträgt 13,03 V/A. Dieser Wert wird in der Reglersoftware und für

die Messungen benötigt.

3.6.3 Zeitdiskrete Regelung des Stroms über PWM

Für die Stromregelung sind mehrere Funktionen nötig, die im Steuerungsablauf

aufgerufen werden:

- Initialisierung der Stromregelung (beim Booten der Maschine)

- Zyklische Funktion zur Regelung des Stromes (jede Millisekunde)

- Übergabe eines neuen Sollwertes (Eingabe über das Bedienfeld)

- Abschalten des Hubmagneten

- Ermittlung des Spannungsoffsets


Die durchschnittliche reguläre Durchlaufzeit des Steuerungsprogramms beträgt ca.

3,5 ms. Für die Regelung ist dieser Zeitraum deutlich zu lang. Schließlich hat der

Hubmagnet eine Zeitkonstante von ca. 8 ms. Deshalb wird der Mikrocontroller jede

Millisekunde einmal in seinem Programmablauf unterbrochen, um den Strom zu

kontrollieren. Die Schaltung zur Messung des Stromes liefert eine

Ausgangsspannung, die am Analogeingang abgetastet wird. Der momentane

Abtastwert steht in Digits von 0 bis 1023 zur Verfügung. Die Stromregelung ist direkt

auf diese Digits aufgebaut. Das bedeutet, dass der Strom-Sollwert nach der Eingabe

einmalig in Digits umgerechnet wird, anstatt den, bereits in Digits vorliegenden,

Strom-Istwert jede Millisekunde in einen realen Stromwert umzuwandeln. Das spart

Rechenzeit. Aus dem gleichen Grund wird auch mit großen ganzen Zahlen vom Typ

„long integer“ gerechnet. Fließkommazahlen vom Typ „float“ bedeuten einen deutlich

höheren Rechenaufwand. Eine Zeitmessung ergibt eine Rechendauer von 0,250 ms

statt 0,425 ms. Der Quellcode sieht im Einzelnen folgendermaßen aus:

//==================================================================

// M-Type

// Fadenspannungs-Strom-Regler

//==================================================================

Einbindung von benötigten Header-Files

#include "Global.h"

#include "GlobVars.h"

#include "Pwm_out.h"

#include "FadenSp.h"

#include "FadenReg.h"

#include "FSpg_Kali.h"

#include <ADC_TR.H>

#include <e_a_syst.h>

#include <testpins.h>

Definitionen

// Nummer des PWM-Kanals für den Hubmagneten

#define FadenspannungsPWMKanalNummer 0

// Nummer des Analogeinganges für die Strommessung

#define ANALOGEINGANG ANALOGFREI1


Variablendeklaration

// Grundfrequenz des PWM-Signals

STATIC unsigned int PWM_Grundfrequenz = 20000;

// Reglerparameter

// Faktor_I_Anteil

int Faktor_I_Anteil = 250;

// Faktor_P_Anteil

int Faktor_P_Anteil = 4544;

// Einschaltdauer des PWM-Kanals in Prozent

long PWM_ProzentWert;

// Messwert des Stroms als Rückgabe des AD-Wandlers

long StromMesswertInDigits;

// Offset bei null Strom als Rückgabe des AD-Wandlers

long LEM_SpannungsoffsetInDigits;

// Tatsächlicher Strom ohne Offset

long StromIstwertInDigits;

// Stromsollwert

long StromSollwertInDigits;

// I-Anteil der Reglergleichung

long I_Anteil;

// Neue Regeldifferenz

long Regeldifferenz_NEU;

// Alte Regeldifferenz

long Regeldifferenz_ALT;

// Neuer Reglerausgang

long ReglerAusgang_NEU;

// Alter Reglerausgang

long ReglerAusgang_ALT;

// Parameter für die Schnellentregung

// Wartezeit nach der Schnellentregung in Millisekunden

unsigned char Wartezeit = 50;

// Timer für die Wartezeit nach der Schnellentregung

TimerStruct Schnellentregung;


Initialisierungsfunktion

//==================================================================

// Diese Funktion wird einmal aufgerufen, wenn die DAC3

// initialisiert wird

//==================================================================

void Fadenspannung_Regler_Initialisieren(void)

Initialisierung des PWM-Kanals

// Kanal-Nr, Frequenz, Anfangspegel, Anfangsprozentwert

PWM_Out_Initialisieren( FadenspannungsPWMKanalNummer,

PWM_Grundfrequenz,1,0);

Variableninitialisierung

// Variablen initialisieren

PWM_ProzentWert = 0;

StromMesswertInDigits = 0;

LEM_SpannungsoffsetInDigits = 0;

StromIstwertInDigits = 0;

StromSollwertInDigits = 0;

I_Anteil = 0;

Regeldifferenz_NEU = 0;

Regeldifferenz_ALT = 0;

ReglerAusgang_ALT = 0;

ReglerAusgang_NEU = 0;

Ermittlung des Spannungsoffsets der Messschaltung

Fadenspannung_Regler_Lueften_ein();

// kurze Pause

MarkTime(&Schnellentregung);

while(ElapsedTime(&Schnellentregung, MILLISEKUNDEN)<Wartezeit);

Fadenspannung_Regler_Lueften_aus();


Stromregelung

//==================================================================

// Diese Funktion wird jede ms per Timer-Interrupt aufgerufen

//==================================================================

void Fadenspannung_Regler_Zyklische_Funktion(void)

Messung der Durchlaufzeit

// Signal zum Beginn der Messung der Durchlaufzeit dieser Funktion

TestPin_Setzen(8);

Abtasten des Analogeinganges

// Erfassung des Iststromes als Spannung zwischen 0 und 1023 Digits

StromMesswertInDigits = ADC_MesswertHolen(ANALOGEINGANG);

Subtraktion des Spannungsoffsets

// Berechnung des tatsächlichen Istwertes ohne Spannungsoffset

StromIstwertInDigits

= StromMesswertInDigits - LEM_SpannungsoffsetInDigits;

Begrenzung des Istwertes

// Begrenzung auf minimal null

if (StromIstwertInDigits < 0) StromIstwertInDigits = 0;

Speicherung der alten Werte (für den I-Anteil)

// Speicherung der alten Werte

ReglerAusgang_ALT = ReglerAusgang_NEU;

Regeldifferenz_ALT = Regeldifferenz_NEU;

Berechnung der Regeldifferenz

// Berechnung der neuen Regeldifferenz

Regeldifferenz_NEU = StromSollwertInDigits - StromIstwertInDigits;


Realisierung der Reglergleichung: PkeIPkekuku ⋅+−⋅−−−= )()()1()1()(

// I-Anteil

I_Anteil = ReglerAusgang_ALT

- (Regeldifferenz_ALT * (Faktor_P_Anteil - Faktor_I_Anteil));

// Berechnung des neuen Regelerausgangs

ReglerAusgang_NEU

= I_Anteil + (Faktor_P_Anteil * Regeldifferenz_NEU);

Berechnung der neuen Pulsweite

// PWM-Prozentwert berechnen

PWM_ProzentWert = ReglerAusgang_NEU / 10000;

Begrenzung der Pulsweite

// Begrenzung des PWM-Wertes

if (PWM_ProzentWert > 100) PWM_ProzentWert = 100;

if (PWM_ProzentWert < 0) PWM_ProzentWert = 0;

Übergabe der Änderung an den PWM-Kanal

// Setzen des neuen Prozentwertes

PWM_Out_ProzentWertSetzen( FadenspannungsPWMKanalNummer,

PWM_ProzentWert);

Messung der Durchlaufzeit

// Signal zum Ende der Messung der Durchlaufzeit dieser Funktion

TestPin_RueckSetzen(8);


Abschalten des Hubmagneten

//==================================================================

// Diese Funktion wird gerufen, wenn die Fadenspannung

// ganz geöffnet werden soll

//==================================================================

void Fadenspannung_Regler_Lueften_ein(void)

Abschalten des Magneten

// Strom-Sollwert für den Stromregler auf 0 setzen

Fadenspannung_Regler_NeuerSollwert(0);

// Abschalten des Hubmagneten

PWM_Out_ProzentWertSetzen(FadenspannungsPWMKanalNummer,0);

Beginn der Schnellentregungsphase

// Einschalten der Schnellentregung

PWM_Out_Schnellentregung_Ein(FadenspannungsPWMKanalNummer);

Ermittlung des Spannungsoffsets

//==================================================================

// Diese Funktion wird nach einer kurzen Phase

// der Schnellentregung gerufen

//==================================================================

void Fadenspannung_Regler_Lueften_aus(void)

Ende der Schnellentregungsphase

// Abschalten der Schnellentregung

PWM_Out_Schnellentregung_Aus(FadenspannungsPWMKanalNummer);


Ermittlung des Spannungsoffsets der Messschaltung

// Ermittlung des Spannungspegels bei null Strom

LEM_SpannungsoffsetInDigits = ADC_MesswertHolen(ANALOGEINGANG);

Übergabe eines neuen Sollwertes

//==================================================================

// Diese Funktion wird aufgerufen, wenn ein neuer Fadenspannungs-

// sollwert übergeben wird

//==================================================================

void Fadenspannung_Regler_NeuerSollwert(

unsigned int Fadenspannung_in_Gramm)

Übergabe des Wertes vom Bedienfeld in mA

// Der Sollwert wird als Strom in mA übergeben

StromSollwertInDigits = FadenspgStromSollwert;

Umrechnung in Digits

// Umrechnung in Digits passend zur gemessenen Spannung

// Umrechnung von mA in A

// Das LEM-Modul liefert (4,37 V - 0,46 V) / 0,3 A = 13,03 V/A

// ca. 0 bis 5 V am Analogeingang entsprechen 0 bis 1023 Digits

// Erweiterung mit 100, um Floating-Point-Zahlen zu vermeiden

StromSollwertInDigits

= ((StromSollwertInDigits * 1024 * 1303) / 500000);

Begrenzung

// Begrenzung auf minimal null

if (StromSollwertInDigits < 0) StromSollwertInDigits = 0;


3.6.4 Ermittlung der Reglerparameter

Ursprünglich wurde der Regler mit Fließkommazahlen programmiert und rechnete

mit dem tatsächlichen Strom. Diese Variante ist direkt mit der Simulation

vergleichbar. Die Umstellung auf ganze Zahlen und die Berechnung in Digits bringt

daher auch eine Umrechnung der Reglerparameter mit sich:

22103,131024

500000059,0

03,131024

5000000

949603,131024

500000034,25

03,131024

5000000

=⋅

⋅=⋅

⋅=

=⋅

⋅=⋅

⋅=

ALTNEU

ALTNEU

II

PP

( 49 )

Die Übertragung dieser mit der Simulation optimierten Reglerparameter auf das reale

System ergibt ein instabiles Verhalten. Der Strom schwingt mit konstanter Amplitude

und das PWM-Signal hat starke Aussetzer. Aus diesem Grund wird auch mit dem

realen System das Verfahren nach Ziegler und Nicols durchgeführt:

1. Ermittlung der kritischen Verstärkung

Die Verstärkung wird schrittweise auf P = 9500 erhöht. An dieser Stelle beginnt der

Strom leicht zu schwingen, das PWM-Signal ist aber noch gleichmäßig. Erst bei P =

10000 ergibt sich eine Schwingung mit konstanter Amplitude. Das PWM-Signal setzt

teilweise aus.

2. Ablesen der Periodendauer

Die Periodendauer beträgt ungefähr 10 ms.

3. Berechnung der Verstärkung kP und der Nachstellzeit TN

Aus der kritischen Verstärkung wird die Verstärkung kP berechnet:

45001000045,045,0 =⋅=⋅=kritPP kk ( 50 )

Die abgelesene Periodendauer führt zur Nachstellzeit TN:

ssTT kritN 0085,0010,085,085,0 =⋅=⋅= ( 51 )


Spannung, Strom

Zeit [25 us / Einheit]

Spannung, Strom

Zeit [25 us / Einheit]

Abbildung 45: Strom und Spannung bei P = 9500 (oben) und 10000 (unten)






Strom


Abbildung 46: Vergrößerung des Stromes

4. Umrechnung der Werte in einen P-Anteil und einen I-Anteil

Die gewonnenen Werte müssen anschließend noch umgerechnet werden, damit sie

in diesem Regelkreis verwendet werden können:

4403,131024

5000000

010,085,0

001,0

03,131024

5000000

85,0=

⋅⋅

⋅=

⋅⋅

⋅=

s

s

T

TI

krit

s ( 52 )

4544444500 =+=+= IkP P ( 53 )

5. Testen der Ziegler-Nicols-Parameter

Die ermittelten Parameter führen ebenfalls zu keinem zufrieden stellenden Ergebnis.

Der Anstieg auf den Endwert dauert deutlich zu lang. Da die Verstärkung im

Wesentlichen für die Stabilität des Regelkreises entscheidend ist, wird sie auf dem

Wert belassen und stattdessen der I-Anteil erhöht. Dabei ist anzumerken, dass die

gleichen Parameter bei unterschiedlichen Sollwertsprüngen nicht immer optimale

Ergebnisse bringen.



Strom


Strom


Abbildung 47: Stromsprünge bei I = 44 (oben) und 130 (unten)




Strom


Strom


Abbildung 48: Stromsprünge bei I = 250




Die Dynamik des Regelvorganges ist entscheidend, wenn es darum geht, kurzfristige

Änderungen der Oberfadenspannung herbeizuführen. Für die reproduzierbare

Einstellung kommt es zunächst auf ein sicheres und stabiles Erreichen des

Endwertes an. Dies wird bei einer Verstärkung von P = 4544 und zwei verschiedenen

I-Anteilen überprüft:

Sollstrom [mA] 0 20 40 60 80 100 120

I = 44 0,81 20,20 40,05 60,30 80,10 99,90 120,10

I = 250 0,82 20,20 40,05 60,30 80,00 99,90 120,00

Sollstrom [mA] 140 160 180 200 220 240 260

I = 44 140,00 159,80 180,00 199,90 220,00 240,00 259,80

I = 250 139,90 159,70 180,00 199,80 220,00 240,00 259,80

Wie bereits angedeutet, setzt die Temperatur im Inneren des Hubmagneten die

Grenze für den Strom. Nach einer Stunde Dauerbetrieb mit 100 % PWM fließt noch

ein Strom von etwa 260 mA. Versuche zeigen, dass der Regler noch ausreichende

Reserven in der Pulsweite besitzt, um einen Strom von 250 mA über längere Zeit

konstant zu halten. Dieser Wert sollte also im späteren Betrieb nicht überschritten

werden.

3.6.5 Mögliche Unterschiede zwischen Simulation und Realität

Die Sprungantworten des Hubmagneten in der Simulation und im realen System

stimmen noch weitestgehend überein. Trotzdem lassen sich die Reglerparameter

aus der Simulation nicht auf das reale System übertragen. Für die Unterschiede gibt

es zahlreiche Erklärungsansätze, die wohl in der Summe entscheidend sind:

- Die Induktivität, der ohmsche Widerstand und somit auch die Zeitkonstante

ändern sich in der Realität ständig. Eine Momentaufnahme wird für die

Simulation verwendet und dabei als konstant angenommen.

- In der Simulation werden alle Vorgänge mathematisch idealisiert. Die

tatsächlichen Begebenheiten sind aber Zeitverzögerungen und

Ungenauigkeiten in der Datenverarbeitung, nichtideale Schalter, diverse

Induktivitäten, Kapazitäten und Widerstände.


- Die Spannung für den PWM-Kanal wird aus der Netzspannung gewonnen und

unterliegt den normalen Schwankungen von - 20 % bis + 10 %.

- Die Gleichrichtung der Netzspannung mit Hilfe eines Brückengleichrichters

hinterlässt Spannungsrippel auf der Gleichspannung. Die dadurch bedingten

Stromschwankungen müssen ebenfalls mit ausgeregelt werden.

- Dazu kommen zahlreiche Störquellen, z.B. das PWM-Signal, der Nähmotor

oder die Schrittmotorendstufen, die auf das analoge Messsignal einwirken.

- Die Signalaufbereitung verfälscht das Stromsignal leicht. Die Abbildung zeigt

die zusätzliche Messung der Sprungantwort des Hubmagneten mit einer

Stromzange:

Spannung, Strom


Abbildung 49: Vergleich zwischen Messschaltung und Stromzange


Messschaltung

Stromzange

Fadenspannung – Einsatz der elektronischen Fadenspannung - 95 -

4. Einsatz der elektronischen Fadenspannung

4.1 Auswahl des elektronischen Messverfahrens

4.1.1 BTSR-Sensor

Ein häufig verwendetes Prinzip zur Messung der Fadenspannung greift auf

Dehnungsmessstreifen zurück, die aufgrund ihrer Empfindlichkeit ohnehin oftmals

zur mechanischen Spannungsmessung eingesetzt werden. Wie bei der Fadenwaage

wird der Faden unter Spannung umgelenkt und verursacht dabei eine mechanische

Biegewirkung. Die Sensorposition befindet sich zwischen Fadenhebel und Nadel. An

der Biegestelle ist ein Dehnungsmessstreifen appliziert, dessen ohmscher

Widerstand sich proportional zur Biegung verändert. Mittels Brückenschaltung und

Differenzverstärker wird somit die Fadenspannung in eine analoge elektrische

Spannung umgewandelt. Für präzise Messungen ist ein aufwendiger Laboraufbau

mit teuren Messgeräten nötig. Der italienische Hersteller BTSR hat jedoch einen

Sensor dieser Art entwickelt, der die Fadenspannung ausreichend genau abbildet

und kostengünstig auch serienmäßig eingebaut werden könnte. Schließlich ist die

Messung die Grundvoraussetzung für eine softwaremäßige Beeinflussung der

Fadenspannung nach der Auslieferung der Maschine.

Bezeichnung TS4/A1000B

Hersteller Firma BTSR, Italien

Preis 72 €

Technische Daten

Messbereich cN1000...0

Versorgungsspannung VUV 24...12=

Ausgangsspannung VU OUT 10...5,0=

Der Sensor verfügt über eine Temperaturkompensation. Wahrscheinlich wird das

Signal mit einer Wheatston’schen DMS-Halbbrücke ausgewertet. Die Integration der

Auswertungselektronik in das Gehäuse sorgt für ein etwas größeres Bauvolumen.

Der vorgeschriebene hochkante Einbau kann nicht eingehalten werden, da der

Sensor die Sicht der Näherin auf die Nadel behindern würde. Nach Auskunft von

BTSR kann der Sensor jedoch auch flach eingebaut werden. Zur Montage ist


allerdings ein etwas ungewöhnlicher Winkel nötig, um die für die

Befestigungsschraube vorgesehene Durchgangsbohrung nutzen zu können. Es

bleibt zu prüfen, ob unterschiedliche geometrische Befestigungspositionen das

Messergebnis verändern. Der Sensor ist mechanisch durch einen Anschlag vor

Zerstörung durch Überlastung, z.B. durch höhere dynamische Fadenspannungen,

geschützt. Grenzbelastungen äußern sich in Ungenauigkeiten.

4.1.2 Verstärkung und Aufbereitung des Messsignals

Prinzipiell könnte das analoge Ausgangssignal des Sensors direkt am

Analogeingang der DAC III weiterverarbeitet werden. Die Ausgangsspannung liegt

bei niedrigen Fadenspannungen noch deutlich unter 5 V. Leider ist aber auch dieses

Analogsignal von Störspannungen betroffen und muss gefiltert werden. In erster

Linie stört die durch Vibration angeregte mechanische Eigenschwingung des

Sensors:

Fadenspannung


Abbildung 50: Überlagerung des Messsignals mit der Eigenschwingung

Fadenspannung als Messspannung [1 V / Einheit]



Der Anstieg der Fadenspannung während eines Stichs bestimmt die Parameter für

das Nutzsignal. Bei einer Drehzahl von 4000 U/min beträgt die Anstiegszeit auf die

volle Fadenspannung ca. 1,5 ms. Daraus ergibt sich eine Grenzfrequenz für die

Auslegung eines Tiefpasses 1. Ordnung [5]:

Hzst

f

st

A

G

A

2220015,03

1

3

1

0015,0

=⋅

=⋅

≈

=

( 54 )

Für eine ausreichende Filterwirkung von -20 dB/Dekade sollte die Grenzfrequenz

jedoch höchstens ein Zehntel der Störfrequenz betragen. Das ist an dieser Stelle

nicht gegeben. Deshalb wird zur Filterung des Sensorsignals ein aktives Bessel-Filter

2. Ordnung eingesetzt. Ein Filter mit Bessel-Charakteristik sorgt für eine

gleichmäßige Bedämpfung aller Frequenzen und verzerrt das Signal nicht. Die

Eigenschwingung und auch alle anderen Störungen werden bei einer Grenzfrequenz

von über 200 Hz durch den steilflankigen Abfall von -40 dB/Dekade deutlich

unterdrückt. Die zugehörige Operationsverstärkerschaltung sieht folgendermaßen

aus [5]:

Abbildung 51: Bessel-Tiefpass 2. Ordnung

Die Auslegung der Filterschaltung, also die Berechnung der Widerstände und

Kondensatoren, erfolgt mit den so genannten Bessel-Koeffizienten, die aus Tabellen

R1 = 2000 Ω

R2 = 7500 Ω

C2 = 200 nF

C1 = 100 nF

12 V Analogeingang

der DAC III

GND

GND

Ausgangssignal des Sensors

+ -


entnommen werden. Für ein aktives Tiefpassfilter 2. Ordnung mit Bessel-

Charakteristik gelten folgende Koeffizienten [5]:

6180,0

3617,1

1

1

=

=

b

a ( 55 )

Die Grenzfrequenz richtet sich nach der Anstiegszeit:

Hzst

f

st

A

G

A

2290015,0

1344,0

1344,0

0015,0

=⋅=⋅≈

=

( 56 )

Einer der Kondensatoren kann beliebig gewählt werden. Folgendes Verhältnis der

beiden muss jedoch erfüllt sein:

333,13617,1

6180,04422

1

1

1

2 =⋅

=⋅

≥a

b

C

C ( 57 )

Für den Kondensator C1 wird eine Kapazität von 100 nF gewählt. Daraus ergibt sich

rein rechnerisch eine Kapazität C2 von 133 nF. Um das Mindestverhältnis jedoch

auch im ungünstigsten Fall (± 20 % Toleranz bei Kondensatoren) aufrechterhalten zu

können, wird eine Kapazität von 200 nF gewählt. Der Worst-Case wäre dann:

333,1120

160

2,1100

8,0200

%120

%80

1

2 ==⋅

⋅=

⋅

⋅

nF

nF

C

C ( 58 )

Für die Widerstände R1 und R2 gilt:

Ω=

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅−⋅−⋅=

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅−⋅⋅=

7,1996

2001003,2294

200100618,042003617,12003617,1

4

4

22

1

21

211

2

2

2

121

2/1

nFnFHz

nFnFnFnFR

CCf

CCbCaCaR

G

π

π

m

( 59 )


Ω=

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅−⋅+⋅=

4,7453

2001003,2294

200100618,042003617,12003617,122

2nFnFHz

nFnFnFnFR

π ( 60 )

Der nächste für R1 in Frage kommende Widerstand aus der Normreihe beträgt 2000

Ω und für R2 wird 7500 Ω gewählt. Der Operationsverstärker MC33171 der Firma ON

Semiconductor und ein Spannungsregler 7812 für dessen Versorgung komplettieren

die Schaltung:

Abbildung 52: Aufbereitung des BTSR-Signals

Der Ausgang des Spannungsreglers (konstante 12 V aus ggf. schwankenden 24 V)

wird auch zur Versorgung des Sensors verwendet. Die Schaltung wird, wie die LEM-

Schaltung, ebenfalls in der Nähe der DAC III installiert, um die Leitung für das

Analogsignal möglichst kurz zu halten. Auch dieses Signal wird getrennt in einer

eigenen geschirmten Leitung geführt und ein Widerstand von 470 Ω stabilisiert den

OP-Ausgang. Der direkte Vergleich zwischen dem gefilterten und dem ungefilterten

Signal liefert folgendes Bild:


Fadenspannung


Abbildung 53: Vergleich des gefilterten und des ungefilterten Messsignals

Fadenspannungen als Messspannungen [1 V / Einheit]


4.1.3 Kalibration des Sensors

Für den Einsatz muss zunächst eine Zuordnung zwischen der tatsächlichen

Fadenspannung in Gramm und dem zugehörigen Abtastwert der analogen

Ausgangsspannung des Sensors gefunden werden. Dazu wird ein Nylonfaden durch

den Fadenhebel und den Sensor geführt und mit Gewichten (hier: 100 g, 200 g und

500 g) vorgespannt. Anschließend werden mit jeder Vorspannung einige Stiche

genäht. Dabei wird der Faden nicht durch die Nadel geführt, sondern fest

angebunden. Die am Oszillographen sichtbaren Spannungsspitzen werden

ausgemessen und gemittelt. Es ergibt sich ein etwa linearer Zusammenhang mit

einer Steigung von 0,00712 V/g zwischen den Gewichten (Fadenspannung) und der

elektrischen Ausgangsspannung des Sensors:

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 100 200 300 400 500

Fadenspannung [g]

Au

sgan

gss

pan

nu

ng

[V

]

Abbildung 54: Ausgangsspannung über Fadenspannung

Diese Kalibrationsvorschrift und die verwendete Vorrichtung stammen von einem

schwedischen Hersteller vergleichbarer Fadenspannungssensoren (Firma ELTEX).

Der Spannungsoffset bei null Fadenspannung soll zur Auswertung nicht verwendet

werden, da schwierig festzustellen ist, wann der Sensor unbelastet ist.


4.1.4 Hall-Sensor

Eine Alternative zu dem Sensor der Firma BTSR stellt eine Eigenentwicklung von

Dürkopp Adler dar. Das Messprinzip basiert auf dem Hall-Effekt. Der Faden wird, an

gleicher Stelle wie der Sensor zuvor, durch einen einseitig eingespannten

Biegebalken geführt. An dessen Spitze befindet sich ein Dauermagnet. Die

Auslenkung des Balkens ist von der Fadenspannung abhängig. Diese variiert den

Abstand zwischen dem Magneten und einem darunter befestigten Hall-Geber. Die

Änderung der Stärke des einwirkenden Magnetfeldes hat unterschiedliche

Hallspannungen zur Folge, die dann ein Maß für die Fadenspannung darstellen. Das

Messsignal ist allerdings nicht linear und ändert sich quadratisch mit dem Abstand.

Leider ist der Sensor bisher weder ausgereift noch ausreichend über längere Zeit

getestet. Die Auswertung des Signals sowie die Kompensation von veränderlichen

Einflüssen (z.B. Temperatur, Alterung des Magneten) sind im Hinblick auf

Wiederholgenauigkeit noch nicht zufrieden stellend gelöst. Um die Verlässlichkeit der

Ergebnisse dieser Arbeit zu garantieren, soll zunächst nur der BTSR-Sensor zum

Einsatz kommen.

In Zukunft könnte ein Preisvergleich die Entscheidung für ein Messverfahren

beeinflussen:

Teil/Arbeitsgang Hall-Sensor BTSR-Sensor

Sensor mit Kabel und Stecker 3 Euro 72 Euro

Leiterplatte (inkl. kleiner Änderungen) 11 Euro

Signalaufbereitung 6 Euro 6 Euro

Fadenführung 12 Euro

Gehäuse 13 Euro

Befestigung 6 Euro 2 Euro

Montage des Sensors 5 Euro

Summe 56 Euro 80 Euro

Ein qualitativ gleichwertiges Signal sollte jedoch die Grundvoraussetzung für einen

Einsatz sein. Das ist bisher noch nicht gegeben.


4.2 Verwendung der elektronischen Fadenspannung

4.2.1 Einstellung des Luftspaltes

Der Arbeitsbereich sollte in einem möglichst flachen Bereich der Kennlinie liegen.

Eine große Steigung (z.B. bei einem kleinen Luftspalt) hat starke Kraftänderungen

bei einer geringen Variation der Ankerposition zur Folge. Verdickungen bzw. dickere

Fäden vergrößern den Luftspalt und verringern somit die Kraft. Ausgleichend wirkt

allerdings die höhere Umschlingungsreibung an den Umlenkungen. Für eine grobe

Abschätzung wird der Faden mit einer Federwaage aus dem Öhr oberhalb der Nadel

gezogen, wie es die Abbildung zeigt:

Abbildung 55: Abschätzung der Fadenspannung

Wenn die Klemmkraft nicht mehr ausreicht, den Faden im Stillstand zu halten, wird

die Fadenspannung (Zugkraft) abgelesen. Auf diese Art und Weise führt auch der

wichtigste Kunde der Firma Dürkopp Adler seine Stichproben durch. Der eingestellte

Luftspalt von ca. 0,6 mm liegt in einem flachen Teil der Kennlinie und reicht aus, bei

einem Strom von 250 mA eine Fadenspannung von weit über den geforderten 800

cN zu erzielen. Diese Werte sind teilweise dreimal höher als die Fadenspannungen

bei der Kalibration des BTSR-Sensors. Das hängt in erster Linie mit der zusätzlichen

rechtwinkligen Umlenkung an der Öse zusammen. Für den dauerhaften Betrieb ist

die genauere Kalibration des Systems während des Nähprozesses zu bevorzugen.


4.2.2 Kalibration der Fadenspannung

Der Strom durch den Hubmagneten bestimmt die Fadenspannung, falls der Luftspalt

annähernd konstant ist. Also muss auch zwischen diesen Größen eine Zuordnung

erfolgen. Wie bereits angedeutet, sollte die Kalibration während des Nähprozesses

stattfinden. Der Stromregler stellt einen konstanten Strom ein. Anschließend werden

bei gleichmäßiger Drehzahl (hier: 500 U/min) mehrere Fadenspannungsspitzen

gemessen. Die Suche der einzelnen Maxima wird vorerst an die Stromreglerroutine

gekoppelt. Jede Millisekunde wird ein Abtastwert genommen und mit dem Vorgänger

verglichen. Der größte Wert wird abgespeichert. Dieses „grobe“ Zeitraster reicht

allerdings nur für geringe Drehzahlen aus, da bei höheren Drehzahlen und damit

abnehmenden Anstiegszeiten der Fadenspannung (bis auf nur noch 1,5 ms) die

Treffsicherheit nicht gewährleistet ist. Die Messung von mehreren Spannungsspitzen

erfolgt bei verschiedenen Strömen. Die jeweiligen Mittelwerte werden abgespeichert

und ergeben die Kalibrationskennlinie. Die Messreihe wird in einer Tabelle in der

Steuerung hinterlegt. Die Zwischenwerte können dann durch lineare Interpolation

gewonnen werden. Die Kennlinie zeigt unter anderem auch den quadratischen

Zusammenhang zwischen Strom und Magnetkraft:

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

120 140 160 180 200 220 240

Strom [mA]

Fad

ensp

ann

un

g [

g]

Abbildung 56: Fadenspannung über eingestelltem Strom (zwei Messungen)


Die Ähnlichkeit der beiden Messungen weist die Reproduzierbarkeit der

elektronischen Einstellung nach! Die geringen Schwankungen sind tolerierbar und

hängen im Wesentlichen mit dem Füllungsgrad der Unterfadenspule zusammen. Die

Unterfadenspannung lässt sich nicht konstant halten, da die Kalibration während des

Nähprozesses stattfindet und somit Faden verbraucht wird. Dieser Zusammenhang

wird im Kapitel „Langfristige Regelung“ näher erläutert.

Trotzdem hat diese Methode der Kalibration einige Vorteile:

- Sie ist realistischer als ein ungenaues statisches Abziehen, weil beim Nähen

nur das ruckartige „Losreißen“ des Fadens entscheidend ist.

- Es ist eine schnelle Anpassung an unterschiedliche Kombinationen aus Fäden

und Nähgut möglich.

- Die gewonnenen Daten können abgespeichert und verglichen werden.

- Die Methode eignet sich für eine Automatisierung und könnte dann auf

Knopfdruck durchgeführt werden.

- Die Software-Einstellungen sind flexibel (z.B. bei einer Optimierung für eine

Drehzahl).

- Möglicherweise können die Daten an andere Maschinen übertragen werden.

Der Kunde kann also eine Fadenspannung in Gramm einstellen und die Steuerung

weist den benötigten Strom zu.

4.2.3 Bedienung der Fadenspannung

Die Fadenspannung ist bereits als Parameter vorgesehen. Die Näherin kann über

das Bedienfeld ein Menü aufrufen und alle Werte (Stichlänge, Füßchenhub, Anfangs-

und Endriegel etc.) einstellen, die für den Nähprozess interessant sind.

In Zukunft ist eine einfache Schnellverstellung über Drehregler, oder ein

automatisiertes Einlesen (PC-gesteuert, über Barcodes o.ä.) der Parameter denkbar.

Für ein optimales Nähergebnis ist weiterhin die Näherin zuständig, die sozusagen als

Regler fungiert und den richtigen Wert einstellt. Alle weiteren Maßnahmen zur

Verbesserung der Qualität, wie z.B. eine Geschwindigkeitskompensation oder

möglicherweise eine Regelung, können im Hintergrund ablaufen und wahlweise

parametriert werden.


4.3 Vergleich zwischen beiden Einstellungsmöglichkeiten

4.3.1 Einflussgrößen

Erfahrungsgemäß spielen das zu vernähende Material und der verwendete Faden

eine sehr große Rolle im Bezug auf die Fadenspannung. Auch die Stichlänge, der

Füßchenhub und andere mechanische Einstellungen tragen ihren Teil bei.

Offensichtlich sind der Einfluss der Geschwindigkeit und der Unterfadenspannung.

Außerdem kommen noch nähtechnische Effekte hinzu. Es kann beispielsweise

passieren, dass der Folgestich den vorherigen Stich noch fester anzieht. Für das

Nähergebnis ist letztendlich der Mix aus allen Parametern entscheidend. Eine

sichere Einschätzung setzt jedoch eine mehrdimensionale Untersuchung voraus.

Aus diesem Grund sollen in dieser Arbeit lediglich der Einfluss der Geschwindigkeit

und subjektive Kriterien etwas ausführlicher beleuchtet werden. Zu den anderen

Parametern gibt es aber ebenfalls einige Ansatzpunkte für Untersuchungen:

Nähgut

- Material (Echtes Leder, Kunstleder, Baumwollgewebe, Schaumstoff, J-Clips

aus Kunststoff)

- Oberflächenbeschaffenheit (rau oder glatt)

- Dicke des Materials (dick, dünn, Anzahl und Zusammensetzung der Lagen)

- Dichte des Materials (fest oder weich)

- Charakteristik des Einstichlochs (sofortiges Widerverschließen oder

dauerhafte Öffnung, Oberflächenbeschaffenheit, Art der Nadel)

Nähgarn

- Material (Baumwolle oder Synthetik)

- Oberflächenbeschaffenheit (rau oder glatt, Beschichtung, Farbe)

- Fadendicke (im Bezug auf Umschlingungsreibung)

- Verschiedene Qualitäten (Drall, Gleichmäßigkeit, Elastizität)

Stichlänge

- Die Stichlänge ist entscheidend für die Menge des Fadens, die aus der

Klemmung gezogen wird.


Füßchenhub

- Bisher ist kein Einfluss bekannt.

Unterfadenspannung

- Die Unterfadenspannung bestimmt zusammen mit der Oberfadenspannung

die Knotenlage und ist somit für die Qualität der Naht mit entscheidend.

- Sie ist über dem Füllungsgrad der Unterfadenspule nicht konstant.

4.3.2 Konstante Nähgeschwindigkeit

Der Vergleich der beiden unterschiedlichen Krafterzeugungen (Feder und Magnet)

sollte unter möglichst gleichen Bedingungen erfolgen, um sichere Aussagen über die

Qualität der Nähte treffen zu können. Deutlich erkennbar sind allerdings die

unterschiedlichen Fadenführungen:

Abbildung 57: Einstellung der Fadenspannung mit Druckfedern


Abbildung 58: Elektronische Einstellung der Fadenspannung

Beide Spannungsplatten werden zeitnah nacheinander montiert und getestet, ohne

dabei andere Einstellungen zu verändern. Die Wahl der richtigen Fadenspannung

wird nach subjektiver Prüfung der Knotenlage vollzogen.

Für die elektronisch eingestellte Fadenspannung reicht ein geregelter Strom von 150

mA aus, um die Knoten zwischen die beiden Materiallagen zu ziehen. Der

Durchschnitt der Spannungsspitzen (ohne die Beschleunigungsphasen) liegt bei 437

Digits.

Für den Vergleich werden die Federn so eingestellt, dass der BTSR-Sensor einen

Durchschnittswert der Spannungsspitzen von 425 Digits liefert. Die anderen

Parameter, die zu den folgenden Abbildungen führen, sind:

- Konstante Motordrehzahl von 400 U/min

- Perfekte mechanische Maschineneinstellungen

- Nähgut Kunstleder „Sky“ (doppellagig)

- Oberfaden Nm 40/3

- Unterfaden Nm 40/3


Fadenspannung


Fadenspannung


Abbildung 59: Einstellung mit Hubmagnet (oben) und Federn (unten)

Fadenspannung [140 g / Einheit]



Der Verlauf der Spannungsspitzen ist bei beiden Einstellungsmöglichkeiten nahezu

identisch. Es fällt aber auf, dass die Fadenspannungen bei der mechanischen

Einstellung vor und nach dem Fadenanzug (der Spitze) etwas höher und unruhiger

sind. Die Nähte weisen optisch keine Unterschiede auf. Es deutet sich an, dass die

elektronische Einstellung zumindest keine Verschlechterung der Qualität mit sich

bringt. Ein endgültiges Urteil kann aber erst nach einem wirklichen Praxistest

(Verhalten in Extremsituationen, Dauerlauf, Probelauf beim Kunden etc.) gefällt

werden.


4.3.3 Variable Nähgeschwindigkeit

Es ist schon lange bekannt, dass die niedrigeren Geschwindigkeiten in den

Beschleunigungsphasen auch geringere Fadenspannungen zur Folge haben. Daher

stellt sich die Frage, wie sich beide Einstellungsmöglichkeiten bei verschiedenen

Geschwindigkeiten verhalten. Um die Spitzen sauber abtasten zu können, wird der

Drehzahlbereich auf maximal 1000 U/min begrenzt. Die Stromstärke beträgt 150 mA.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Drehzahl [U/min]

Fad

ensp

ann

un

g [

g]

Abbildung 60: Fadenspannung über der Drehzahl

Auch dieser Vergleich offenbart keine gravierenden Unterschiede. Der Anstieg erfolgt

etwa linear und macht sich nicht nur in den Messergebnissen bemerkbar. Diese

Abweichungen lassen sich auch im Nahtbild wieder finden und sind ein Ärgernis für

den Kunden. Gerade Anfang und Ende einer Naht müssen besondere Belastungen

aushalten und werden deshalb zusätzlich mit Nahtverriegelungen gesichert.

Mechanische Einstellung

Elektronische Einstellung

Fadenspannung – Machbarkeit einer Fadenspannungsregelung - 112 -

5. Machbarkeit einer Fadenspannungsregelung

5.1 Ausgangsbasis

5.1.1 Handlungsspielraum

Die Frage der Machbarkeit einer Fadenspannungsregelung hängt von vielen

Aspekten ab. Das Grundproblem einer Regelung ist, dass man erst auf eine Störung

reagieren kann, wenn diese bereits passiert ist. Für das Nähergebnis ist aber schon

ein Fehlstich zu viel. Zudem basieren manche erhöhte Fadenspannungen auf einem

kurzen Haken des Fadens und haben überhaupt keinen Einfluss auf den nächsten

Stich. Ein Regler dürfte darauf nicht reagieren. Ein Eingriff könnte sogar

kontraproduktiv sein. Deshalb stellt sich bei jedem Konzept die Frage, ob eine

Regelung überhaupt sinnvoll ist und in welcher Weise reagiert werden sollte. Es

gelten folgende Randbedingungen:

Nähprozess

Der Nähprozess gibt den Zeitrahmen und den Verlauf der Fadenspannung vor. Im

Extremfall, bei einer Drehzahl von 4000 U/min, dauert der Anstieg der

Fadenspannung vom Ausgangsniveau auf den Endwert nur etwa 1,5 ms.

Hubmagnet und Regler

Die Zeitkonstante des Hubmagneten beträgt je nach Luftspalt und ohmschen

Widerstand ca. 8 ms. Nach dem Einschalten hat der Strom in dieser Zeit ca. 63 %

seines Endwertes erreicht. Das entspricht einem Sprung von 0 auf ca. 200 mA. Im

Falle einer Regelung wären aber nur deutlich geringere Sprünge erforderlich, z.B.

von 150 auf 160 mA.

Datenverarbeitung

Der Durchlauf des Steuerungsprogramms beträgt derzeit ca. 3,6 ms. Eine Erhöhung

dieser Zeit ist jedoch bereits abzusehen, da der Funktionsumfang der Maschine noch

zunehmen und weitere Rechenzeit beanspruchen wird. Für die Ausführung von

Aktionen einer Regelung kommen daher lediglich erzwungene Unterbrechungen des

regulären Ablaufes in Frage. Die Interrupts können, wie bei der Regelung des

Stromes, in einem festen Zeitraster ausgelöst, oder aber an bestimmte

Winkelpositionen des Nähmotors gekoppelt werden. Trotzdem kostet jede

Berechnung wertvolle Zeit, die den anderen Programmkomponenten entzogen wird.


Messung

Die Abtastwerte des Analogsignals stehen jederzeit aktuell zur Verfügung, da der

Analog-Digital-Konverter parallel zum Controller arbeitet. Die vorherige

Wandlungszeit hängt davon ab, wie viele der 16 möglichen Kanäle belegt sind und

abgetastet werden. Bei einem Kanal beträgt sie 7,8 µs. Momentan werden sechs

Kanäle abgetastet, die Wandlungszeit erhöht sich um den Faktor sechs. Der aktuelle

Abtastwert ist also höchstens 50 µs alt. Es ist allerdings sinnvoll, eine

Mittelwertbildung über mehrere Samples durchzuführen, um das Risiko einer

Fehlmessung zu vermeiden.

5.1.2 Lösungskonzepte

- Die Wunschvorstellung ist eine Einflussnahme von Stich zu Stich. Einen

einzelnen Fehlstich zu erkennen bevor er passiert und die Entwicklung evtl.

sogar noch zu beeinflussen, könnte vielleicht über eine Art Vorhersage oder

Schätzung gelingen. Allerdings ist der nutzbare Zeitraum von 1,5 ms sehr

kurz, wenn man bedenkt, was in dieser Zeit alles geschehen müsste:

1. Messung der Fadenspannung

2. Berechnung der erwarteten Fadenspannung

3. Änderung des Sollwertes für den Strom

4. Messung der Fadenspannung zur Kontrolle

- Denkbar ist außerdem eine zusätzliche Korrektur langfristiger minimaler

Änderungen der regulären Fadenspannungswerte mit einem klassischen

Regelverfahren.

- Etwas aussichtsreicher scheint eine Kompensation der Einflüsse durch

unterschiedliche Nähgeschwindigkeiten zu sein. Die aktuelle Motordrehzahl

steht jederzeit zur Verfügung und könnte für eine Anpassung des Sollstromes

verwendet werden. Der Regler sollte in der Lage sein, den Strom in gewissen

Grenzen mit der Geschwindigkeit zu variieren.


5.2 Schätzung der Fadenspannung

5.2.1 Charakteristik und Erfassung des Fadenspannungsverlaufs

Die Grundlage für eine Vorausberechnung der Fadenspannung ist eine brauchbare

mathematische Beschreibung des Verlaufs. Charakteristisch ist das Maximum und

der je nach Geschwindigkeit mehr oder weniger steile Anstieg im Fadenanzug. Um

die Berechnung nicht zu kompliziert (und damit zu langsam) zu machen, soll der

Anstieg der Fadenspannung in Abhängigkeit von der Winkelposition des Nähmotors

durch eine Parabel angenähert werden:

Fadenspannung f(x)

Motorinkremente x

Abbildung 61: Annäherung des Verlaufs durch eine Parabel

Die allgemeine Funktionsgleichung einer Parabel lautet:

CBxAxf +−⋅= 2)()( ( 61 )

Um das Maximum der Fadenspannung berechnen zu können, müssen die

Koeffizienten A, B und C ermittelt werden.

f(a)

f(b)

f(c)

b a c


Der Analogwert der Fadenspannung kann gezielt zu bestimmten Motorinkrementen

abgetastet werden. Damit stehen zwei Gleichungen zur Ermittlung der drei

unbekannten Größen (A, B, und C) fest:

CBbAbf

CBaAaf

+−⋅=

+−⋅=2

2

)()(

)()( ( 62 )

Zur Winkelposition c (OT) gehört das Maximum f(c). An dieser Stelle ist der

Funktionswert der 1. Ableitung null. Daraus resultiert die letzte benötigte Gleichung:

cBBcAcf

BxAxf

=⇒−⋅⋅==′⇒

−⋅⋅=′

)(20)(

)(2)( ( 63 )

Zur Bestimmung der Parameter A und C werden die ersten Gleichungen

ausmultipliziert:

CBABbAbAbf

CBbAbf

CBABaAaAaf

CBBaaACBaAaf

+⋅+⋅⋅⋅−⋅=⇒

+−⋅=

+⋅+⋅⋅⋅−⋅=⇒

++⋅⋅−⋅=+−⋅=

22

2

22

222

2)(

)()(

2)(

)2()()(

( 64 )

Durch die Subtraktion der beiden Gleichungen voneinander wird der Parameter C

eliminiert:

)22(

22

)2(

2)()(

22

22

22

22

BbbBaaA

BbAbABaAaA

CBABbAbA

CBABaAaAbfaf

⋅⋅+−⋅⋅−⋅=

⋅⋅⋅+⋅−⋅⋅⋅−⋅=

+⋅+⋅⋅⋅−⋅−

+⋅+⋅⋅⋅−⋅=−

( 65 )

Aus B = c folgt für A:

)(2

)()(22

bacba

bfafA

−⋅⋅−−

−= ( 66 )


Damit kann dann abschließend der Parameter C berechnet werden:

)(2

)())()(()(

)()(

)()(

22

2

2

2

bacba

cabfafafC

caAafC

CBaAaf

−⋅⋅−−

−⋅−−=⇒

−⋅−=⇒

+−⋅=

( 67 )

Ein Blick auf die Parabelgleichung zeigt, dass dieser Ausdruck für C auch gleichzeitig

der Funktionswert an der Winkelposition c ist (wegen B = c):

)(2

)())()(()()()(

22

22

bacba

cabfafafCCBcAcf

−⋅⋅−−

−⋅−−==+−⋅= ( 68 )

5.2.2 Bewertung

Die Grundlage der Berechnung ist die Kenntnis, an welchen Motorinkrementen der

Anstieg der Fadenspannung stattfindet und schließlich das Maximum erreicht wird.

Das Verfahren kann leider nicht funktionieren, weil eben diese Voraussetzung nicht

erfüllt ist: Das Maximum befindet sich nicht immer im oberen Totpunkt des

Fadenhebels. Deshalb fehlt die definierte Motorposition, um die an dieser Stelle

„vermutete“ Fadenspannung berechnen zu können. Die folgenden Abbildungen

zeigen die Position Fadenhebel OT und den Fadenspannungsverlauf bei

unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Die Ursache für dieses Verhalten ist die

Elastizität des Fadens, die sich geschwindigkeitsabhängig bemerkbar macht. Bei

höherer Nähgeschwindigkeit wird das Maximum der Fadenspannung sogar erst nach

dem oberen Totpunkt des Fadenhebels erreicht:


Fadenspannung


Fadenspannung


Abbildung 62: Fadenspannung und OT bei zwei Nähgeschwindigkeiten



OT des Fadenhebels

OT des Fadenhebels


5.3 Langfristige Regelung

5.3.1 Charakteristik und Erfassung des Fadenspannungsverlaufs

Es sind mehrere Ursachen denkbar, die auf lange Sicht einen Einfluss auf die

Fadenspannung haben könnten: Der Füllungsgrad der Unterfadenspule, Änderungen

der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit, der mechanischen Einstellungen oder

Verschleiß. Die Zuordnung und Messung der Faktoren ist schwierig. Ein

Zusammenhang ist jedoch sehr genau bekannt und von großem Gewicht: Der

Füllungsgrad der Unterfadenspule bestimmt die Unterfadenspannung, deren

Änderung sich wiederum an der Oberfadenspannung ablesen lässt. Der Hebelarm

beim Abzug des Fadens wird mit leerer werdender Spule kürzer und die

Unterfadenspannung somit höher. Der größere Widerstand beim Einzug des Knotens

in das Material äußert sich in einer erhöhten Oberfadenspannung. Je nach

Fadenverbrauch und Spulenkapazität dauert das Leeren einer Spule in der Regel

weniger als eine halbe Stunde. Die Erhöhung der Spannungsspitzen ist in jedem Fall

deutlich messbar, wie die folgenden Abbildungen zeigen:

Fadenspannung


Abbildung 63: Verlauf der Fadenspannung bei voller Unterfadenspule



Fadenspannung


Abbildung 64: Verlauf der Fadenspannung bei leerer Unterfadenspule

5.3.2 Bewertung

Die Regelung der Fadenspannung ist sicherlich prinzipiell möglich. Allerdings handelt

es sich bei der Fadenspannung nicht um die Führungsgröße selbst, sondern nur um

eine Komponente einer sauberen Stichbildung. Entscheidend ist, ob die Verknotung

zwischen den beiden Materiallagen liegt. Im Falle der Abhängigkeit von der

Unterfadenspannung würde dies bedeuten, dass die ohnehin höhere

Oberfadenspannung noch weiter erhöht werden müsste, um ein Gleichgewicht

herzustellen und den Knoten in die Mitte zu ziehen. In welchem Maße dies

geschehen müsste ist völlig unklar, da die Knotenlage bisher nicht gemessen werden

kann.



5.4 Geschwindigkeitskompensation

5.4.1 Abhängigkeit von der Geschwindigkeit

Die Abhängigkeit der Oberfadenspannung von der Geschwindigkeit wurde bereits

beim Vergleich der beiden Krafterzeugungen deutlich. Der Verlauf der elektronisch

eingestellten Fadenspannung wird in diesem Bild durch eine Ausgleichsgerade

angenähert. Der Strom beträgt in diesem Fall konstant geregelte 150 mA:

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Drehzahl [U/min]

Fad

ensp

ann

un

g [

g]

Abbildung 65: Fadenspannung über der Drehzahl

5.4.2 Bewertung

Im Gegensatz zu den langfristigen Einflüssen, kann die Abhängigkeit der

Fadenspannung von der Geschwindigkeit kompensiert werden.

Durch den weniger ruckartigen Aufbau der Spannung bei niedrigen Drehzahlen wird

der Knoten nicht so fest und nicht so weit in das Material gezogen, wie bei höheren

Nähgeschwindigkeiten. Deshalb ist es sinnvoll, in den Beschleunigungsphasen mit

höheren Fadenspannungen nachzuhelfen und zu versuchen, die Spannungsspitzen

auf ein gemeinsames Niveau zu bringen.


5.4.3 Ansatz für die Realisierung

Wenn die Fadenspannung über der Drehzahl zunimmt, kann die Kompensation nur

über die Verstellung des Stromes erfolgen. Welcher Strom eingestellt werden muss,

um den geforderten Fadenspannungssollwert zu erreichen, ergibt sich aus der

Strom-Fadenspannungs-Kennlinie für die jeweilige Drehzahl.

Die Grundlage einer Kompensation ist also ein dreidimensionales Kennlinienfeld: Ein

quadratischer Zusammenhang zwischen Strom und Fadenspannung auf der einen

Seite, sowie ein linearer Zusammenhang zwischen Drehzahl und Fadenspannung

auf der anderen Seite:

125

150

175

200

225

250

500

750

1000

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Abbildung 66: Gemessene Fadenspannung über Drehzahl und Strom

In dieser Arbeit tauchten bisher jeweils die einzelnen Kennlinien auf (bei konstanter

dritter Größe), an denen sich die mathematischen Zusammenhänge durch die

Ausgleichskurven detaillierter betrachten lassen.

Für die Realisierung muss ein vereinfachtes Verfahren eingesetzt werden, da nicht

für jede Kombination aus Nähgut und Nähgarn ein derartiges Kennlinienfeld

aufgenommen und in der Steuerung hinterlegt werden kann. Aus diesem Grund soll

die Kennlinien-Fläche durch eine Ebene angenähert werden.

Fadenspannung [g]

Strom [mA] Drehzahl [U/min]


Damit reichen drei Stützpunkte für die geometrische Bestimmung aus:

=

=

=

3

3

3

3

2

2

2

2

1

1

1

1

F

D

S

P

F

D

S

P

F

D

S

P ( 69 )

Die Ebene wird durch drei Ortsvektoren ( 1rr

, 2rr

und 3rr

) zu den drei Punkten ( 1P , 2P

und 3P ) aufgespannt. Der Vektor rr

erreicht bei Auswahl der Parameter µ und λ

jeden Punkt der Ebene. Die Drei-Punkte-Form lautet [6]:

−

−

−

⋅+

−

−

−

⋅+

=

−⋅+−⋅+=

13

13

13

12

12

12

1

1

1

13121 )()();(

FF

DD

SS

FF

DD

SS

F

D

S

rrrrrr

µλ

µλµλrrrrrr

( 70 )

Für die Darstellung der Ebene werden die Fadenspannungen gesucht, die zu einem

Paar aus Drehzahl und Strom gehören. Es muss also der Schnittpunkt zwischen der

Ebene und einem Punkt gefunden werden, von dem zwei Komponenten bekannt

sind. Es ergibt sich ein lineares Gleichungssystem mit den drei Unbekannten

Fadenspannung xF , µ und λ:

)()(

)()(

)()(

);(

13121

13121

13121

13

13

13

12

12

12

1

1

1

FFFFFF

DDDDDD

SSSSSS

FF

DD

SS

FF

DD

SS

F

D

S

F

D

S

r

x

x

x

x

x

x

−⋅+−⋅+=

−⋅+−⋅+=

−⋅+−⋅+=

−

−

−

⋅+

−

−

−

⋅+

=

=

µλ

µλ

µλ

µλµλr

( 71 )

In dieses Gleichungssystem werden drei weit auseinander liegende Stützpunkte aus

der Messung eingesetzt (ohne Einheiten):

=

=

=

365

1000

175

377

750

225

283

250

175

321 PPP ( 72 )


Die Lösung für die Fadenspannung in Abhängigkeit von Drehzahl und Strom lautet:

116375

41

75

59);( +⋅+⋅= xxxxx DSDSF ( 73 )

Die Darstellung zeigt die zugehörige Ebene. Die Fadenspannungen an den am

weitesten von den Stützstellen entfernten Punkten weichen lediglich um ± 18 g von

der Messung ab:

125

150

175

200

225

250

500

750

1000

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Abbildung 67: Angenäherte Fadenspannung über Drehzahl und Strom

Dieser mathematische Ansatz könnte möglicherweise die zunächst beschriebene

Kalibration der Fadenspannung über dem Strom ersetzen. Der Vorteil liegt darin,

dass nur drei Kalibrationspunkte benötigt werden und die Fadenspannung dann

zusätzlich von der Geschwindigkeit unabhängig wäre. Für den Nähbetrieb muss das

Gleichungssystem entsprechend nach dem Strom aufgelöst werden, der dann

passend zur Drehzahl und zur geforderten Fadenspannung berechnet werden kann.

Fadenspannung [g]

Strom [mA] Drehzahl [U/min]

Fadenspannung – Zusammenfassung & Ausblick - 124 -

6. Zusammenfassung & Ausblick

Die reproduzierbare, elektronische Einstellung der Fadenspannung war das

Hauptziel dieser Diplomarbeit. Dieses Ziel ist erreicht worden, ohne dabei Abstriche

bei der Nahtqualität in Kauf nehmen zu müssen. Im Gegenteil: Eine Verbesserung

deutet sich bereits an und kann in Zukunft durch die Umsetzung der gewonnenen

Erkenntnisse weiter vorangetrieben werden. Die Investition in eine Nähmaschine mit

elektronisch einstellbarer Fadenspannung wird dem Kunden deutlich sichtbare

Vorteile bringen und sich schnell bezahlt machen. Im Vergleich zum Nutzen dürften

die Kosten von etwa 300 Euro eher gering ausfallen.

Das Wirkprinzip, der mechanische Aufbau und das Steuerungskonzept des

Funktionsmusters haben sich als richtig erwiesen, so dass folgende Gesichtspunkte

unbedingt in die weitere Entwicklung einfließen sollten:

- Ein Hubmagnet eignet sich als kostengünstige Lösung für die Krafterzeugung.

- Die physikalischen Erkenntnisse über den Hubmagneten (vor allem über Kraft,

Luftspalt, Strom und Temperatur) bestimmen die Einsatzbedingungen.

- Der Strom geht quadratisch in die Fadenspannung ein.

- Ein Luftspalt von ca. 0,6 mm und damit ca. 15 bis 20 N Magnetkraft reichen

vollkommen aus, um die geforderten Fadenspannungen zu erreichen.

- Hystereseerscheinungen spielen bei dieser Anwendung keine Rolle, weil der

Anker immer aus der gleichen Richtung angezogen wird.

- Es steht ein Magnet mit angepasster (flacherer) Kennlinie zur Verfügung,

wenn die Kraftunterschiede bei unterschiedlichen Fadendicken zu groß

ausfallen sollten.

- Eine saubere (reibungsarme) beidseitige Lagerung der Ankerwelle ist

unbedingt erforderlich.

- Die Ankerwelle muss mit einer Federrückstellung versehen werden.

- Es ist eine einfache reproduzierbare Montage und Demontage der

Spannungsscheiben vorzusehen (z.B. zu Reinigungszwecken).

- Ein Mitdrehen der Spannungsscheiben ist zu vermeiden, ein leichtes Kippen

zur Anpassung an den Faden sollte aber möglich sein.

- Eine günstige Wärmeabfuhr ist Voraussetzung zur vollen Ausnutzung der

Magnetkraft.

- Bei der Fadenführung sollte auf eine federbelastete Vorspannung verzichtet

und unnötige Umlenkungen vermieden werden.


- Der Fadenverlauf durch die Spannungsscheiben sollte nach dem bewährten

Prinzip (mit einer 75°-Umlenkung) stattfinden.

- Der Strom muss geregelt werden! Die Ansteuerung über einen PWM-Kanal

der DAC III und die Regelung der Pulsweite mit einem zeitdiskreten PI-Regler

haben sich bewährt. Die erstellte Software ist voll einsatzfähig.

- Für die Messung des Stromes und die Aufbereitung des Signals kann die

entwickelte Schaltung (mit einem LEM-Modul, Differenzverstärker, Filterung

und Offseterzeugung) verwendet werden.

- Die Regelung funktioniert sicher bis zu einer Stromstärke von mindestens 250

mA.

Sinnvoll ergänzt wird das elektronische Einstellen der Fadenspannung durch das

Messen der Fadenspannung direkt an der Maschine. Dabei sollten folgende

Hinweise in Betracht gezogen werden:

- Die Messung der Fadenspannung sollte mit dem Sensor TS4/A1000B der

Firma BTSR und nicht mit dem Hall-Sensor (DA-Eigenentwicklung) erfolgen,

damit sie reproduzierbar und sicher ist.

- Die Filterung des Signals mit einem Bessel-Filter 2. Ordnung ist unverzichtbar.

- Die Kalibration des Sensors kann nach dem Prinzip und mit der Vorrichtung

der Firma ELTEX durchgeführt werden.

- Die Ermittlung des Maximums der Fadenspannung in einem Stich sollte durch

den Vergleich von Abtastwerten per Software erfolgen.

- Zur Erfassung der Fadenspannung über einer definierten Nahtstrecke sollte

ein Mittelwert über mehrere Spannungsspitzen im laufenden Nähprozess bei

konstanter Drehzahl gebildet werden.

Mit Hilfe der elektronischen Messung konnten zahlreiche Erkenntnisse über die

Fadenspannung und die Möglichkeit einer Fadenspannungsregelung gewonnen

werden:

- Die Messung der Fadenspannung an der Maschine ermöglicht die Kalibration

der Fadenspannung und die flexible Anpassung der Einstellungen auf neue

Gegebenheiten.

- Wegen der Elastizität des Fadens ist es unmöglich, die Fadenspannung im

Stich vorherzusagen. Damit entfällt die Möglichkeit, auf den aktuellen Stich

Einfluss zu nehmen.


- Das Ziel einer Regelung muss die exakte Lage des Knotens zwischen den

Materiallagen sein. Die Regelung auf ein gleichmäßiges Niveau der

Spannungsspitzen ist vollkommen falsch. Ungleichmäßige Fadenspannungen

haben eine Ursache und die notwendige Reaktion darauf ist völlig unklar, so

lange die Knotenlage nicht gemessen werden kann.

- Ein einzelner Fehlstich hat nicht notwendiger Weise einen weiteren Fehlstich

zur Folge. Eine Regelung von Stich zu Stich ist also nicht sinnvoll.

- Die Unterfadenspannung wirkt sich auf die Oberfadenspannung aus, weil sie

sich mit dem Füllungsgrad der Unterfadenspule ändert. Um diesen Einfluss

ausregeln zu können, muss die Lage der Verknotung bekannt sein. Hier reicht

die Regelung auf ein gleichmäßiges Niveau der Spannungsspitzen ebenfalls

nicht aus.

- Die Nähgeschwindigkeit ist die wichtigste Einflussgröße. Sie ist aber keine

Störgröße, sondern eine Komponente, die zur Herstellung der richtigen

Knotenlage benötigt wird. Bei höheren Geschwindigkeiten reißt der

Fadenhebel stark am Faden und trägt damit zum Einzug des Knotens bei. Bei

niedrigeren Geschwindigkeiten fehlt dieser Ruck. Dieser könnte über eine

Erhöhung der Oberfadenspannung kompensiert werden. Zusammen mit dem

Strom, ergibt sich ein dreidimensionales Kennliniengebilde. Der

Zusammenhang zwischen Fadenspannung, Strom und Drehzahl wird für eine

gleichmäßige Einstellung der Fadenspannung benötigt. Diese Fläche kann

durch eine Ebene angenähert werden, die sich auf nur drei Kalibrationspunkte

stützt. Aus diesem Zusammenhang ergeben sich die Daten, die für eine

Geschwindigkeitskompensation und eine gleichzeitige Kalibration (Strom und

Fadenspannung) benötigt werden.

Folgende Aspekte sind verbesserungswürdig, erweitern die Funktion oder sollten in

Zukunft anders gelöst werden:

- Die Fadenspannung sollte schonend an mehreren Klemmstellen (Vor- und

Hauptspannung) erzeugt werden (z.B. durch einen zweiten Magneten).

- Diese Maßnahme würde grundsätzlich die Kraft erhöhen, so dass auch bei

glatten Fäden hohe Fadenspannungen erreicht werden könnten.

- Auf Dauer muss die Bauform auch für eine Zwei-Nadel-Maschine (und damit

für zwei Fäden) realisierbar sein.


- Der Bauraum (speziell die Bautiefe) muss reduziert werden, damit die

Spannungsplatte an der Maschine angebracht werden kann, ohne den Guss

ändern zu müssen.

- Die Schaltungen für den BTSR-Sensor und die Strommessung sollten auf

einer Platine zusammengefasst und mit einem Gehäuse versehen werden.

Dadurch würden Bauteile gespart (gemeinsame Spannungsversorgung, zwei

OPs in einem IC, einfache Montage etc.) und eine bessere Abschirmung der

Signale gewährleistet.

- Für die einfache und leicht handhabbare Einstellung der Fadenspannung

könnte ein Drehregler vorgesehen werden.

- Die Kalibration sollte mit Hilfe einer automatischen Softwareroutine erfolgen,

so dass nur noch das Material eingelegt werden muss.

- Das Zeitraster (derzeit eine Millisekunde) für die Maximumsuche der

Fadenspannung muss verfeinert werden, um auch bei höheren Drehzahlen

eine korrektes Ergebnis zu erhalten. Die Wandlung des Analogsignals eines

Kanals zu beliebigen Zeitpunkten kann bei dem Controller C 167 durch den

Channel-Injection-Mode [12] ausgelöst werden.

- Die Untersuchungen zu den Abhängigkeiten der Fadenspannung von der

Drehzahl müssen anschließend auch auf höhere Geschwindigkeiten

ausgedehnt werden.

- Möglicherweise können aus dem Signal des BTSR-Sensors weitere

Informationen gewonnen werden (Knotenlage, Erkennung von Fehlstichen

oder einer leeren Unterfadenspule).

- Der Sensor eignet sich hervorragend für weitere Aufgaben, z.B. an einer

Sollreißnahtmaschine.

Fadenspannung – Anhang - 128 -

A. Anhang

A.1 Quellenangaben

Literatur

[1] „Das kleine Buch des Nähgarns“

Firmenschrift

Ackermann-Göggingen AG, Augsburg

[2] „Grundgebiete der Elektrotechnik – Band 1: Stationäre Vorgänge“ (6. Auflage)

von Arnold Führer, Klaus Heidemann und Wolfgang Nerreter

Carl Hanser Verlag München Wien, 1997

[3] „Unterlagen Regelungstechnik“ (Skript TRT)

von Prof. Dr.-Ing. Türke

[4] „Tabellenbuch Mechatronik“

von Paul Arzberger, Linus Beilschmidt u. a.

Verlag Gehlen Bad Homburg vor der Höhe, 2000

[5] „Halbleiter-Schaltungstechnik“ (9. Auflage)

von Ulrich Tietze und Christoph Schenk

Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York London Paris Tokio, 1989

[6] „Mathematische Formelsammlung“ (6. Auflage)

von Lothar Papula

Verlag Vieweg Braunschweig Wiesbaden, 2000

[7] "Programmieren in C" (2. Auflage)

von Wolfgang Sommergut

Deutscher Taschenbuch Verlag, 1997


[8] "Programmieren in C" (2. Ausgabe, ANSI C)

von Brian W. Kernighan und Dennis M. Ritchie

Carl Hanser Verlag München Wien, 1990

[9] „Gerthsen Physik“ (18. Auflage)

von Helmut Vogel

Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1995

[10] „Mechanische Antriebstechnik“ (Skript TAM)

& „Messtechnik und Sensoren“ (Skript TMT)

von Prof. Dr.-Ing. Schmitt

[11] „Testsysteme & Sensoren“ (Skript TES)

von Prof. Dr.-Ing. Gebhardt

Schaltpläne/Datenblätter der Bauteile

[12] Mikrocontroller C 167 CR

Analog Devices Inc., Norwood (USA)

[13] Steuerung DAC III

Barmag AG, Remscheid

[14] Hubmagnet 340.14

indEAS, Metzingen

[15] Current Transducer LTSR 6-NP

LEM, Plan-les-Ouates (Schweiz)

[16] Operationsverstärker MC33171P

ON Semiconductor, Denver (USA)

[17] Fadenspannungssensor TS4/A1000B

BTSR, Olgiate Olona (Italien)


A.2 Datenblätter

A.2.1 Hubmagnet



A.2.2 LEM



A.2.3 Operationsverstärker






A.2.4 BTSR-Sensor


A.3 Beispielnähte

Die Nähte wurden mit der elektronischen Einstellung bei einem geregelten Strom von

150 mA hergestellt. Die Lage der Verknotungen kann betrachtet werden, wenn man

die Materiallagen auseinander zieht. Dabei fällt auch die mangelnde Festigkeit der

Nähte in den Randbereichen auf.

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Diplomarbeit - Von der Idee zum Produkt Kaiser Konstruktion · Schlinge. Durch diese wird der Unterfaden mit Hilfe des Greifers geführt. Dadurch entsteht eine Verknotung, die das