DE19510599A1

DE19510599A1 - Fadenkraftaufnehmer

Info

Publication number: DE19510599A1
Application number: DE1995110599
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl Ing Sellen; Karl Dipl Ing Wispeintner
Original assignee: Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 1995-03-23
Filing date: 1995-03-23
Publication date: 1996-09-26
Anticipated expiration: 2015-03-24
Also published as: DE19510599C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Fadenkraftaufnehmer.

Fadenkraftaufnehmer der hier in Rede stehenden Art werden in der Praxis beispielsweise im Zusammenhang mit Wirk- und Strick maschinen sowie mit Umspulanlagen benötigt. In beiden Fällen müssen Garne schnell und mit möglichst konstanter Zugkraft ab gespult und verarbeitet bzw. umgespult werden. Dabei sollte ein Reißen des Fadens unbedingt vermieden werden, da eine Be stückung derartiger Maschinen äußerst aufwendig ist und oftmals mehrere Stunden in Anspruch nimmt. Um ein Reißen des Fadens zu vermeiden, muß die Transportgeschwindigkeit des Fadens geregelt werden. Dazu werden in der Praxis Temperaturaufnehmer einge setzt, mit denen die beim Transport des Fadens in Abhängigkeit von dessen Geschwindigkeit auftretende Reibungswärme erfaßt wird. Das bekannte Verfahren bzw. die bekannten Fadenkraftauf nehmer sind relativ träge, d. h. die Ansprechzeiten auf Änderun gen der Transportgeschwindigkeit sind relativ lange. Außerdem sind die Meßergebnisse vergleichsweise störanfällig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Faden kraftaufnehmer der in Rede stehenden Art anzugeben, der unver züglich auf Änderungen der Fadenspannung reagiert und zuverläs sige Meßergebnisse liefert.

Der erfindungsgemäße Fadenkraftaufnehmer löst die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Danach ist der eingangs genannte Fadenkraftaufnehmer gekennzeichnet durch einen Drucksensor und ein zwischen dem Faden und dem Drucksen sor wirkendes Kraftübertragungselement.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß sich die Fadenkraft prinzipiell auch mit Hilfe eines Drucksensors erfassen läßt. Es ist ferner erkannt worden, daß sich die Krafteinleitung vom Fa den auf den Drucksensor durch Zwischenschaltung eines geeigne ten Kraftübertragungselements verbessern läßt. Schließlich ist noch erkannt worden, daß die Messung der Fadenkraft bzw. Faden spannung mit Hilfe eines Drucksensors bei geeigneter Kraftein leitung besonders zuverlässig und störunanfällig ist.

Die Druckmessung erfolgt in der Regel durch Erfassung der Aus lenkung bzw. Deformation einer Membran unter Druckeinwirkung. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Fadenkraftaufnehmers, bei der ein nach dem bekann ten Prinzip arbeitender Drucksensor eingesetzt werden kann, ist das Kraftübertragungselement meßseitig auf der Membran des Drucksensors angeordnet. Auf diese Weise wird eine möglichst optimale Krafteinleitung gewährleistet.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten der Realisierung eines solchen Kraftübertragungselements.

Vorteilhaft ist es, wenn das Kraftübertragungselement eine kon vex gewölbte Anlagefläche für den Faden aufweist, so daß der Faden möglichst reibungslos und ohne Beschädigung über das Kraftübertragungselement geführt werden kann.

Je nach der Anordnung des Fadenkraftaufnehmers im Gesamtzusam menhang der garnverarbeitenden Maschine kann es vorteilhaft sein, wenn das Kraftübertragungselement durch eine sich vor zugsweise über die gesamte Breite oder annähernd die gesamte Breite der Membran erstreckende Wulst gebildet ist. Auf diese Weise kann zumindest weitgehend ausgeschlossen werden, daß sich der Faden an dem Fadenkraftaufnehmer verfängt. Die genaue Posi tion des Fadens auf dem Kraftübertragungselement kann in diesem Falle beispielsweise durch entsprechende Führungselemente in der Verarbeitungsmaschine vorgegeben werden.

Es kann unter Umständen aber auch vorteilhaft sein, wenn das Kraftübertragungselement selbst eine Führung für den Faden auf weist. Die Führung könnte dann derart orientiert sein, daß eine optimale und immer gleichmäßige Krafteinleitung beispielsweise im Zentrum der Membran erfolgt. Das Kraftübertragungselement könnte als Führung eine Laufrille für den Faden aufweisen. Ist ein Herausspringen des Fadens zu befürchten, so könnte genauso gut ein allseits geschlossener Kanal oder eine Öse als Führung für den Faden dienen.

Da bei der Führung des Garns über das Kraftübertragungselement immer Reibung und damit verbunden Reibungswärme auftreten, selbst wenn das Kraftübertragungselement mit einer extrem glat ten Oberfläche versehen ist, empfiehlt es, sich im Rahmen des erfindungsgemäßen Fadenkraftaufnehmers einen Drucksensor einzu setzen, mit dem immer der Relativdruck erfaßt wird. In diesem Falle wirkt auf die der Meßseite abgewandten Seite der Membran immer Atmosphärendruck. Dies kann einfach durch entsprechend angeordnete Druckausgleichsöffnungen im Gehäuse des Faden kraftaufnehmers gewährleistet werden.

Der konstruktive Aufbau des erfindungsgemäßen Fadenkraftauf nehmers bestimmt sich wesentlich nach der Art der Meßwerterfas sung, d. h. danach, wie die Auslenkung bzw. Deformation der Mem bran erfaßt wird.

Der Drucksensor könnte beispielsweise kapazitiv arbeiten. In diesem Falle sollte die Membran mindestens eine Meßelektrode aufweisen, die mit einer entsprechend angeordneten Gegenelek trode eine Kondensatoranordnung bildet. Die Meßelektrode und die Gegenelektrode könnten in vorteilhafter Weise durch eine aus einem elastisch deformierbaren Dielektrikum gebildete Schicht einerseits miteinander verbunden und andererseits von einander elektrisch isoliert sein. Das Dielektrikum müßte in diesem Falle so gewählt sein, daß es sich zusammen mit der Mem bran elastisch deformiert. Eine derartige Kondensatoranordnung im Schichtaufbau ist besonders unter fertigungstechnischen Ge sichtspunkten vorteilhaft. Die Meßelektrode und die Gegenelek trode könnten aber auch lediglich in ihren Randbereichen über ein Dielektrikum starr verbunden sein und auf diese Weise eine Kammer nach Art einer Druckmeßdose einschließen.

Alternativ zu einer kapazitiven Erfassung der Meßwerte könnte der Drucksensor auch piezoelektrisch arbeiten, indem die Mem bran mindestens ein Piezoelement aufweist, das zusammen mit der Membran deformiert wird. In jedem Fall muß die konstruktive Ausgestaltung des Fadenkraftaufnehmers die Auslenkbarkeit der Membran gewährleisten.

Im Hinblick auf die Positionierung des erfindungsgemäßen Faden kraftaufnehmers im Rahmen einer Verarbeitungsmaschinenanordnung ist es vorteilhaft, wenn der Fadenkraftaufnehmer insgesamt re lativ klein und kompakt gebaut ist. Unter diesem Gesichtspunkt ist die Verwendung eines in Hybridtechnik gefertigten Drucksen sors vorteilhaft. Die Membran könnte dann als Keramikplatte ausgebildet sein, die als Träger für die Meßelektrode im Falle eines kapazitiv arbeitenden Drucksensors oder für das Piezoele ment im Falle eines piezoelektrisch arbeitenden Drucksensors dient. Neben der die Membran bildenden Keramikplatte könnte dann eine zweite Keramikplatte als Träger für Bauteile einer Auswerteelektronik vorgesehen sein. Im Falle eines kapazitiv arbeitenden Drucksensors könnte diese zweite Keramikplatte gleichzeitig auch als Träger für die Gegenelektrode dienen.

Insgesamt ermöglicht die Hybridtechnik nicht nur den Aufbau ei nes Drucksensors mit kleinen Abmessungen sondern liefert gleichzeitig auch eine zuverlässige und einfache für die Mas senherstellung geeignete Herstellungsmethode.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorlie genden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und wei terzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Er läuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbil dungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Fa denkraftaufnehmers und

Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Sensorelements des in Fig. 1 dargestellten Fadenkraftaufnehmers.

Fig. 1 zeigt einen Fadenkraftaufnehmer 1, der erfindungsgemäß einen Drucksensor 2 und ein zwischen dem - hier nicht darge stellten Faden - und dem Drucksensor 2 wirkendes Kraftübertra gungselement 3 umfaßt.

Der Drucksensor 2 besteht im wesentlichen aus einem Sensorele ment 4 und einem Gehäuseteil 5 mit Anschlußmöglichkeiten für eine in dem Gehäuseteil 5 angeordnete Auswerteelektronik 6.

In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungs gemäßen Fadenkraftaufnehmers 1 umfaßt der Drucksensor 2 bzw. das Sensorelement 4 des Drucksensors 2 eine Membran 7, auf der meßseitig das Kraftübertragungselement 3 angeordnet ist. Das Kraftübertragungselement 3 ist im wesentlichen im Zentrum der Membran 7 angeordnet, da hier mit den größten Auslenkungen bzw. Deformationen und also mit der größten Meßgenauigkeit zu rech nen ist.

Das Kraftübertragungselement 3 weist eine konvex gewölbte Anla gefläche 8 für den Faden auf. Auf diese Weise wird der Faden möglichst wenig und gleichmäßig beansprucht, während gleichzei tig eine gute Krafteinleitung auf die Membran 7 und also auf den Drucksensor 2 gewährleistet ist. Im vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel ist eine hier nicht näher dargestellte Laufrille im Kraftübertragungselements 3 als Führung für den Faden vorge sehen, so daß die Krafteinleitung immer an einer definierten Stelle der Membran 7 erfolgt.

Bei dem hier dargestellten Drucksensor 2 des erfindungsgemäßen Fadenkraftaufnehmers 1 handelt es sich um einen kapazitiv ar beitenden Drucksensor 2, bei dem die Membran 7 auch gleichzei tig die Meßelektrode bildet. Sie ist über eine Schicht 9 aus einem elastisch deformierbaren Dielektrikum mit einer Gegen elektrode 10 verbunden. Bei Druckeinwirkung verformt sich die Membran 7 und also die Meßelektrode in Verbindung mit der elastisch deformierbaren Schicht 9, während die Gegenelektrode 10 starr in ihrer Position verbleibt. Dadurch ändert sich die Kapazität der Kondensatoranordnung aus Meßelektrode 7 und Ge genelektrode 10. Diese Kapazitätsänderung wird mit Hilfe der Auswerteelektronik 6 erfaßt, die über einen Träger 11 auf der Unterseite der Gegenelektrode 10 und also im Gehäuseteil 5 des Drucksensors 2 angeordnet ist. Entsprechend verlaufen auch im Inneren des Gehäuseteils 5 Anschlußleitungen 12 für die Auswer teelektronik 6. Die Anschlußleitungen 12 sind in einem Kabel 13 zusammengefaßt nach außen geführt. Zur Stabilisierung der Ka bellage im Inneren des Gehäuseteils 5 ist das Gehäuseteil 5 teilweise mit einer Vergußmasse 14 ausgefüllt.

Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß mit dem darge stellten Drucksensor 2 des erfindungsgemäßen Fadenkraftaufneh mers 1 der Relativdruck erfaßt wird. Das heißt auf der der Meß seite der Membran 7 abgewandten Seite der Membran 7 herrscht immer Atmosphärendruck, was zum einen durch eine Druckaus gleichsöffnung 15 in der Gegenelektrode 10 und zum anderen eine Entlüftungsleitung 16 in dem Kabel 13 gewährleistet ist. Über die Entlüftungsleitung 16 ist das Innere des Gehäuseteils 5 im mer an den Atmosphärendruck angeschlossen, der dann auch über die Druckausgleichsöffnung 15 an der Unterseite der Membran 7 anliegt.

Fig. 2 zeigt das Sensorelement 4 des Drucksensors 2 in ver größerter Darstellung. Zur Erläuterung von Fig. 2 wird daher auf die Ausführungen zu Fig. 1 verwiesen.

Abschließend sei darauf hingewiesen, daß sich der erfindungsge mäße Fadenkraftaufnehmer auch mit einem anderen Sensorelement realisieren läßt, also mit einem Drucksensor, der beispiels weise piezoelektrisch arbeitet.

Claims

1. Fadenkraftaufnehmer (1) gekennzeichnet durch einen Drucksensor (2) und ein zwischen dem Faden und dem Druck sensor (2) wirkendes Kraftübertragungselement (3).

2. Fadenkraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Drucksensor (2) eine Membran (7) aufweist und daß das Kraftübertragungselement (3) meßseitig auf der Membran (7) angeordnet ist.

3. Fadenkraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß das Kraftübertragungselement (3) eine konvex gewölbte Anlagefläche (8) für den Faden aufweist.

4. Fadenkraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 2 oder 3, da durch gekennzeichnet, daß das Kraftübertragungselement (3) durch eine sich vorzugsweise über die gesamte Breite der Mem bran (7) erstreckende Wulst gebildet ist.

5. Fadenkraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß das Kraftübertragungselement (3) eine Führung für den Faden aufweist.

6. Fadenkraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß das Kraftübertragungselement (3) min destens eine Laufrille als Führung für den Faden aufweist.

7. Fadenkraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß das Kraftübertragungselement min destens einen Kanal als Führung für den Faden aufweist.

8. Fadenkraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß das Kraftübertragungselement min destens eine Öse als Führung für den Faden aufweist.

9. Fadenkraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 2 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (2) den Relativdruck erfaßt, indem auf die der Meßseite abgewandte Seite der Membran (7) der Atmosphärendruck wirkt.

10. Fadenkraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 2 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (2) kapazitiv ar beitet, indem die Membran (7) mindestens eine Meßelektrode auf weist und der Drucksensor (2) mindestens eine Gegenelektrode (10) umfaßt.

11. Fadenkraftaufnehmer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß die Meßelektrode (7) und die Gegenelektrode (10) durch eine Schicht (9) aus einem elastisch deformierbaren Dielektri kum miteinander verbunden und voneinander elektrisch isoliert sind.

12. Fadenkraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode und die Gegenelek trode eine Kammer einschließen.

13. Fadenkraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 2 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß der Drucksensor piezoelektrisch ar beitet, indem die Membran mindestens ein Piezoelement aufweist.

14. Fadenkraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wo bei der Drucksensor in Hybridtechnik gefertigt ist.

15. Fadenkraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran durch eine erste Keramikplatte als Träger für die Meßelektrode gebildet ist und daß eine zweite Keramikplatte vorgesehen ist, die auf der der Meßelektrode zugewandten Seite mit der Gegenelektrode versehen ist und auf deren der Meßelektrode abgewandten Seite Bauteile einer Auswerteelektronik angeordnet sind.

16. Fadenkraftaufnehmer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich net, daß die Membran durch eine erste Keramikplatte als Träger für das Piezoelement gebildet ist und daß eine zweite Keramik platte als Träger für Bauteile einer Auswerteelektronik vorge sehen ist.