A n a ly s e d e s d y n a mi s c he n V e rh a l t en s d er F a d en f üh r u ng i n S t r ic k ma s ch i n en vorgelegt von Dipl.-I n g. Ammar Altaylouni aus Damaskus von der Fakultät V – Verkehrs- und Maschinens y steme – der Technischen Universität Berlin zur Erlang un g des aka d emischen Grades Doktor der I n genieurwissenschaften - Dr.-Ing - ge n ehmig t e Dissertation Promotionsausschuss: Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Paul Uwe Thamsen Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Henning Jürgen Me y er Gutachter: Prof. Ulrich Bauer Tag d er wisse ns chaftlichen Aussprache: 22. Juni 2016 Berlin 2017 II II Zusamm enfassung Die Qualität des mi t Strickmasc hinen hergestellten Gestricks häng t von mehre r en Parametern ab . Einer der wichtigsten P ara meter ist die Faden kraft im Strickprozess. Ziel d er Dissertation ist die Untersuchung der Fa denk raftänderung mit Hilfe von Simulationen und Experimenten. Untersucht wurden dr ei Fadenkraftsteuerungssy s teme, mit den en jeweils ein Gestrick produziert wurde . Für jedes Gestrick wurde die benötigte Fadenlänge pro Reihe ermittelt und gegenübergestellt. Die drei Fadenkraftsteuerung ss ysteme werden mit einem Mehrkörpersy st em (MKS) simuliert und mit den experimentellen Untersuchungen verglichen und validiert. Eine Schwierigkeit b ei der Modellierung ist das Abbilden der elastischen Eigenschaften des Fadens im Modell ohne zusätzliche L iz enz oder Kupplung mit einem anderen Simulationsprogra m m z u simulie ren. In der vorliegenden Arbeit wird ein anderer L ös ung sansatz zur Verbesserung de r Kontrolle der Fadenkraft aufgezeigt, mittels einer neuen Sensorposition, mi t dere n Hilfe die F adenkraft deutlich genauer ermittelt werden kann. Das ve rwendete Software -Tool zur Abbildung des Mehrkörpersy st ems ist SIMPACK, zum Teil gekoppelt mit einem Reg elalgorithmus im Softwaretool MATLAB/SIMULI N K. Schlagworte: Strickmaschine, Fa den, Feder, Fa d ene inrichtun g , Fadenkraftsteuerungssystem, Fade nk raft, Simulation, Mehrkör persimul ation, Rege l kreis, Matlab/Sim ulink, Fadenverlust, Nadel, Fadenführer, Simpack. III III Englisch Analysis of the dynamic behavior of the thread guide in knitting mac hin es The quality of the knitted fabric produced b y knit ting machines depends on several parameters. One of the most important paramete r s is the force of thread in the knitting process. The aim of the dissertation is to stud y the thread force changing with the aid of simulations and experiments. Three control s ystems fo r ya rn -feed were examined, with each producing a knit ted fabric. For eac h knit the required y arn length per row was det ermined a nd comp are d. The three y arn force control s y stems are simul ated with a multibody s y stem (M BS) and compared to the experimental examination and validated. One difficulty in modelin g is the simulation of the elastic prope rties of the threa d in the model without additional license or coupling with another simulation prog r am to simulate. In this dissertation, another approach is demonstrated b y a new sensor position to improve the control of th e thread fo rce. B y me ans of this new position the yarn force c an be determined much more acc u rately. The used software tool for modeling of multibod y system is simpack, which also is coupled with closed-loop control b y software Matlab/Simulink. Keywords: knitting, ya r n, spring , y arn Suppl y apparatus, y arn for c e con trol system, th read force , simulation, multi -body sim ulation, closed- loop control, Matlab / Simulink, y arn loss, needle, thread guides, Simpack. IV IV Inhaltsverze ichnis 1 Einleitung ............................................................................................................................... 1 1.1 Motivation ............................................................................................................................ 1 1.2 Zielse tz ung ........................................................................................................................... 3 1.3 Gliederung ............................................................................................................................ 3 2 Grundlagen der Stricktechnik ............................................................................................. 5 2.1 Grundlagen der F l achstrickmaschine sowie der Maschenbildung ................................ ....... 5 2.1.1 Komponenten der Flac hstrickm aschine ............................................................................ 5 2.1.2 Grundlagen der Maschenbildung auf Flac hst rickmaschinen ............................................ 6 2.2 Besc h reibung der Problemstellung bei der Flachstrickmaschine ......................................... 7 2.2.1 Verwendete Fadenlänge pro Strickreihe in d er F la chstrickma s chine ............................... 7 2.2.2 Geometrische v erwendete Fade nl änge pro Strickmasche in Flachstrickmaschine ........... 9 2.3 Steuerungssy stem in der Flachstrickmaschine ................................................................... 13 3 Stand der Technik ............................................................................................................... 14 3.1 Kontrolle der Fade nk raft mittels Fade n einrichtung ........................................................... 14 3.1.1 Konzepte mit einem Faden pro Fadenführeröse.............................................................. 14 3.1.1.1 Fade nsp eicherdrehscheiben-Prinzip ............................................................................. 14 3.1.1.2 Zwei-Rollen-Prinzip ..................................................................................................... 19 3.1.1.3 Mechanische Konzepte ................................................................................................ 22 3.1.2 Konzepte mit einem elastischen Faden pro Fa den führ e röse ................................ ........... 25 3.1.2.1 Fade nk raft ..................................................................................................................... 25 3.1.2.2 Fade nl änge ................................................................................................................... 26 3.1.3 Konzepte mit zwei unterschiedliche n elastischen Fäde n pr o Fadenführeröse ................ 27 3.2 Strickschlossdesign ............................................................................................................ 28 3.3 Stand der Tec hnik d er Simulation und Textilmode llierung ............................................... 28 3.4 Zusa mm enfassung .............................................................................................................. 30 V V 4 Experimentelle Untersuchung ........................................................................................... 33 4.1 Zugspa nnun g sm esser ......................................................................................................... 33 4.2 HTW Flachstrickmaschine ................................................................................................. 34 4.2.1 Das Nadelbett .................................................................................................................. 35 4.2.2 Fade n führer ..................................................................................................................... 35 4.2.3 Die Nade l ......................................................................................................................... 35 4.2.4 Schlitten ................................................................ ........................................................... 36 4.2.5 Kraftsteuerelement .......................................................................................................... 37 4.3 Eigenschafte n d es verwende ten Fadens ................................................................ ............. 38 4.4 Reibung an den Umlenkung spunkt en ................................................................................ 41 4.4.1 Fade nk raftsteuerungss y stem mit Feder ........................................................................... 42 4.4.2 Fade nk raftsteuerungss y stem mit Fade n einrichtung ........................................................ 43 4.4.3 Fade nk raftsteuerungss y stem m it F adeneinrichtung und Feder ....................................... 44 4.5 Fade nl änge ......................................................................................................................... 45 4.5.1 Experimentelle Untersuchung für die Fadenlänge .......................................................... 45 4.5.2 Die theoretische Fadenlange für jede Reihe .................................................................... 45 4.5.3 Die Messmethode für die F a denlang e ............................................................................. 46 4.5.4 Verlust in der Fadenlange für jedes Fadenkraftsteuerung ss ystem .................................. 47 4.5.5 Grenzformen für die untersuchten Gestricke .................................................................. 50 4.6 Die Fa d enkraftänderung an der ersten Nadel über den gesamten Prozess ......................... 51 5 Si m ulation des Strickver f ahrens ........................................................................................ 56 5.1 MKS Modellierung der Strickmasc hine ............................................................................. 56 5.1.1 Kontaktkrafte l ement in Sim pac k ..................................................................................... 59 5.1.2 Kontaktkrafte l ement zwischen Nadel und Strickschloss ................................................ 60 5.1.3 Fade nsim ulation .............................................................................................................. 61 5.1.4 Kontaktkrafte l ement zwischen Faden und anderen st arren Maschinenteilen ................. 62 5.2 Bewegungsgleichungen für da s Mod ell ............................................................................. 65 VI VI 5.2.1 Vorgege b ene Funktion für den Schlitten in der Simulation ............................................ 66 5.2.2 Bewegungs- und Abmessungsbe s chre ibun g für die Na d el ............................................. 69 5.2.3 Bewegungs- und Abmessungsbe s chre ibun g für den Fa den führer .................................. 71 5.2.4 Bewegungsgleichunge n für de n Fa d en ........................................................................... 73 5.3 Simulationsmodelle ............................................................................................................ 75 5.3.1 Simulation der idealen Situation für die Fadenkraft ...................................................... 75 5.3.2 Simulationsmodell mit einer Feder im Fadenkraftsteuerungssystem ............................. 75 5.3.3 Simulationsmodell mit der Fadeneinrichtung in dem Fadenkraftsteuerungss y stem ....... 76 5.3.3.1 Simpack mit Regelung ................................................................................................. 76 5.3.3.2 Modell und Reglerentwurf ........................................................................................... 77 5.3.4 Simulationsmodell mit FER und einer Feder i m Fadenkraftsteuerungssystem .............. 78 5.4 Neues Konzept ................................................................................................................... 79 5.4.1 Einführung ................................ ....................................................................................... 79 5.4.2 Prinzip des neues Konzepts ............................................................................................. 79 5.4.3 Schematische Darstellung de s n euen Konze p ts .............................................................. 81 6 Ergebnisse und Diskussion ................................................................................................. 85 6.1 Ergebnisse der experimentellen Untersuc hun gen .............................................................. 85 6.2 Simulationsergebnisse der verschiedenen Modelle ............................................................ 89 6.3 Validierungen de s M odells ................................................................................................. 92 6.3.1 Prinzip der Validierung ................................................................................................... 93 6.3.2 Die Simulationsungenauigke itser gebnisse ..................................................................... 94 6.4 Simulationsergebnisse für die Entwicklung ....................................................................... 97 6.4.1 Verifikation des Simulationsmodells und Diskussion ................................................... 97 6.4.1.1 Wirkung der Startg es chwindigkeit de s S chiebestücks .............................................. 101 6.4.1.2 Wirkung einer erhöhten Be s chleunigung des Schiebestücks .................................... 102 6.4.1.3 Wirkung bei Änderung der Kontaktkraft-Parameter ................................................. 103 6.4.1.4 Bewertung der Verifikation ....................................................................................... 104 VII VII 6.4.2 Die Ergebnisse d es neues Konzepts ............................................................................. 105 6.4.3 Auswertung des Konzeptmodells ................................................................................. 108 6.4.4 Vorteile und Nachteile de s neuen Konz epts ................................................................. 109 6.5 Vergleic h d er Ergebnisse ................................................................................................ 110 6.5.1 Erforderliche Fadenkraft 30 [cN] .................................................................................. 111 6.5.2 Erforderliche Fadenkraft 40 [cN] .................................................................................. 113 6.5.3 Erforderliche Fadenkraft 50 [cN] .................................................................................. 115 6.5.4 Erforderliche Fadenkraft 60 [cN] .................................................................................. 117 7 Zusamme n fassung und Ausblick ..................................................................................... 120 8 Quellenverzeichnis ............................................................................................................ 123 VIII VIII Liste der T abelle Tabelle 4.1: Standardabweichung für di e Messung des Fadendurchmessers ………. ........... 40 Tabelle 4.2: Reibungskoeffizient und Kontaktwinkel an den Umlenkungspunkten………. .. 42 Tabelle 4.3: Die gemessene Fadenkraftwerte zwischen den Umleitungspunkten am Fade nk raftsteuerungssystem mit Feder………………………………… ................................ 43 Tabelle 4.4 : Die gemessene Fadenkraftwerte zwischen den Umleitungspunkten am Fade nk rafsteuerungssystem mit Fadeneinrichtung……………………………………. ......... 43 Tabelle 4.5 : Die gemessene Fadenkraftwerte zwischen den Umleitungspunkten am Fade nk raftsteuerungssystem mit Fadeneinrichtung und Fadenspanner ................................... 44 Tabelle 4.6 : Fadenlängeunterschied für verschiedene Gestricke ............................................ 49 Tabelle 5.1: Verwendete Simulationsparameter ..................................................................... 58 Tabelle 6.1: Die gemessenen Fadenkraftwerte für die erforderliche Fadenkraft 30[cN] ........ 85 Tabelle 6.2: Die gemessenen Fadenkraftwerte für die erforderliche Fadenkraft 40[cN] ........ 86 Tabelle 6.3: Die gemessenen Fadenkraftwerte für die erforderliche Fadenkraft 50[cN] ........ 87 Tabelle 6.4: Die gemessenen Fadenkraftwerte für die erforderliche Fadenkraft 60[cN] ........ 87 Tabelle 6.5: Der Ze itpun kt an welche m d er Fade n die Positionen erre icht ............................ 93 Tabelle 6.6: Die Gena ui gke it des Simulationsmodells bei dem Wert 30 [cN] ....................... 95 Tabelle 6.7: Die Gena ui gke it des Simulationsmodells bei dem Wert 40 [cN] ....................... 95 Tabelle 6.8: Die Gena ui gke it des Simulationsmodells bei dem Wert 50 [cN] ....................... 96 Tabelle 6.9: Die Gena ui gke it des Simulationsmodells bei dem Wert 60 [cN] ....................... 96 Tabelle 6.10: Die Verif i kation des Simulationsversuchs ...................................................... 104 Tabelle 6.11: Die Auswertung der Konzeptmodelle ............................................................. 108 IX IX Bilder Bild 1.1: Langfr ist ige Entwicklung der Produktion .................................................................. 1 Bild 1.2: Grund für verschiedene Kr äfte in den Maschen ................................ ......................... 2 Bild 1.3: Beispiel für eine Kraftänderung im Produkt ............................................................... 2 Bild 2.1: Schematische Darstellung e iner Strick maschine ........................................................ 5 Bild 2.2: Maschenbildung mit Z un gennadeln in Flachstrickmaschinen .................................... 6 Bild 2.3: Fadenführerpositionen und Fadenlängen (L 1, L 2 u nd L3) ......................................... 8 Bild 2.4: Grund der geringe n Qualität im Gestrick ................................................................... 9 Bild 2.5: Die Masche ............................................................................................................... 10 Bild 2.6: Nadelkopf von vorne ................................................................................................ 10 Bild 2.7: Rechts/Rech ts -Ripp-Maschenware 1 X 1 ................................................................. 11 Bild 2.8: Die Bildung der He nkelmas che ................................................................................ 12 Bild 2.9: Die Bildung der F lottungsmas che ............................................................................. 12 Bild 2.10: Lösung für die gute Qualität im Gestrick ............................................................... 13 Bild 3.1: Die schematische Da rstellun g ein er erfindungsgemäßen Vorrichtung ..................... 15 Bild 3.2: Die Schnitt läng s einer L inie A -A durch die Vorrichtung ........................................ 16 Bild 3.3: Di e schematische Darste llun g der erfindungsge m äßen Vorrichtung........................ 16 Bild 3.4: Die schematische Da rstellun g de r erfindungsge m äßen Vorrichtung........................ 17 Bild 3.5: Di e schematische Darste ll ung der erfindungsgemäßen Vorrichtung........................ 18 Bild 3.6: Die schematische Da rstellun g der Fadenspeicherdrehsc h eibe ................................. 19 Bild 3.7: Di e schematische Darste llun g der erfindungsge m äßen Vorrichtung für zwei Rollen ................................ ....................................................................................................... 20 Bild 3.8: Di e schematische Darste llun g der erfindungsgemäßen Vorrichtung für zwei Rollen ................................ ....................................................................................................... 21 Bild 3.9: Die schematische Da rstellun g de r erfindungsge m äßen Vorrichtung für zwei Rollen ................................ ....................................................................................................... 22 Bild 3.10: Die schematische Darstellung d es Ausführungsbeispiels der Vorrichtung ............ 23 Bild 3.11: Die schematische Darstellung der Fadenbremse in de r Vorric htu ng...................... 23 Bild 3.12: Die schematische Darstellung der Vorrichtungsposition ........................................ 24 Bild 3.13: Die schematische Darstellung der Fadenspeiche rdrehsch eibe ............................... 24 Bild 3.14: Die schematische Darstellung der Vorrichtung ...................................................... 25 Bild 3.15: Der zeitlichen Verlauf der Fa de nkraft bei der Fadenliefereinrichtung ................... 26 Bild 3.16: Die schematische Darstellung der Vorrichtung ...................................................... 26 Bild 3.17: Die schematische Darstellung der Vorrichtung ...................................................... 27 Bild 3.18: Die schematische Darstellung d er V o rrichtungsposition ........................................ 28 Bild 3.19 : Three-element Zener model .................................................................................... 30 Bild 4.1: Zugspannungsmesser ZED ....................................................................................... 34 Bild 4.2: HTW Flachstrickmaschine ....................................................................................... 34 Bild 4.3: Das Nadelbett mit Nadeln und F ad enführer ............................................................. 35 Bild 4.4: Die Nadeln ................................................................................................................ 36 Bild 4.5: Der Schlitten der Handflachstrickmaschine ............................................................. 36 Bild 4.6: Position des Federsteuereleme nts ............................................................................. 37 Bild 4.7: Die elektronische Fa d eneinric htun g MSF 2 ............................................................. 38 Bild 4.8: Form des Fadens ohne Fadenkraft ............................................................................ 38 Bild 4.9: Form des Fadens unter Belastung ............................................................................ 39 Bild 4.10: Fadendurchmesser bei verschiedenen Gewichten ................................ .................. 40 Bild 4.11: Änderung der Fade nl ä ng e bei verschiedenen Gewichten ....................................... 40 Bild 4.12: Der Kontaktwinkel .................................................................................................. 41 Bild 4.13: Schematische Darstellung de s S teue r elements mit dem Fade nspa nner .................. 42 Bild 4.14: Schematische Darstellung de s S teue r elements mit der Fadeneinrichtung .............. 43 X X Bild 4.15: Schematische Darstellung de s S teue r elements mit der Fadeneinrichtung und dem Fade nsp anner ............................................................................................................................ 44 Bild 4.16: Fadenform des überlasten Fa den ............................................................................ 46 Bild 4.17: Skizze für die Messungsmethode ........................................................................... 47 Bild 4.18: Berec hn ete Fadenlänge pro Reihe mit Steuerungss y stem Fa deneinrichtung und Fade nsp anner (Gestrick 1) ....................................................................................................... 47 Bild 4.19: Berec hn ete Fadenlänge pro Reihe mit Steuerungss y stem Fadeneinrichtung (Gestrick 2) ................................ ............................................................................................... 48 Bild 4.20: Berec hn ete Fadenlänge pro Reihe mit Steuerungss y stem Fadenspanner .............. 49 Bild 4.21: Fadenlänge pro Reihe mit verschiede n en Fadenkraftsteuerungssystemen in beiden Bewegungsrichtunge n .............................................................................................................. 50 Bild 4.22 : Fo rm von Gestricke n .............................................................................................. 51 Bild 4.23 : Br eite von Gestrick en ................................................................ ............................. 51 Bild 4.24 : S trickprozess Position 1 .......................................................................................... 52 Bild 4.25: Strickprozess Position 2 ................................................................ .......................... 52 Bild 4.26 : S trickprozess Position 3 .......................................................................................... 53 Bild 4.27: Strickprozess Position 4 ................................................................ .......................... 53 Bild 4.38 : S trickprozess Position 5 .......................................................................................... 53 Bild 4.29: Strickprozess Position 6 ................................................................ .......................... 54 Bild 4.30 : S trickprozess Position 7 .......................................................................................... 54 Bild 4.31: Strickprozess Position 8 ................................................................ .......................... 54 Bild 4.32 : S trickprozess Posit ion 9 ................................................................ .......................... 55 Bild 4.33: Strickprozess Position 10 ................................................................ ........................ 55 Bild 5.1: Stricktechniksimulation in Simpack ......................................................................... 56 Bild 5.2: Simulation der Masche ............................................................................................. 57 Bild 5.3: Di e Punkte der Maschenschleife ............................................................................... 57 Bild 5.4: Kontaktkraftelement in MKS Programm ................................ .................................. 59 Bild 5.5: Die definierten Oberflächen ...................................................................................... 60 Bild 5.6: Die Oberflächenrollen und Moved Marker .............................................................. 61 Bild 5.7: Prinzipbild Fadensimulation ................................ ..................................................... 61 Bild 5.8: Die Kontaktkraft zwischen F ad enstücken ................................................................ 62 Bild 5.9: Die simulierte Nadel ................................................................................................. 63 Bild 5.10: Die Fadensimulation in SIMPACK ........................................................................ 64 Bild 5.11: Der Grund der Fe hlerm eldung ................................................................................ 64 Bild 5.12: Die Rollen, Moved Marker, und de finie rte Obe rflächen ........................................ 65 Bild 5.13: Schlittenpositionen in der Strickmaschine .............................................................. 66 Bild 5.14: Mathematische Be s chreibung für den Schlitten mit =0,5 [m/s] ........................ 68 Bild 5.15: Der Winkel des Schlosses ................................ ....................................................... 69 Bild 5.16: Strickschlossabmessunge n und Nade lb ewegung spf ad ................................ ........... 70 Bild 5.17: Mathematische (MKS) Beschreibung für die Nadel mit 𝜗𝑠 = 0,5 [m/s] ................ 71 Bild 5.18: Die Abmessungen des Fadenführers in linker Bewegungsric htu ng ....................... 72 Bild 5.19: Die Abmessungen des Fadenführer in rechter Bewegungsrichtung ....................... 72 Bild 5.20: Mathematische (MKS) Beschreibung für den Fadenführer bei 𝜗𝑠 = 0,5 [m/s] ...... 73 Bild 5.21: Verschiedene Positionen für Nade l, Strickschloss, Fadenführer und Fade n .......... 74 Bild 5.22 : Das Sim ulatio nsmodell mit einer Feder i m Fa denkraftsteuerun gssy stem .............. 75 Bild 5.23 : S I MP ACK mit einer SIMULI NK Re glung in einem geschlossenen Regelkreis ... 76 Bild 5.24 : Das Sim ulatio nsmodell mit FER i m Fade nkraftsteuerungss y ste m ......................... 77 Bild 5.25 : Darstellung des Ablaufs des Fadeneinrichtungsverfahrens .................................... 77 Bild 5.26 : R eg elkreis für FER (Fournisseur MSF 2) ............................................................... 78 Bild 5.27 : Das Sim ulatio nsmodells mit Fadeneinrichtung und Feder im Fadenkraft- steuerungssystem ................................ ...................................................................................... 79 XI XI Bild 5.28 : Die Posit ione n des Schiebestücks ........................................................................... 80 Bild 5.29 : S che matische 3D-Darstellung des Konzepts .......................................................... 81 Bild 5.30 : S che matische Darstellung des Konzepts ................................................................ 82 Bild 5.31 : S i mulatio nsmode ll mi t Schiebestück ................................ ...................................... 82 Bild 5.32 : Darstellung des Ablaufs für das Verfahren des neuen Konzepts ............................ 83 Bild 5.33: Der Regelkreis für die FER-Bremsen und das Schiebestück ................................. 84 Bild 6.1: Die gemesse n en Fadenkraftwerte für die drei Fadenkraftsteuerungss y stem e für erforderliche n Fa d enkraft 30 [ cN] ............................................................................................ 86 Bild 6.2: Die gemesse n en Fadenkraftwerte für die drei Fadenkraftsteuerungss y stem e für erforderliche n Fa d enkraft 40 [ cN] ............................................................................................ 87 Bild 6.3: Die gemesse n en Fadenkraftwerte für die drei Fadenkraftsteuerungss y stem e für erforderliche n Fa d enkraft 50 [ cN] ............................................................................................ 88 Bild 6.4: Die gemesse n en Fadenkraftwerte für die drei Fadenkraftsteuerungss y stem e für erforderliche n Fa d enkraft 60 [ cN] ............................................................................................ 88 Bild 6.5: Simulationsergebnisse bei gefordertem Kraftwert von 30 [cN] ............................... 89 Bild 6.6: Fadenkraft in der Simulation und in der experimentellen Untersuchung ................. 90 Bild 6.7: Fadensituation ab Position 5, S = 59 [ cm ] bei der Variante FER ............................. 90 Bild 6.8: Simulationsergebnisse bei gefordertem Kraftwert von 40 [cN] ............................... 91 Bild 6.9: Simulationsergebnisse bei gefordertem Kraftwert von 50 [cN ................................ 91 Bild 6.10: Simulationserge bnisse b ei gefordertem Kraftwert von 60 [cN] ............................. 92 Bild 6.11: Validationsverfahren für das Simulationsmodell ................................................... 92 Bild 6.12: Zeitpunkt e der Posit ionen ................................ ....................................................... 94 Bild 6.13: Fadenkraftwerte für die erste Variante und die verifizierte Variante ..................... 97 Bild 6.14: Simulationsschritte bei ruhe ndem Faden ................................................................ 98 Bild 6.15: Simulationsschritte um die Position 8, in der die Masche produziert wird .......... 100 Bild 6.16: Wirkung der Startg es chwindig k eit zwischen Position 1 und 4 ............................ 101 Bild 6.17: Wirkung der Startg es chwindig k eit an der Position 8 ........................................... 102 Bild 6.18: Wirkung der erhöhten Beschleunigung zwischen Position 1 und 4 ..................... 102 Bild 6.19: Wirkung der erhöhten Beschleunigung an der Position 8 .................................... 103 Bild 6.20: Wirkung der Kontaktkraft zwischen Position 1 und 4 .......................................... 103 Bild 6.21: Wirkung der Kontaktkra ft an d er Position 8 ......................................................... 104 Bild 6.22 : S l iding Mean Filter mit X m = X s ............................................................................. 105 Bild 6.23 : S i mulationsergebnisse für den erforderlichen Wert 30[cN] ................................. 105 Bild 6.24 : S i mulationsergebnisse für den erforderlichen Wert 40[cN] ................................. 106 Bild 6.25 : S i mulationsergebnisse für den erforderlichen Wert 50[cN .................................. 107 Bild 6.26 : S i mulationsergebnisse für den erforderlichen Wert 60[cN] ................................. 107 Bild 6.27: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 30 [cN] an der Position 5 ..................................................................................................................... 111 Bild 6.28: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 30 [cN] an der Position 7 ..................................................................................................................... 112 Bild 6.29: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 30 [cN] an der Position 8 ..................................................................................................................... 112 Bild 6.30: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 30 [cN] an der Position 9 ..................................................................................................................... 113 Bild 6.31: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 40 [cN] an der Position 5 ..................................................................................................................... 113 Bild 6.32: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 40 [cN] an der Position 7 ..................................................................................................................... 114 Bild 6.33: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 40 [cN] an der Position 8 ..................................................................................................................... 114 Bild 6.34: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 40 [cN] XII XII an der Position 9 ..................................................................................................................... 115 Bild 6.35: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 50 [cN] an der Position 5 ..................................................................................................................... 115 Bild 6.36: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 50 [cN] an der Position 7 ..................................................................................................................... 116 Bild 6.37: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 50 [cN] an der Position 8 ..................................................................................................................... 116 Bild 6.38: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 50 [cN] an der Position 9 ..................................................................................................................... 117 Bild 6.39: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 60 [cN] an der Position 5 ..................................................................................................................... 117 Bild 6.40: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 60 [cN] an der Position 7 ..................................................................................................................... 118 Bild 6.41: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 60 [cN] an der Position 8 ..................................................................................................................... 118 Bild 6.42: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 60 [cN] an der Position 9 ..................................................................................................................... 119 XIII XIII Form elzei c hen Zeichen Einheit Bedeutung 𝑎 m/s 2 Besc hl eunigung d es Schiebestücks B cm Abstand zwischen der ersten und letzten Nadel, die eine Masche am vorderen Nadelbett erstellen C ash cm Umfang des Dreiecks zwischen F a denführerauge n und Schiebestück C f N/m Federsteifigkeit d a mm Fade ndi cke d en mm Nadeldicke 𝑑𝐿 cm Abstand zwischen der le t zten Nadel und dem Fadenführe r in der linken Schlittenposition E - Fe inheit der Maschine, Nadelzahl pro Inch F cN Fade nk raftwert F 1 cN Fade nk raft vor dem Kontakt am Umleitungspunkt F 2 cN Fade nk raft nach dem Kontakt am Umleitung spun kt FB I cm Fade nl ängenunterschied zwischen zwei Richtungen Fv 1 cm benötigte Fadenlänge ab Position 1 bi s Posit ion 2 Fv 2 cm benötigte Fadenlänge vom Garnfa d en ab Position 1 bis Position 3 Fs cN erforderlicher Fadenkraftwert L cm Abstand des Nadelbetts L B cm normale Federlänge L C cm ga nz e Federlänge L lmf cm Fade nl änge des linken Fußes L mf cm Fade nl änge der Masche L mv cm benötigte Fadenlänge vo m Garnfa d en 𝐹𝑣 1 , der für die g ebildet e Maschenreihe 𝑀 1 nicht verbraucht wird, wenn der Fadenführer sich von der rechten Seite nach der linken Seite bewegt L mkf cm Fade nl änge des Maschenkopfs in der F l achstrickmaschine ℓ 𝑛 cm Lä n ge der Nadel L rmf cm Fade nl änge eines rechten Fußes L sf cm Fade nl änge eines Schenkels L sf f cm Fade nl änge eines Schenkels der Flottungsmasche L sfh cm Fade nl änge eines Schenkels der Henkelmasche ℓ 1 cm Abstand der be s chleunigten/verzögerte n S trickschlossbewegung ℓ 2 cm Abstand der regelmä ßi gen Strickschlossbewegung XIV XIV Zeichen Einheit Bedeutung ℓ 3 cm linker horizontaler Abstand für die Hebe- und Senkbewegung der Nadel ℓ 4 cm linker horizontaler Abstand für die gerade Nadelbewegung ℓ 5 cm horizontaler Abstand für die runde Na d elbewegung ℓ 6 cm rechter horizontaler Abstand für die gerade Nadelbeweg un g ℓ 7 cm rechter horizontaler Abstand für die Hebe- und Senkbewegung der Nadel ℓ 8 cm Abstand zwischen den beiden Fa d enführera u gen. ℓ 9 cm Abstand zwischen dem oberen Fade n führerauge und dem Schiebestück ℓ 10 cm Abstand zwischen dem unteren Fadenführerauge und dem Schiebestück M cm theoretische Fa d enlänge für eine Reihe M 1 cm benötigte Fadenlänge für die Maschenreihe von Position 1 bis Position 2 M 2 cm benötigte Fadenlän g e für die Maschenreihe von Position 2 bis Position 3 N zh - Anzahl an Nadeln, die eine Masc he am hinteren Nade lbett herstellen N zv - An zahl an Nadel, die eine Masche am vorderem Nadelbett herstellen R m Kurvenradius für die r un de Na delb eweg un g 𝜎 - Standardabwe i chung 𝑣 m/s Geschwindigkeit des Schiebstücks 𝑣 0 m/s Startgeschwindig k eit des Schiebstücks 𝑣 s m/s Geschwindigkeit des Schlittens X f cm vertikaler Absta nd z wischen dem Kre ismit telpunkt und der gerade n Beweg un g X ff o cm aktuelle Position des Fadenführers 𝑋 ff o cm/s aktuelle Gesc h windigkeit des Fa d enführers 𝑋 ff o cm/s 2 aktuelle Beschleunigung des Fa d enführers X fs cm Position des letzten Fadenelements im Sy stem O mit Richtung ox zum Zeitpunkt t =0 X gl cm linke Grenze des Fade n führers X gr cm rechte Grenze de s Fa d enführers X m - Bre it e des Fensters, das den Mittelwert für beide Seiten berec hn et X no cm x-Position der Nadel im System O XV XV Zeichen Einheit Bedeutung 𝑋 𝑛𝑜𝑛 cm Position der Nadel in Richtung x im Sy stem On X s - Abstand zwischen den Zentren von zwei folgenden Fenstern, die die Breite X m ha b en. X sf cm Abstand zwischen dem Fadenführer und de m Stric kschloss 𝑋 𝑠𝑜 cm aktuelle x-Position des Strickschloss im System O 𝑋 so cm/s aktuelle Gesc h windigkeit des Strickschloss im S y s tem O 𝑋 so cm/s 2 aktuelle Beschleunigung des Strickschloss im S y st em O Y no cm y -P osition der Nadel im System O 𝑌 𝑛𝑜𝑛 cm y -P osition der Nadel im System On Z ff cm Höhe des zweiten Fade n führerauges 𝑍 𝑖 - Wert einer Einzelmessung 𝑍 𝑚 - Mittelwert Z no cm z-Position der Nadel im System O 𝑍 𝑛 𝑜𝑛 cm Position der Nadel in Richtung z im Sy stem On 𝑍 𝑛𝑜𝑛 cm/s Geschwindigkeit der Nadel im Sy stem On 𝑍 𝑛𝑜𝑛 cm/s 2 Besc hl eunigung d er Nadel im S y stem On α rad Kontaktwinkel 𝛽 grad Winkel der Hebe- und Senkbeweg un g 𝛾 grad Winkel des Schlosses µ - Reibungskoeffizient an den Konta ktpunkten. Abk ürzungen Abkürzung Bedeutung FEM Finite-Elemente-Methode FER Fadeneinrichtung FS Fl achstrickmaschine HTW Hochschule für Technik und Wirtschaft Be rlin MKS Mehrkörpersimulation Einleitung 1 1 Einleitung 1.1 Motivation „ Der Textilm asc hinenbau zählt heute in Deutschland zu de n bedeutenden F achzweigen des Maschinen- und Anla genbaus. Die B ranch e beschäftigte im Jahr 2014 ca. 15.200 Mitarbeiter und produzierte im Jahr 2014 Textilmaschinen und Zubehör im W ert von 3,6 Mrd. € “ [VDM15]. Mit einer Exportquote von 95 % gehört die Branche z u den ex portstärksten Zweigen de s gesamten deutschen Maschinenbaus (Bild 1.1) [VDM15]. Bild 1.1: Langfr ist ige Entwicklung der Produktion [VDM15] Das auf Texti lmaschinen hergestellte Gestric ke kann aus Vliesstof f, gewebten oder ge stri ckten Garnen hergestellt w erde n. J edes Gestrick besitzt besondere ph y sikalis che Eigenschafte n, di e bestimmend für die Endnutzung sind. Textilien können durch Stricken ode r Wirken hergestellt werden. Strickwaren besteh en aus einem Fa d en. B eim Wirken werden die Textilien aus mehr e re n Fäden hergestellt. Diese Textilien werden für Bekleidungen, Heimtextili en oder auch im Bereich Medizintechnik verwendet. B ei den Strickmasc hinen gibt es R und - und Flachstrickmaschinen. Moderne Rundstrickmaschinen können mit ihrer hohen Anzahl an Nadeln bis zu 2000 Maschen pro Sekunde bzw. 120 Meter Gestrick in der Stunde produzieren. Auf Flac hstri ckmasc hinen kann gleic hz eitig gestrickt und konfektioniert werden, so dass für einen völlig nahtlosen P ullover nur rund eine halbe Stunde benötigt wird. Wirkmaschinen können bis z u 8 0 Meter Gewirk i n einer Stunde herste llen [ VDM15]. Die Qualität des mi t Strickmasc hinen hergestellten Gestricks häng t von mehre r en Parametern ab . Einer der wichti gsten Para m eter ist die Fadenkraft im Strickproz ess. Eine plötzliche Kraftä nd erung des Fadens im Strickprozess kann zum Beispiel auftre te n, we nn in einem Muster verschiedene M asche n, wie Henkelmasche, Flottung, normale Masche n oder halb e Einleitung 2 Maschen gestrickt werden. In diesem Fall ändert sich die Fadenlänge 1 von Masche zu Masche. Ein weiterer Grund für eine Kraftreduzierung lie g t im unterschiedlichen Fade nv erbrauch für die beiden Bewegungsric htu nge n des Schlittens. Dies fü hrt zur Bildung verschiedener Kräfte in den Masch en, besonders an der ersten Nadel (Bild1.2 ). Dieses Phänomen zeigt sich nur bei Flac hstri ckmaschinen. Bild 1.2 : Grund für verschiedene Kräfte in den Maschen Eine Kraftänderung im Strickprozess kann zu verschiedenen Auswirkungen auf das Endprodukt führen, wie zum Beispiel zur B ildung e ines Loches, wenn sich Nade l und F aden nicht treffen. Das im folgenden Bild 1.3 dargestellte Muster zeigt ein e weitere Auswirkun g einer Kr aft änderung. Da s Muster wurde mi t der Strickmaschine produziert, welche der TU Berlin für die Versuche i n dieser Arbeit zur Verfügung stand. Bild 1.3: Beispiel für eine Kraftänderung im Produkt An der linken und rechten Seite des Musters wurde kein gerader Abschluss erzeug t, da die tatsächliche Kraft während des Strickprozesses ge ringer als der erforderliche Wert war. Zusä tz lich zu den ge z eig ten Auswirkungen auf das Endprodukt, führt die Kraftre duzierung auch z u einem so gena n nten Fadenverlust, das h eißt, z u einem erhöhten Mehrverbrauch an Fade nm aterial. Der vielverspreche ndste Ansatz zur Vermeidung bz w. Reduktion de r Auswirkungen ist die Kontrolle der Fadenkraft währe nd des S trickproze sses. In dieser Dissertation werden verschiedene Lösunge n von Kontrollmöglichke iten diskuti ert sowie eine neuer Ansatz vorgestellt und untersucht. 1 Die Fa d enlänge b eschreibt den Abstand zwischen zwei Punkte oder Positionen am Faden und wird in dieser Dissertation in [cm] ang egeben. Vor- / Zurüc k - bewegung de s Schlittens unterschiedlicher Fade nv erbrauch für jede Richtung Fade nk raft der ersten Masche ist geringer a ls bei der folge nd en Einleitung 3 1.2 Zielsetzung Ziel dieser Dissertation ist die Erarbeitung einer Methode zur Ve rb esser u ng der Kontrolle der Fade nk raft. Dies kann durch verschiedene Eingriffsmöglichkeiten beziehungsweise Verbesserunge n an verschiedenen Kompon enten der Strickmaschinen erfol gen. Einige Forschungsarbe it en h aben dazu an Änd erungen der Strickschlossk onstruktion gearbeitet, welche di e vertikale Bewe g un g der Na d el steuert, die den Faden trifft, um eine Masche zu bilden [Mag 07] . Andere Forschungsarbeiten haben an der Kontrolle des F ade nve rbrauchs jeder Masche gearbe itet. Aber diese Kontrolle brauc ht ein komplexes S teue rungs y stem, besonders wenn Maschen mit unterschiedli che m Fadenverbrauc h in einem Muster verwendet werden [Ken00]. Aber um das Tre ffen de r Nadel mit dem Fa den sicherzustellen, wird bei Flachstrickmaschinen für die seitlichen Maschen immer eine Feder im Fadenzuführs y stem b enötigt. Diese w eist einen linearen Steifigkeitsverlauf auf und k ann keine konstante Fadenkraft liefern. Des W eitere n gibt es Untersuchungen zur Kontrolle der Fadenkraft mittels der in US7699258B2 vorgestellten Fadeneinrichtung [ Tiz10]. Da jedoch ca. 5 Kontaktpunkte zwischen dem Fade n und der Maschine vorhanden sind und demzufolge an diesen Stellen Reibungskräfte auftreten, ergeben sich v ersc h iedene Kräfte im gesamten Fadensystem . Dadurch ist die Kontrolle der Fadenkraft an der Fadeneinric htun g s chwierig r ea lisierb ar, bzw. nicht ausreichend. In d er vorliegenden Arbeit werden di e drei v ersc hied enen Fadenkraftsteuerungss y stem e simuliert und mit den e xperimentellen Untersuchung en verglichen. Des W eitere n wird ein anderer L ösungsansatz zur Verbesserung der K ontrolle der Fadenkraft aufg ezei g t, mittels einer neuen Sensorposition, mi t dere n Hilfe die Fadenkraft deutlich genauer ermittelt werden kann. Z u r Absicherung der W irkung wird eine d y namische Simula tion mit einem Mehrkörpersy st em (MKS) des F ade ns und der Fadenführung einer S trickmaschine ein g es etzt. Die Verwendung der MKS -Simulation bietet sich in diesem Anwend ung sfall an, da die Interaktione n zwischen den einzelnen Bauteilen (inklusive Faden) während der Erstellun g einer Masche von Interesse sind. Eine Schwierigkeit bei der Modellierung ist das Abbilden der e lastischen Eigenschaften des Fadens. Das verwendete S oftware -Tool zur Abbildung des Mehrkörpersy st ems ist SI MPACK [Sim8904], zum Teil g ekoppelt mit e inem Rege l alg o rithmus im Software t ool MATLAB/S IMULI NK [Mat2007]. Das erstellte Modell wird mit verschiedenen Versuchsanordnungen validiert, um eine hoh e Gena ui gkeit zu erre i chen. 1.3 Glieder u ng Im Folgende n wird ein Überblick über die einzelnen K apitel dieser Arbeit gegebe n. In Kapitel 2 werden die Grundlagen des Strickverfahrens sowie die wichtigen Komponenten der Strickmaschinen beschrieben. Der benötigte Fadenverbrauch jeder Masche und jeder Reihe bei dem Strickverfahren wird untersucht. Das Kapitel 3 befasst sich mit dem Stand der Technik von Fade nkr aftsteuerungss y stem en und von Modellierung sansät zen für den Faden. Das folge nd e Kapitel 4 enthält eine Beschreibung der durchgeführt en experimentellen Untersuchunge n. Danach werden in Kapitel 5 das erstellte Mod ell, die Modellierung von Einleitung 4 wichtige n Strickmaschinenkomponenten und die Simulationen für verschiedene Anwendungen b eschrie b en. Es erfolgt die Vorstellung eines Lösungsansatzes für die in Kapitel 3 beschriebenen Fragestellungen zur Erreichung eine r möglichst konst anten Fade nk raft durch den ge s amten Strickprozess. Die all gemeine Beurteilung der Ergebnisse, die Validierung der S imulationserge bnisse mit den ex perimentellen Untersuchungen befindet sich in Kapitel 6. I m abschließenden Kapitel 7 e rfol g t ein Ausblick auf zukünf tig e Anwendungen und weiterführende Entw icklung smö glichkeiten der neu era rb eiteten K ontr ollmöglichke it . Grundlag en der Stricktechnik 5 2 Grundla gen der Strick techni k In diesem Kapitel werden die Grundlagen der Stricktechnik in Flachstrickmaschinen beschrieben, die Begründ ung für unterschiedliche Fadenlän g en z wische n zwei Maschenreihen in e inem Gestrick erläutert, sowie der U nter schied in der F a denläng e zwischen Maschenreihen und die Fadenlänge für jede Art von Masche rechnerisch ermittelt. Dieser Unterschied wird als Ver lust der Fadenlänge bezeichnet . Dieser Verlust ist der Grund für die Reduzierung der Faden kraft, besonders an der ersten N ade l. Bei ei nem Muster mit verschiedenen Maschen beeinflussen die unterschiedlichen Fadenlängen der Maschen zusätzlich die Fade nk raft. 2.1 Grundlagen der Flachstrickmaschine sowie der Maschenbildung 2.1.1 Komponente n der F lachstri ckmasc hin e Bild 2.1: Schematische Darstellung e iner Strick maschine Die wichti g sten Komponenten eine r Flachstrickmaschine, da rge stellt im Bild 2.1, sind de r Schlitten, die Nad elbetten hinten und vorne, di e Zung enn ade ln, d as Schloss und ein oder mehrere Fadenführer. Die Fadenführer bewegen sich mit dem Schlitten zwischen zwei bestimmten Grenzen. Di e Zungennadeln we rde n in Nadelkanälen, welc he im Nadelbetten sind, auf- und ab bewegt. Die beiden Nadelbette sind in einem W inkel von ca. 90 Grad angeordne t. Die Zungennadeln bestehen aus Nadelkopf, Nadelz ung e, Nadelschaft und Nadelfuß, welcher in der Schlosskurve geführt wird, wenn sich der Schlitten in horiz ontaler Richtung bewegt [Web08 ]. Grundlag en der Stricktechnik 6 2.1.2 Grundlagen der Masche n bildung auf F lachstrick m aschinen Die Maschenbildung auf Flachstrickmaschinen kann in fünf Schritte aufgeteilt werden, dargestellt im Bild 2.2. Bild 2.2: Maschenbildung mit Z un gennadeln in Flachstrickmaschinen [Man07] a. Grundstellung: I n der Grundstellung befinden sich die beiden Nadeln außerhalb des Schlosses in unterer Position (Bild 2.2.a ) [ Web08]. b. F angstellun g: I n der Fangstellung befinden sich die Nade lfüße in der Sch lossführung , welche die Nadeln in dieser und den fol ge nd en Stellungen positioniert. Die Nadeln bewege n sich nach obe n. Die Halbmas che wa ndert in den unte ren B ere ich des Nadelkopfe s und ö ffnet dabei die Na d elzunge n (B i ld 2.2.b) [Web08]. c. Austriebsstellung (Strickstellung): I n der Austriebsstellung sind die Nadeln in der höchsten Position und di e Ha lbmasche befindet sich auf dem Nadelschaft außerhalb des Nade lkopfb ere ichs. Der Fadenführer n ähe rt sich mit dem neuen Faden (Bild 2.2.c) [Web08]. d. F adeneinlegest ellung: In der Fadeneinlegestellung fangen die Nadeln an , sich wieder nach unten zu bewegen, damit die Nadelhaken an den Nadelköpfen den neuen Fade n treffe n. Bei der Ab wärtsbewegung werden die Nadelzungen durch die Halbmasche ge s chlossen (Bild 2.2.d) [Web08]. e. Abschlagstellung: I m letzten Schritt, der Abschlag stellun g , wird der neue Faden durch die Halbmasche gezogen und die N ade ln befinden sich in dieser Ste llung in der untersten Position (Bild 2.2.f) [Web08]. Grundlag en der Stricktechnik 7 2.2 Beschr eibung der Pr oble m stellung bei der Flachstrickmaschine 2.2.1 Verwendete F ade nlänge pro Strickreihe in der F lachstrick m asch ine In der gezeigten Bildfolge Bild 2.3.A bis C bewegt sich der Fadenführer von rechts nach links, um eine Reihe zu stricken. Aus g eh end von der Posit ion 1 mit der Fadenlänge L 1 (von der rechten Seite bis zu m Fadenführer) erreicht der Faden führ e r die linke Seite - Position 2 mit der Fadenlänge L 2 - und bewegt sich anschließend von links nach rechts. Die bis dahin benötigte Fadenlänge, die ab Posit ion 1 bis Position 2 von dem Garn faden für die entstandenen Ma s chen benutzt wird, ist: 𝐹𝑣 1 = 𝑀 1 + ∆𝐿 + 𝑑𝐿 (2.1) 𝐹𝑣 1 : benötigte Fadenlänge ab Position 1 bis Position 2 𝑀 1 : benötigte Fade nl änge für die Masche n reihe von Position 1 bis Position 2 𝑑𝐿 : Abstand zwischen de r l etzten Nadel und dem Fadenführer in linken Position (Bild 2.3.B) ∆𝐿 = 𝐿 2 − 𝐿 1 (2.2) 𝐵 = ( 𝑁 𝑧𝑣 ∗ 2 , 54 )/ 𝐸 (2.3) ∆𝐿 = (𝑑𝐿 + 𝐵 )/ cos 𝛽 (2.4) 𝑁 𝑧𝑣 : Anzahl an Na deln, wel che eine Masche am vorderen Nadelbett machen 𝐸 : Feinheit der Strickmaschine (Nadelzahl per I nch) 𝐵 : Abstand zwischen der ersten und letzten Nadel, die eine Masche am v ordere n Nadelbett erzeugen (in [cm]) 𝛽 : Winkel zwischen U2 und U3 z ur Horizontalen ge m essen (Winkelwert ist nicht konstant, wegen der horizontalen Bewegung für d en Fade n führer) 𝐿 𝑚𝑣 = ∆𝐿 + 𝑑 𝐿 (2.5) 𝐿 𝑚𝑣 : benötigte Fadenlän g e vom Ga rnfaden 𝐹𝑣 1 , die für d ie gebildete Mas chenreihe 𝑀 1 nicht verbra u cht wird, w enn der F ade nfüh re r sich vo n der r echten Seite nach der linken Seite bewegt. Aus der F o rmel 2.1: 𝐹𝑣 1 = 𝑀 1 + 𝐿 𝑚𝑣 (2.6) Wenn sich der S chlitten von links nach rechts bewegt, beginnt sich der Fadenführer von Position 2 bis Position 3 mit dem Faden z u bewegen, damit der F aden die erste Nadel der linken Seite bis zur ersten Nadel der rechten Seite erreicht. Grundlag en der Stricktechnik 8 Bild 2.3: Fadenführerpositionen und Fadenlängen (L 1, L 2 u nd L3) Grundlag en der Stricktechnik 9 An der Position 3 ist die Fadenlänge ab der rechten Maschinenseite bis zum Fadenführer L 3 (Bild 2.3.C), da die Position 3 der Ausgang spositi on 1 entspricht ist L 3 = L 1 . 𝐹𝑣 2 = 𝑀 2 − 𝐿 𝑚𝑣 (2.7) 𝐹𝑣 2 : benötigte Fadenlänge vom Garnfaden ab Position 2 bis Posit ion 3 𝑀 2 : benötigte Fade nl änge für die Masche n reihe von Position 2 bis Position 3 Aufgrund der Fadenlänge 𝐿 𝑚𝑣 (Formel 2.5), die zwischen den Posit ionen 1 und 2 entsteht, ist die Fadenkraft im P rozess zwischen den Positionen 2 und 3 geringer als die Faden kraft im Prozess zwischen den P ositionen 1 und 2. Das be deutet, dass die benöti g te n Fadenlängen von zwei Maschenreihen fol g lich nicht gleic h sind , d as heißt 𝑀 1 ≠ 𝑀 2 2 . Dieser Unterschied wird als Fade n verlust im Gestrick bezeichnet (Bild 2.4). Bild 2.4 : Grund der geringen Qualität im Gestrick Aber die große Reduzierun g der Fade nkraft ergibt sich an de r ersten Nade l we gen der größere n Fa d enlänge (wegen 2 * dL ), wenn sich der Fadenführer ab Position 2 beweg t ( B ild 2.3.B). Dieser Unterschied führt im Gestrick zu keinem geraden Ab schluss, weil die Fade nk raft der ersten Masche geringer a ls bei d er folgenden Maschen ist (Bild 2.4). 2.2.2 Geometrische verwendete Fadenlänge pro Str ickmasche in Flachstrickmaschine Mit der g rößten Kraft änderung an der letzten linken Na del ergibt sich auch eine kleine Kraftä nd erung an jede r gebildeten Masche , wenn sich der Schlitten von der linken zur rechten Seite bewegt. Diese Änderung ist nicht konst a nt, da die Fadenlängen für die einzelnen Maschen nicht gleic h sin d. Die Masche besteht aus einem Kopf , zwei Schenkel n und zwei F üß en [Spe01]. Das he ißt , die Fade nl änge für eine gesamte Masc he kann aus de n einz elnen L ängen für z wei Schenkel, zwei 2 Die Längen 𝑀 1 und 𝑀 2 werd en aus gewe rt et, wenn beide bei gleicher Fadenkraft gemessen werden, w eil jeder Faden e ine e i ge ne Dehnbarkeit hat, die bis zu 600 % der F ad enläng e betrage n k ann [Par00]. Grundlag en der Stricktechnik 10 Füße und den Kopf ermi ttelt werde n, welche von der Feinh eit der Strickmaschine abhängen (Bild 2.5). 𝐿 𝑚𝑘𝑓 = ( 𝑑 𝑓 + 𝑑 𝑛 ) ∙ 𝜋 /2 (2.8) 𝑑 𝑓 : Fadendicke (siehe Bild 2,6) 𝑑 𝑛 : Nadeldicke (si ehe Bild 2,6) Bild 2.5: Die Masche [Spe01] Fade nl änge der Masc h e in der F lachstrickmas chine ( Bild 2.6) [Man07]: 𝐿 𝑚𝑓 = 𝐿 𝑚 𝑘𝑓 + 2 ∙ 𝐿 𝑠𝑓 + 𝐿 𝑟 𝑚𝑓 + 𝐿 𝑙𝑚𝑓 (2.9) 𝐿 𝑚𝑓 : Fa denlänge der M asc he 𝐿 𝑚𝑘𝑓 : Fadenlänge des Kopfs 𝐿 𝑠𝑓 : Fa denlänge eines Schen kels 𝐿 𝑟𝑚𝑓 : Fadenlänge des rechten Fußes 𝐿 𝑙𝑚𝑓 : Fadenlänge des linken Fußes Bild 2.6: Nadelkopf von vorne [Her99] Grundlag en der Stricktechnik 11 Die Flachstrickmaschine kann mehre r e Must er m it verschiedene n M aschenformen herst ellen, die jew eils eine eigene Fade nlän ge für die Füße und die Sch enke l haben. Die Hauptmasche n formen in einem Muster sind: Rechts/Rechts-Ripp-Masche 1x1 Henkelmasc h e Flottung Die drei Hauptmaschenformen unterscheiden sich in der Nadelbewegung, welche durch die Schlossführung vorgegeben wird. Während die Nadel zur Erzeugung ei ner Rechts/Rechts - Ripp-Masche den Auf- u nd Abweg über die komplette Schlosshöhe macht, verf ährt die Nadel bei der Henke lmasche nur über die halbe Schlosshöhe und bei der Flottung wird gar keine Auf- und Abbewegung durchge füh rt. Rechts/Rechts-Ripp Maschen 1 x 1: Bild 2.7: Rechts/Rech ts -Ripp-Maschenware 1 X 1 [spe01] Rechts/Rech ts -Ripp-Masche nware 1x1 ist im Bild 2.7 dargestellt. Ripp -Ma schenwaren werden produziert, we nn die Nadeln, welche sic h hintereinande r in den beiden Nadelbetten befinden, eine Masche erstellen. Der Abstand z wische n zwei Nadeln, welche im gleichen Nadelbett sind, ist 2,54/E. Die Fadenlänge für den linken oder re chten Maschenfuß in [ cm] ist [Man07]: 𝐿 𝑟𝑚𝑓 = 𝐿 𝑙𝑚𝑓 = 2, 54 /2 ∗ 2 ∗ 𝐸 (2.10) Der Henkel: Die Henkelmasche entsteht, wenn der obere Austriebsteil im S chloss nicht benutzt wird (Bild 2.8.a). Die s bedeutet die Na del bewegt sich nicht ganz nach oben und die alte Masche (e rst e Masche im Bild 2.8.b) bleibt im Nadelhaken, um eine neue M asche (zweite Masche im Bild 2.8.b) mit neuem Fa d en zu bilden [Web08]. Grundlag en der Stricktechnik 12 Bild 2.8: Die Bildung der He nkelmas che In der Henkelmasche ka nn man erkennen, dass es zwei Maschen gibt. Die eine Masche in der ersten Strickreihe hat einen längeren Maschensch enke l als die in der zweiten Strickreihe. Das bedeutet [Man07] 𝐿 𝑠𝑓 ℎ = 2 ∙ 𝐿 𝑠𝑓 (2.11) 𝐿 𝑠𝑓 ℎ : Fadenlänge eines Schenkels der Henkelmasche Die zweite Masche in d er zweiten Strickreihe hat keine Füße. Das bedeutet [Man07]: 𝐿 𝑟𝑚𝑓 = 𝐿 𝑙𝑚𝑓 = 0 (2.12) Die F lo ttung: Zur Bildung d er Flottungsmasche wird z usätzlich der unt ere Austriebsteil deaktiviert (Bild 2.9.a). Dies bedeutet die Nade l b ewegt sich gar nicht nach obe n und bildet keine neue Masche, wenn die zweite Strickreihe ge bildet wird (Bild 2.9.b) [Web08]. Bild 2.9: Die Bildung der F lottungsmas che Grundlag en der Stricktechnik 13 Eine Flottungsmasche in der ersten Strickreihe hat eine Maschenschenkel länge mehr als die andere n M asche n [ Man07]: 𝐿 𝑠𝑓𝑓 = 2 ∙ 𝐿 𝑠𝑓 (2.13) 𝐿 𝑠𝑓𝑓 : F adenlänge eines Schenkel der Flottungsmasche Die zweite Masche in d er zweiten Strickreihe hat keine Schenkel. Das bedeutet [Man07] : 𝐿 𝑚𝑓 = 𝐿 𝑟𝑚𝑓 + 𝐿 𝑙𝑚 𝑓 = 2, 45 /𝐸 (2.14) An de n letzten Gleichungen erkennt man, dass je des Maschenmuster eine Fade nlän ge besitzt und jedes Gestrick m ehre re und verschiedene Maschenmuster. D eshalb machen die Forschungsarbe it en über die F adenlänge der Maschen einen große n Anteil im Bereich Stricktechnikentwicklung aus. Ein Problem bei de r Berechnung der Mas che nfadenlän g e ist, dass alle Glei chung en keine bestimm ten Werte er g eben, sondern nur vereinfachende Näherungen sind, weil die Fade nmate rialie n eine große Rolle in diesem Unterschied machen, wie von Benltoufa be sch riebe n wird [B en07]. 2.3 Steuerungssysteme in der Flachstrickmaschine Der Unterschied in den Fadenlängen zwischen den beiden Schlitten -Bewegungsrichtungen ist, wie beschrieben, verantwortlich für d en Fadenverlust. Um den Verl ust zu verringern und damit die Qualität d es Gestricks zu erhöhen, besitzen Flac hstr ickmaschinen ein Steuerungssy stem, w elches mi t einer Anpassung de r Faden kraft, beson ders an der l etzten Nadel, versucht, die Faden kraft über den gesamten Proz ess möglichst konstant zu halten (Bild 2.10). Die m eisten Fade nkra ftsteuerun gssy st eme besitzen eine Feder oder eine elektronische Fade n einrichtung. Im Kapitel 3 wird der Stand der Technik z u diese n Steuerungssystem en mit verschiedenen Konzepten betrachtet. Bild 2.10 : Lösung für die gute Qualität im Gestri ck Im Kapitel 4 werden dann drei aktuelle Steuerungssysteme unter verschiede n en Gesichtspunkten näher betra chtet und ver glic hen. Die F aktoren z ur B ewer tung sind dabe i die Fade nk raftreduzierung an der letzten Nadel, der Fadenve rlust und die Qual ität des Gestrick s. Stand der Techn ik 14 3 Stand de r T echnik Die Regelung der Fa d enkraft an Flachstrickmaschinen ist seit langer Zeit Gegenstand verschiedener Entwicklungen und Forschungsarbeiten. In diesem K apitel wird der Stand der Technik für Fadeneinrichtungen mit Regelungssystemen für die Fadenkra ft und zur Fade nmod ellierung beschriebe n. 3.1 Kontr olle de r F aden kraft mittels Fadeneinrichtung Mit Hilfe der Fadeneinrichtung kann die Fadenkraft kontrolliert werde n. In diesem Kapitel werden verschiedene Ko nzepte der Fadeneinrichtung beschrieben, welche abhängig von der elastischen Fadeneigenschaft eingeteilt werden können in Konzepte mit einem normalen Fade n, Konzepte mit einem elastischen Faden un d Konzepte mit zwei elastischen Fäden pro Fade n führeröse. Der normale F ade n z eichne t sich durch eine geringe Dehnbarkeit aus. Dies bedeutet, dass die F ad enlänge ungefähr konstant bleibt bzw. über den gesamten Strickprozess sich nur geringfügig ändert. Der elastisch e Faden besitzt eine höhere Dehnbarkeit, welche sich durch eine L än ge nänderun g im Strickprozess bemerkbar macht. Bei den Konzepten mit zwei elastischen Fäden besteht die Möglichkeit, dass beide Fäden unterschiedliche Dehnbarkeiten aufweisen. 3.1.1 Konzepte mit e ine m F aden pro F adenf ühr eröse Die meisten F o rschungsarbe it en und Entwicklungen an der Fade n einrichtung sind in der Verga n genheit über den Einsatz des normalen Fadens, der eine gerin g e Elastizität hat, getätigt worden. Dabei wurden v erschiedene Konzepte erarbeitet, welche in den folgenden Unterkapitel n 3.2.1.1 bis 3.2.1.3 beschrieben werden. Das Fadenspeicherdrehscheiben -Prinzip (3.2.1.1) basiert auf einer Drehsch eibe, welche den Faden mit definierter Kraft zwischen d er Garnspule und dem Fadenpfad speichert. Diese s Prinzip wurde in De utschland bei den Firmen Stoll und Memminger-Iro entwi ck el t. Beim Zwei Rollen-Prinzip in US7363101B2 (3 .2.1.2) der japanischen Firma Shima Seike, läuft der Faden z wischen zwei R ollen, welche die Fadenk ra ft kontrollieren [Hir08]. Im Unterkapitel 3.2.1.3 werden anschließend weitere me cha nisch e Konzepte beschrie b en, welche a uß erha lb d er Fadeneinrichtung re alisiert wurden. 3.1.1.1 Fadenspeicher dr ehscheiben-Prinzip Am sogenannten Fadenspeicherdrehscheiben-Prin zip in der Fadeneinrichtung haben mehrer e Forschungsteams Entwicklungen vorgestellt. Die in EP1582614B1 vorgestellte Fadeneinrichtung liefert bei der Entwicklung von Schmodde die exakte Fadenlänge fü r jede Masche im Must er unter Berücksichtigung d er Bewegungsric htun g für d en Fadenführer. Die einzelnen Komponenten der Fade n einrichtung 1 sind im Bild 3.1 dargestellt [Sch05]. Die Fadenspeicherdrehscheibe besteht aus einem Fournisseur 2, welcher eine bestimmte Fade nl änge speichert und einer Einrichtung 3, welche di e erforderliche Fadenlän g e zur Stand der Techn ik 15 Verfügung stellt. Über die Halterung 4 sind Fournisseur 2 und die Einrichtung 3 m iteinander in EP1582614B1 gekoppelt [Sch05]. Bild 3.1: Die s ch ematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung [Sch05] Fade n einrichtung (1) , Fournisseur (2), E inri chtung (3 ), Ha lterun g (4) , Steu ersig n alleitung (5), Steuerungseinheit (6) , D atenleitung (7), Maschinensteuerung seinh eit (8), Fa denspul e (10) , Fade n führer (11), Wicke l körpers (25), Elektromotor ( 31), Arm (32), Öse (3 3), Umlenkpunkte (U1, U2, U3, U4), Faden (100, 100´, 100´´), Muster (12, 12´ , 12 ´´, 12´´´,12´´´´ ) Die Steuereinheit 6, w elche von d er Maschinensteuerungseinheit 8 Befehle bekommt, steuert den Elektromotor 31 an. Dieser k ann über den Ar m 32 die exakte Fadenlänge für jede Nadel bereitstellen. Die I n formationen, welche die Ma sc hinensteuerung seinheit 8 liefe rt, sind: Die Fa d enlänge für jede Masche, welche über die Nadel produziert wird. Bestimmung d er a ktiven Nade l für j ede s N adelbett. Die Geschwindigkeit des Fade n führers und die Bewegungsrichtung. Die Abstände zwischen der F ade nfüh re rb ewegung s g renz e und der G estrickbr eite [Sch05]. Stand der Techn ik 16 Bild 3.2: Der Schnitt längs einer Linie A- A durch die Vorrichtung [Sch05] , Einrichtung (3), Halterung (4) , Wickelkörper (25), ), Arm (32), Öse (33), Pfeilric htun g (40, 50), F ad en (10 0 ´´) Die entsprechende Fadenlänge für eine Masche liegt um den Wickelkör per 25, w elcher mit dem Arm 32 in s ync h roner Bewegung gedreht wird. Der A rm 32 mit der Öse 33 kann sich in Pfeilrichtung 40 oder 50 bewegen, je n ac hdem ob mehr Faden benöti g t wird oder z uvi el Fade n vorhanden ist. In Pfeilrichtung 40 wird die von der Steuereinheit, definierte Fadenlänge vom Wickelkörper 25 abgewickelt, in Pfeilric htun g 50 wird die d efinierte Fa denl äng e auf den Wickelkörper 25 aufgewickelt (siehe Bild 3.2) [Sch05]. Bild 3.3: Die schematische Da rstellun g de r e r findung s g em äße n Vorrichtun g [ Moh07], Steuer- einheit (6, 7, 8), Fadenspule (10), Fade n führer (11), Elektromotor (21), Wicke lkörper (25), Fade n wicklung (26), Wickelar m (32 ), Öse (33), Elektromotor (41), Ritzel (42), Za hnst ange (46), Sensoren (43, 44, 45), Bereiche (A, B, C) Die beschriebene F ad eneinrichtung hat einen Nachteil, welcher zu Abweichungen in der zugeführ t en Fadenlänge bzw. in der Fadenkraft führt. Der Wickelarm 32 kann sich nicht in Stand der Techn ik 17 Vertikalrichtung bewegen, so dass beim Aufwick el n des F ad ens am W ickelkörpe r 25 einzelne Fade nl ängen übereinand er gewickelt werden können. Dies bedeutet, dass der Abstand zwischen der Öse 33 und dem aufg ewickelten Faden nicht konst ant ist, wodurch sich Unterschiede zwischen Soll- und Istwert für die geliefe rt e Fade nlän g e er geben [Moh07]. Die Weiterentwicklung i n EP1739217B1 von Mohr be wirkt, d ass die ge liefe rte Fa d enlänge zur Nadel unabhängig von der aufgewickelten Fadenlänge auf dem Wicke lkörper 25 ist. Der Wickelkörper wird in dre i Bereiche A, B und C eingete ilt (sie he Bild 3.3), wobei der Bereich A immer mit Faden von der Fa denspule 10 bel egt ist. Die Öse 33, welche sich mit dem Ar m 32 dre ht, kann sich in den Bereichen B und C bewegen, so dass sichergestellt wird, das s kein Fade n üb ereinader aufgewicke lt wird [ Moh07]. In den b esc hriebenen Fadeneinrichtungen ist die Bewegung der Fadenlänge, vor der Speicherung, par alle l zur Achse der Fadeneinricht ung. Es gibt jedoch auch and ere Fade n einrichtungen, welche eine F ade nb eweg un g senkrecht zu der Speich erung sachse hab en, wie zum Beispiel von Kuhn und Huss beschrieben [ Kuh89] und [Hus09]. Bild 3.4: Die schematische Da rstellun g de r e r findung s g em äße n Vorrichtun g [ Kuh89], Fade n einrichtung (1) , S peichereinrichtung (4), Fadenöse (11), Fadenöse (14), Dre hpunkt (15 ), bewegliche s El ement (16), Fadenkraftmesser (18), Fadenführerelemente (32, 33, 34, 35) Die in US 4829790 vor gestellte Fadeneinrichtung in B il d 3.4 be steht aus einer drehbaren Speichere inri chtung 4, welche d en F ade n spe ichert und die Flachstrickmaschine mit unterschiedliche n Fade n längen versorgt. Zur Kontrolle der Wickelgeschwindigkeit ist die Speicherdrehsche ibe 4 m it ei nem Motor auf der Rückseite gekoppelt. Der Faden läuft durch mehrere Fadenöse n 10,1 1,14, welche d en Fade np fad be sti mmen (Bild 3.4) [Kuh89]. Die neue I dee in US 4829790 in dieser Fadeneinrichtung ist das bewegliche Element 16, welches sich um den D rehpunkt 15 dr eht und am anderen Ende die F ade n öse 14 besitzt. Das Stand der Techn ik 18 Sensorelement ist mit dem Fade nk raftmesser 18 verbund en, um damit die Faden kraft und die Winkelgeschwindigke it der S peicherdr ehs che ibe 4 zu reguliere n. Die Zone der Fadenreserve ist bei diesem Konz ept durch die Fadenöse 14 (am Ende der Elemente 16 gelegen ) und die Fade n führereleme nt e 32, 33, 34 und 35 begrenzt [Kuh89]. Das Element 16 ist ein Teil de r Kontrolleinheit, welche die Faden kraft außerhalb de r Speicherdrehsche ibe 4 k onstant hält: Ist di e Fadenk raft gerin ger als der erforderliche Wert, so wickelt das Element 16 gegen den Uhrzeigersinn bis zur maximalen Position. Ist die Fadenkraft höher als der e rforderliche Wert, so wickelt da s Element 16 im Uhrzeigersinn. Dabei dr eht sich die Speicherein richtung nicht, bis die Fadenöse 14 am Ende von Element 16 sowie die feststehende Fadenöse 11 die gleiche horizontale Position besitzt [Kuh89] . Die Achsen von Element 16 und von Fadenspeicherdrehscheibe 4 sind ni cht gleich [Kuh89] . Huss hat diese Fadeneinrichtung weitere ntwick elt und die beiden A chsen v ere int. Bild 3.5: Die schematische Da rstellun g de r e r findung s g em äße n Vorrichtun g [ Hus09], Fade nsp eicherdrehscheibe (4), Motor ( 6 ), Regeleinrichtung (11), Fade n führer (21), Ober - fläche (22), Schrittmotor (28), Faden (41), Sensor (43) Die wichtigen Teile in der Fadeneinrichtung bei Huss in US7591153B2 bestehen aus der drehbaren Fadenspeicherdrehscheibe 4, die mit dem Moto r 6 verbunden ist , und eine m Fade n führer 21, der mi t dem Schrittmotor 28 verbunden ist. Mit Hilfe des Sensors 43 wird die Kraft d es F ade n 41 gemessen, der R ege leinrichtung 11 übergeben und damit die beiden Motoren 6 und 28 ange st euert (Bild 3.5) [Hus09]. Die Fadenspeicherdrehscheibe 4 besitzt eine Oberfläche 13 als Fadenspei cher sowi e eine Oberfläche 22 für di e Fadenreserve. Sie k ann sich in den beiden Richtungen 50, 53 um ihre Stand der Techn ik 19 Mittelachse drehe n. Der Fadenführer 21 dreht auch in den beiden Richtung en 51, 51a um die gleic h e Achse und ordnet die Fadenre s erve auf der Oberfläche 22 (Bild 3.6). Erreicht die Fade n kraft einen erforderliche n W ert, so bleibt der Fade nführe r 21 in der vertikalen Position mit der Fadenöse 48. Die Fadenspeicherdrehscheibe 4 dreht mit konstanter Winkelge s chwindigkeit in Richtung 5 0. Ist die Fadenkraft höher als der erforderliche Wert, so beginnt die Fadenspeicher - drehsche ib e 4 in Richtung 53 zu wickeln und d er Faden wird in Richtung 54 z urüc k ge z ogen, bis die Fadenkraft den erforderlichen Wert erreicht hat. Gle ichze itig beginnt der Fadenführer in Richtung 51 zu wickeln, und er ordne t die Fadenreserve auf de r Oberfläche 22 (B il d 3.6 A). Ist die Fadenkraft höher oder gleich dem erforderlichen Wert, so beginnt die Fade nsp eicherdrehscheibe 4 noch mal in Richtung 50 zu wickeln. Gleichze itig wicke lt der Fadenführer in Richtung 51a, bis die Fadenreserve end et (Bild 3.6 B ) [ Hus09]. Bild 3.6: Die schematische Da rstellun g de r Fade n speicherdre hsch eibe [Hus09], Fade nsp eicherdrehscheibe (4), Fade n führer (21), Oberf lä che (22 ), Fade n (41), Fadenöse (48), Bewegungsrichtung (50, 51, 51a, 54) Die neue Entwicklung bei Huss in US7591153B2 bezieht sich auf die Verknüpfung von Fade n reserve und Fade n speiche r auf der Fadenspeicherdrehsc h eibe sowie die Tatsache, dass der Fadenführer unendlich wickeln kann [Hus09]. 3.1.1.2 Zwei-Rollen-Prinzip Die Firma Shima Seike aus J apa n verf olgt einen andere n Ansatz zur Reg el ung der F adenkraft . Beim sogenannten Zwei- Rollen-Prinzip läuf t der Faden z wischen zwei Rollen, welche durch ihre Drehgeschwindig k eit und Drehric htung die Fadenkraft kontrollieren. Wenn die Fade nk raft zunimmt, nimmt auch die Rollengeschwindigke it z u. Stand der Techn ik 20 Bild 3.7: Die schematische Da rstellun g de r e r findung s g em äße n Vorrichtun g fü r zwei Rollen [Hir02], Strickmaschine (11), Ge strick (12), Fadenführe r (13), Fa den (14), Garnzuführ un g (16), Pufferstab (17), A n bindung (18) , Ha uptrol le (20), Rolle (21), Servomotor (22), Antriebsmecha nism us (23), Sensor (27), Reg le r (30, 31) Das P rinzip der vorgestellten Erfindung in US6550285B2 ist in Bild 3.7 darg estellt [Hir02]. Die Garnzuführung 16 (mit dem zwei-Rollen-Prinzip) führt den F ade n 1 4, in Abhängigkeit der Nachfrage in der Strickmaschine 11, wobei der Fadenführer 13 in Breitenrichtung des Gestricks 12 bewegt wird. Mit Hilfe des Ser vomotors 22 wird die Hauptrolle 20 angetrie b en und die zusätzlich über einen Antriebsmechanismus 23 die Rolle 21 mit antreibt [Hir02]. Zwisc h en den Rollen und dem Fadenführer befindet sich ein Pufferstab 17, welcher durch eine Dre hb eweg un g um seine Anbindung 18 d en Faden sp annt. Dabe i kann man zwischen drei Positionen unterscheiden: Ausgangsposition, in welcher sich d er Stab in de r Mittellage befindet und genau die benötigte Fadenlänge am Fade n führer ankommt. Überschussposition, in welcher sich der Puff ers tab vom Fade nführer entfernt, da zu viel Fade n vo rhande n ist und die Fadenkraft zu niedrig ist. Defizitposition, in welche r sich der P uffersta b in Richtung des Fadenführers bew egt, da zu wenig Fa d en ansteht und die Fa den kraft zu hoch ist [ Hir02]. Mittels dem Sensor 27 wird die aktuelle Bewegungsrichtung des P ufferstabs 17 erkannt und den Reglern 30 (Strickregler) beziehungsweise 31 (Re g ler zur Garnzuführung) über g eben. Der Regler 31 steuert ent spreche nd den Servomotor 22 an, um die Drehzahl und Drehrichtung der Rollen 20 und 21 zu kontrollieren und damit die Fadenlänge und Fadenkraft zu beeinflussen [Hir02]. Stand der Techn ik 21 Ein Problem dieses Prinz ips li eg t darin, dass, so bald die Rollen sich entgegen d er no rma len Drehric htun g (a lso zum S panne n des Fadens) be wegen, der Faden zwischen Rollen und Garnabwicklung keine Kraft aufweist und durchhängt. Sobald sich die Roll en wieder normal drehen, be sit zt der Fade n keine konstante Kraft [Mor07]. Deshalb versucht Morita , eine Garnzuführvorrichtung z u entwickeln, welche vor und nach den Rollen immer eine Fade n kraft aufbaut. Bild 3.8: Die schematische Da rstellun g de r e r findung s g em äße n Vorrichtun g fü r zwei Rollen [Mor07], Fadenzuführpfad (7), Regler ( 9), Garnabwicklung (11), Puff e rstab (12), Sensor ( 15), Pufferstabs (17), Servomotor (13, 19, 22), Rollen (20, 21) In Bild 3.8 ist das Prinzip von Morita in US7218988B2 dargestellt. Mit Hilfe eines zweiten Pufferstabs 17, welcher vom Reg ler 9 (Regler zur Garnzuführung) übe r einen S ervomotor 19 bewegt wird, kann die Fadenkraft auch im Zuführpfad zu den Rollen kontrolliert werde n. Stellt sich im Fadenzuführpfad 7 eine Änderung der Fade n kraft ein, so wird dies über den Pufferstab 12 und den Sensor 15 e rka nnt. Die Regelung der Garnzuführung 9 steuert dann den Servomotor 22 und damit die Dr ehgeschwindigkeit und -richtung der Rollen 20 und 21 sowie die Position des Pufferstabs 17 mittels des Se rvomotors 19. D amit kann die Faden kraft zwischen der Garnabwicklung 11 und den R ollen 20, 21 sowie z wische n d en Rollen und dem Fade n führer kontrolliert werden [Mor07]. Ein P roble m dieser Erfindung ist die begrenzte Auslenkun g des Pufferstabs 12. I st der Verdrehwinkel max imal und die Fadenkraft zu gering, kann der P ufferstab nicht weiter ausgelenkt und eine Fa d enkraft damit nicht kontrolliert werden [Hir08]. Hirokazu hat dazu ein e L ösung in US7363101B2 gefunden und eine neue G arnzuführ- vorrichtung bei der Firma Schima Seike entwickelt, Bild 3.9. Stand der Techn ik 22 Bild 3.9: Die schematische Da rstellun g de r e r findung s g em äße n Vorrichtun g fü r zwei Rollen [Hir08], Strickmaschine (6), Rollen (22 ,23), Puff ersta b (14, 26), Data (32) Erreicht der Winkel am Pufferstab 26 einen Maximalwert, so wird der Schlitten der Strickmaschine 6 angehalten. Die beiden Rollen 22 und 23 werden entsprechend verdreht, um die Fa denk ra ft aufzubauen und den Puffersta b 26 zurück in die Ausgangsposition zu beweg en [Hir08]. 3.1.1.3 Mechanische K o nzepte In diesem Unterkapitel werden weitere mechanische Kon zepte zur Kontrolle der Fadenkraft vorgestellt. Schieber hat eine norm ale Fadeneinrichtung in EP024799B1, welche eine Feder b esitzt, weitere ntwick elt und mit einer Steuereinheit versehen. Dies e Entwickl ung ist im folgenden Bild 3.10 darge stellt. Der Faden 2 wird von der Garnspule 1 du rc h die Fadenbremse 3 und die Rückholfedereinheit 5 und 13 über ein Umleitblech 6 zum Fade nführer, welcher sich über das Nadelbett bewegt, geführt [Sch87]. Der I stw ert für die FadenKraft wird durch einen Sensor gemessen, welcher z wische n dem Fade n führer und dem Umleitblech lie g t. Der Istwert de r Faden kraft wird mit dem vorgegebe n en Sollwert verglichen. Über die S teue reinheit 9 kann abhängig vom Soll - Stand der Techn ik 23 Istvergleich entweder die Fadenbremse 3 durch einen S chrittmotor betätigt oder die Fade n rückholfeder 5 durch den Schrittmotor 11 gespannt we rd en (sie h e B i ld 3.10) [Sch87]. Bild 3.10: Die schematische Darstellung d es Ausführung sb eispiels der Vorric htung [Sch87] , Garnspule (1), Faden (2), Fadenbremse (3), Maschenwächter (4), Rückholfedereinheit (5, 13) , Umleitblech (6), Fade nk raftmesser (8), Prozeßregler (9), Schrittmotor (11) Maser hat eine n eue Methode für in EP0768413A1 S trickmasc hine n oder auch andere Textilmaschinen erfunden, um die Fa denk raft zu regeln (Bild 3.11) [Mas96] . Bild 3.11: Die schematische Darstellung d er V o rrichtung [Mas96], Fade ns peichertr ommel (13), Welle (14), Antr ieb szahnrad (16 ), H auptantriebsra d (1 7), Zahnriemen (18), Ösen (28, 41), Nadel (32), Faden (42), Dre h ac hse (44), Hebelarmende (46 ), Ma sse (48), Hebelarm (52), Kontaktpunkte (34, 28, 41) Der Faden läuf t durch z we i Ösen 28 und 41 zu der Nadel 32. Zwischen d en beiden Ö sen kann der Fa den mitt els eines Hebelmechanismus gespannt we rd en. Dazu wird ein He bel mittig um eine Drehachse 44 gelagert und am Ende des Hebels 53 eine Masse 48 befestigt. Nimmt die Fade nk raft im Prozess a b, so sinkt die Kraft am Hebe lend e 46 und der M ec hanismus wird in die Position 49 bewegt. Dadurch wird der Faden zwischen den b eiden Ösen ausgelenkt , bis Stand der Techn ik 24 sich ein Gleichgewicht einstellt. Dur ch das Verschieben der Masse entlang der Hebelachse kann die gewünschte Fadenkraft eingestellt werden [ Mas96]. Der Vorteil dieser Er findung in EP0768413A1 li egt darin, dass bei einer S törung od er einem andere n Grund für eine Maschinenabscha ltun g die Fadenkr aft konst ant bis zum nächsten Einschalten bleibt. Ein weiterer Vorteil ist, dass verschiedene Muster mit wenig Fadenverlust produziert werden können [Mas96]. Eine weitere Erfindung von Maser besitz t statt der Ausgleichmasse 48 eine Feder. Ansonsten kommt das gleiche Prinz ip zur Anwendung [Mas96]. Auch R osario in US7721574B2 hat einen mechanischen Apparat 1 für die Fadenreserve außerha lb d er Fadeneinrichtung 16 erfunden, b ei dem der Faden F von der Garnrolle 14 bis zur Strickmaschine 12 mit einer konstanten Fade n kraft geführt wird, siehe Bild 3.12 [Ros10]. Bild 3.12: Die schematische Darstellung d er V o rrichtungsposition [Ros10], mechanischer Apparat (1), Strickmaschine (12), G a rnrolle (14 ), Fade n einrichtung (16) , Faden (F) Der mec h anische Apparat 1 besteht a us einer Fadenspeicherdrehscheibe 18, die über einen Schrittmotor 22, drehba r um die Ac hse A ang etrieben wird. Die Achse A is t um einen W inke l α (alpha) zum ankommenden Faden g eneigt. I m norma len Betrieb läu ft der Faden üb er die Fade nös e 32 zur unbewegten Fade nsp eicherdre hs cheibe 18, durchläuft die Fadenöse 30 sowie die Passage 28 (ein kleiner Kanal in der Fadenspeicherdrehschei be, unter dem Winkel β (beta) zur Achse A) und wird mi ttels der Fade nös e 34 zur Strickmaschine geführt, Bild 3.13 [Ros10]. Bild 3.13: Die schematische Darstellung d er Fadenspeiche rdrehscheibe [R os10], Fade nsp eicherdrehscheibe (18), Schrittmotor (22), Passage (28), Fadenöse (30, 32, 34), Achse (A), Faden (F) Stand der Techn ik 25 Sobald eine S törung vorliegt oder die Faden kraft verändert werden muss, wird die Fade nsp eicherdrehscheibe 18 um die geneigte Achse A gedreht un d die Faden kraft kontrolliert [Ros10]. 3.1.2 Konzepte mit einem elastischen Faden pro F adenfü hrer öse Häufig verwendete elastomere Garne besitzen eine hohe D ehnbarkeit von bis zu 600% ihrer Grundlänge, deshalb erfordert die Konstanthal tung der Faden kraft ein entsprechendes Fade nli efergerä t [Par00]. I m Verg lei ch zu r Erfindung in US7363101 B2 von [Hir08], wo der Schlitten ang ehalten wird, bis die gewünsc hte Fadenkraft einge stellt ist , darf mit elastischem Garn d er Schlitten nicht an g ehalten werden, um die Gestrickqualität hoc h zu halten. Dabei wird unterschieden in Fadenliefergeräte, welche die Fadenkraft direkt kontrollieren und in Geräte, welche die Fadenlänge und damit indirekt die F aden kraft kontrollieren. 3.1.2.1 Fadenkraft Park hat eine Fadenliefere inrichtun g zur Kontr olle der Faden kraft mit elastischen Faden erfunde n, sieh e Bild 3.14. Als erstes h at Park b ei d ieser Er findung die Fa d eneinrichtung in US06079656 direkt vor d er Maschine ange ordn et, wodurc h der Fadenweg umlenkungsfrei gestaltet ist. Der F aden 2 läuft unge b remst a b der Garnspule 3 bis z um F adenführer durch die Fadenspe i cherdrehscheibe 11 ohne Umlenkpositionen, welche mit di ese r Anordnung vermiede n w erde n [Par00]. Bild 3.14: Die schematische Darstellung d er V o rrichtung [Par00], Fade n einrichtung (1), Garnspule (3), Fadenführer (6), Fadenliefereinrichtung (9) , Fa d enspeicherdrehsche ib e (11) , Sensoren (22, 22’), Regeleinrichtung (24, 29) Zwisc h en der Speicherdrehscheibe 11 und dem Fadenführer 6 werden zwei Sensoren 22 und 22’ verwendet. Die S teuere inheit 29 nimmt d en Mittelwert der beiden S ensorsignale 22 und 22’ als I stwert für die Faden kraft, um die Störeinflüsse durch den el astischen Faden zu minimieren. Über die S teue reinh eit 24 und 29 wird die Gesc hwindi gke it der Fadenspeicher - drehsche ib e 11 reguliert, um den gewünschten Kraftwert einzustellen [Par00]. Stand der Techn ik 26 Der große F ade n führungswinkel an den beiden Sensoren in US06079656, welcher idealer- weise höher als 165 Grad ist, führt zu geringen Kräfte n und unbedeutenden Reibungs - einflüssen, welche sehr wichtig fü r de n el astische n Faden sind [Par00]. Kuhn hat im Vergleich dazu lediglich einen Sensor an der vorgestellten Fa d enspeicher- einrichtung in US4752044 verwendet und den F ade nweg mit mehreren Umleitungspunkte n aufgeba ut [ Kuh88 ]. Bild 3.15 zeigt den zei tlichen Verlauf der Fad enkraft in der Fa denlie fere inrichtun g von [Par00 ] ( І ) im Vergleic h zu [Kuh88] (ІІ) . Bild 3.15: Der zeitliche Verlauf der Fadenkraft bei der Fadenliefereinrichtung [Par00], Fade n führerposition (41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49) 3.1.2.2 Fadenlänge Bild 3.16: Die schematische Darstellung d er V o rrichtung [Min12], Fadenführer ( 4 ), Fade n (5), Garnspule (6), Messeinrichtung (7) , Roll en (8), Gestrick (9), Regeleinrichtung (10, 11, 12, 13, 14, 15) Stand der Techn ik 27 Minami hat bei der Firma S hima Seike eine Regelung umgesetzt, welche von der Fadenlänge abhängig ist. Er hat dabei z wei Rollen verwe nd et, vergleichbar mit den Konzepten von Morita und Hirokazu, welche jedoch die Roll en in Abhäng igkeit der Faden kraft ansteuern, wä h rend Minami die Rollen in Abhäng i g k eit der Fadenlänge regelt. Bild 3.16 zeigt die schematische Darstellung der Vorric ht ung in US8090467B2 von [Min12]. Ein Faden unter Kr aft ändert s eine Länge abhängig von seiner Dehnbarkeit. Aus diesem Grund bekommt die S tri ckmaschine neben allgemeinen Daten wie Muster und G röße auch Informationen über den Faden, wie die Dehnbarkeit, als Ein g angsdaten. In der Strickmaschine wird die Fadenlänge für jede Masche aufgrund des gewünschten Muste rs berechnet und als Sollwert Ls der Regeleinrichtung 13 übergeben. Mit tels der Messeinr ichtung 7 wird im laufenden Betrieb die aktuelle Fadenlänge als I stwert Li gemesse n und dem Komparator 14 zum Vergleich mit de m Soll we rt übergeben. In Abhän g i g keit des Vergleic hs wird die Geschwindigkeit und Drehric htun g de r Rollen 8 angesteuert [Min12] . 3.1.3 Konzepte mit z w ei unterschiedlichen elastischen Fäden pro Fadenführeröse Die Schwierig k eit des Konzepts in EP0936294B 1 besteht darin, wenn zwei Fäden mit unterschiedlicher Elastizität eine Masche an einer Nadel mi t gleicher Kraft, F orm und Größe bilden. Jeder F aden braucht ein Fadenkraftsteuerungss y stem, das mit einander im Regelkreis ge kupp elt werde n muss. Wenn es eine Kra ftän derung bei einem Faden gibt, führt diese Än derung zu schlechten Mascheng ebilden [Sch99]. Bild 3.17: Die schematische Darstellung d er V o rrichtung [Sch99], Nadelbett (10) , F ade n geringerer Elastizität (11), F ad en höhe r er E lastiz ität (12), Spule ( 13, 24), Fadenspa nne r (14), Messeinrichtung (15), Steuere inh eit (17), Da t enleitung (18), Maschinensteuereinheit (19), Steuerleitung (20), F ö rdervorric htun g (21), Motor (22), Förderwalzen (23), S ensor ( 25), Fade n führer (FF), Umlenkrollen (U1 bis U7) Schmid hat die in EP0936294B1 im Bild 3.17 da rge stellt e Fa d ene inrichtun g erfunden, bei der der F ade nfüh re r FF zwei ver schiedene Fäden zugeführt bekommt: einen Faden 11 mi t geringer Elastizit ät und einen Faden 12 mit hoher Elastizität. Der Faden 11 wi rd von Spule 1 3 bis FF über d en Fadenspanner 14 und die Messeinrichtung 15 und insge samt sieben Umlenkrollen (U1 bis U7) geführt [Sch99]. Stand der Techn ik 28 Die Messeinrichtung 15 in EP0936294B1 misst d ie für die M asche benötigte F ade nlän ge und übermittelt den Wert an die Steuereinheit 17. Diese steuert de n Elektromotor 22, we lch er zwe i Förderwalzen 23 mit gleichem Durchmesser antreibt. Auf d en b eiden Förderwalzen 23 liegt die Spule 24, welche den Fade n 12 dem FF ohne Umlenkrollen z uführt. Wird über den Sensor 15 eine Ände run g in der Fade nlän ge erkannt, so ändert sich die Gesc h windigke it des Motors 22, damit die beiden Fadenlängen, welche eine Masche bilden, gleic h sind [Sch99]. Bild 3.18: Die schematische Darstellung d er V o rrichtungsposition [Bra99], Fa deneinrichtun g (2), Fadenführer (11), Faden (15, 18) In Bild 3.18 ist die Entw icklung von B r ac h in US5931023 dargestellt, welche zwei Fäden mit verschiedenen Elastizität en 15, 18 verarbeiten kann. Er hat eine separate Fadeneinrichtung 2 für den Faden 18 benutzt, welche direkt vor der S trickmasc hine gelegen ist. I m Fadenweg von Fade n 18 ist z wischen Fadeneinrichtung 2 und Einga n g d er Strickmaschine ein Puffersta b, mi t dessen Hilfe die F ade n kraft kontrolli ert werden kann. I m Fadenführer 11 werden die beiden Fäde n 15 und 18 fusioniert [Bra99]. 3.2 Strickschlossdesign Auch mit Hilfe des Stricksc hloss es kann eine gewünschte Fadenk ra ft, mittels Kontrolle der Fade nl änge, e in gestellt werde n und damit dann auch die gewünschte Maschenlänge. Komura in US7113844B2 hat bei der Firma Shi ma Seike am Strickschlossdesign gearbeitet, um die Fa denk raft zu kontrolliere n. Er hat da z u ve rstellbare Kanalführungen (Schlösser) entworfe n, welche in Abhängigkeit der aktuellen Fade nl änge im Vergleich zur ge wüns chten Fade nl änge mehr oder weniger Faden durchlasse n [Kom06]. 3.3 Stand der T echnik de r Si mulation und T extilmodellierung Die Sim ulation des d y namischen Textilmaschine nverhaltens ist nicht einfach, da die starren Maschinenteile und die elastischen Fadeneige ns chaften beherrscht werden müssen [New07]. Stand der Techn ik 29 Zum Beispiel hat Jeong nur die Strickmaschinenteile als starre Körper im Mehrkörper- simulationsprogramm ADAMS simuliert, jedoch ohne d en Faden. K ontakte z wischen bewegliche n Kompone nten wurden dabei m it Kra ftel emente n, d.h. Feder - Dämpfer- Elementen abge bildet [ Jeo03]. Im folgenden Abschnitt 5.2 soll der Frage nach gega n g en werden, wie ei n elastischer Fade n mit seinen Eige nschaften im Mehrkörpersimulationsprog ramm S I MPACK simuliert werden kann, während zum Beis piel bei Hippmann [Hip04] und Wielage [W ie09] die Simulation de s Fade ns und des tex tilen FlächenG estricks r ein mit FEM-Programmen (ANSYS bz w. ABAQUS) durchgeführt wird. Es g ibt im M ehrkörpersimulationsprogramm S I M PACK zwei unter schiedl iche Mö g lichkeiten elastische Körper einzubinden. Dies ist zum Einen das Modul SIMBEAM, welches den Aufbau von elastischen Körpern bestehend aus Balkenelementen, und zwar möglichst geraden und unverzwei g ten Elementen, ermö g licht und zum Ande ren die Möglichkeit aus den gä n gigsten FEM- Programmen (z .B . ABAQUS, ANSYS, PERMAS , NASTRAN, …) kondensierte und reduzierte Modelle einzubinden. In be id en Va ri anten muss in der aktuellen SIMPACK-Version ein Prozess (FEMBS) durchlaufen werden, um aus dem Modell einen elastischen Kö rper für SI MP ACK z u generieren. FEMBS erlaubt d em Benutzer weitere Einstellungen und Definitionen für den elastischen Kör per auszuwählen, wie zum Beispiel die Auswahl der berücksic htigten Eigenmoden oder auch modale Dämpfungen einzustellen [Hip04]. Für die Modellierung de s Fadens und der Fadenbeweg un g sind verschiedene mathematische Besc h reibungen s eit mehr als 50 J ahre n ver öffentlicht, aber eine genaue Beschreibung der Maschenge om etrie blieb dabei immer eine offene F rag e für Forschun g u nd Entwicklung en . Außerdem werde n dab ei viele verschiedene Annahmen bei der Fadenmodellbildung ge tro ffe n, wie zum Beispiel bei den FEM-Berechnungen von K y osev [K y o11] : 1. der Faden wir d als zylinderisc her Körper mit g leichmäßigen Querschnitten simuliert. 2. die Fäden untersc hi edlicher Feinheit besitzen unterschiedliche Durc hm esser; 3. die Reibung zwischen den Fäden wird ignoriert. 4. die Orientierung d er Fäden wird idealisiert [K y o1 1]. Auch im Artikel von Beitelschmidt wurden Annahmen erwähnt, um den Fade n in e ine r Webmaschine zu simuliere n: Trägheitseffe kte in F adeneinric htun g werden bei dem verwendeten lo ngitudinale n Fade nmod ell berücksichtigt. Die Fadenkraft zwischen z wei Fadenführungselement en wird bei jeder freien Fade nstr ecke als konstant angenommen. Die gesamten Querkräfte werden für die Fäden ignoriert und bei verschwindender Fade nz ugkraft wird das Phänomen des temporären Fadendurchhangs mit einem speziellen Modellansatz berücksichtigt. Das Gewicht der Fäde n wird ig nori ert [Bei08]. Stand der Techn ik 30 Niazkhani hat auch e ini ge Annahmen zur Modellierung des Fadens angestellt: Eine Faden-Verlängerung während des Abzugs ist vernachlässigbar. Der Fade n -Querschnitt währe nd des Abzugs ist konstant [Nia12]. Pusch hat andere Annahmen gemacht, besonders für die Fadeneigenschaften: Eine Faden-Verlängerung während des Abzugs ist nicht vernachlässigbar. Die Fade nmass e darf nicht ignoriert werden, weil die mathematische Prozess - modellierung von d er Änderung de r Fa d enmasse abhängt [Pus00]. Die Untersuchung – bei Kowalski - der dynamischen Eigenschaften de s Fadens und der Fasern zeigt, dass der Faden als Körper mit viskoelastischen Ei g enschaft en berücksichti g t werden muss. Das F ade n verha lten bei D ehnung, d y namischen Kräfte n, un ter Kraft und beim Krieche n k ann mittels eines Zene r Mod ell darge st ellt werde n ( B il d 3.19) [Kow10]. Bild 3.19: Three-eleme nt Ze n er mode l [Kow10] Das Zener-Modell besteht aus zwei parallelen Zweigen. Der erste Zweig repräsentiert die elastischen Ei g enschaften. Diese Ei ge ns chafte n werde n durch den Koe ffizienten de r relativen Dehnungssteifigkeit C in cN angeg eben. Der zweite Z weig repräsentiert die vi skoelastischen Eigenschafte n. Diese werden charakterisiert durch einen Koeffizienten für die Dehnungssteifigkeit C1 in cN und einem Viskositätskoeffizient in cN [Kow10 ]. In anderen Forschungsarbeiten erfolgt die Beschreibungen de r Maschenform durch mathematische B e re chnu ng en, wie zum Beispiel bei Kononovaa [Kon10], Be nltouf a [ Ben07] und Mikolajczy k [ Mik09]. 3.4 Zusamme n fassung In diesem Kapitel wurden versc hied ene Konzepte der F ade nein richtung beschri eben, die bei maschinell an g etriebenen Strickmaschinen verwendet werden, um ein e k onstante Faden kraft durch den ganzen Prozess z u bilden. Die meisten Fade nk raftsteuerungssysteme funktionieren entweder dur ch die Kontrolle des Fade nverb rauc hs jeder Mas che wie bei Mohr in EP1739217B1 [Moh07] oder dur ch die Kontroll e der Fadenkraftänderung wie bei Huss in US7591153B2 [Hus09]. Die Fadenkraftsteuerungss y stem e, die d as Konzept des Fadenverbrauchs für jede Mas che verwenden, benötigen einen komple x en Steuerungskreisentwurf, um die nötigen Eingang sp arameter wi e Muster, Geschwindigkeit des Fadenführers, Bewegungsrichtung, Fade nd ehnbarkeit, aktive Nadelpositionen etc. z u berücksichtige n [Sch05]. Außerdem ergibt Stand der Techn ik 31 die Berechnung de r Maschenfadenlänge kei nen bestimm ten W ert, sondern nur eine vereinfachte Näherung [Ben07]. Im zweiten Konzept wird die Fadenkraftmessung durc h verschiedene m echanische Konzepte mit der Fadenkraftänderung ab gestimmt. Der Sensor ist in FER integrieret und es gibt ca . 5 Kontaktpunkte zwischen de m Faden und der Ma schine. D as heißt, de r Sensor kann keinen richtige n aktuellen Kraftwert messe n. Die Wirkung der Fadeneinrichtung wird durch die Reibungskräfte im gesamten Fadens y stem reduziert. Außerde m bil det der Sensor auch einen Kontaktpunkt zwischen dem Faden und dem Sensorele ment, welcher noch mehr Reibungskraft verursac ht . Zur L ösun g dieses Problems wird die F adenein richtung sposition in US5931023 bzw. der Sensor nah vom Fadenführer außerhalb der Maschine mit zwei Konta ktpunkten im gesamte n Fade ns ystem platz iert [ Bra 99]. Die Winkel zwischen den Fäden, die an beiden Seiten vom Kontaktpunkt mit dem Sensore lement sind, betragen ca. 175° , so dass die Reibungskraft an dieser Position so weit wie möglich reduziert w ird. Wenn der Faden ein e hohe Dehnbarkeit hat, führt diese Fadeneinrichtung zu einem wei teren Problem in US06 079656. Der Faden schwingt aufgrund des großen Abstands zwischen dem Sensorkontaktpunkt und dem nächsten Kontaktpunkt des Fa d enführers [Par00]. Andererseits wird eine Feder im Fadenzuführsystem benötigt. Dies e hält d en Faden gespannt, so dass die Nadel mit dem Faden bei reduzierter Faden kraft auf den Faden trifft und die Masche bildet [Sch87] . Der Nachteil dieses S y s tems ist, dass die Feder einen linearen Steifigkeitsverla u f aufweist und keine konstante Fadenkraft verursachen kann. In dieser Arbeit (siehe Kapitel 5) wird ein neues Konzept beschrie b en, welche s keine Feder zur Verbesserung der Kontrolle der Fadenkraft verwendet. In diesem Konzept wird der Sensor so positioniert, dass d er Faden nur einen Kontaktp unkt auf d em Weg zwischen d em Sensor und der Nadel hat und somit die Fadenkraft deutl ich genauer ermittelt werden kann. Der Reglungskreis dieses S y s tems braucht nur die Faden kraft als Eingangsparameter. Dies vereinfacht die RegeRegelkreislung im Vergleich z u dem Konzept, welches auf das Prinzip der bestimmten Mas che n fade nlän ge funktioniert. Dieses neue Konzept wird durch das MKS Simpack Simulation simuliert. Eine Simulation ist das Nachbilden eines realen S ystems (zum Beispiel mi t einem dyna misch en Prozess) in einem experimentierfähigen Modell, um zu Erkenntnissen zu ge l angen, welche auf die Wirklichkeit übertragbar sind. Die gängigsten Simulationsmethoden sind dabei die Finite Elemente Methode (FEM) und die Mehrkö rpersimulation (MKS) [L ip01] . Die FEM wird häu fig zur Identifika tion von Schwachstellen im K onstruktionsprozes s verwendet. Dabe i werd en die zu unter suchenden S y steme mit vielen, kleinen Elemente n (häufig über 100.000 Stück) sowie d ere n ph y sik alische n W erkstoffeigenschafte n abgebildet. Diese Methode hat Vorteile, da F o rmvaria nten schne ll und günsti g durch g eführt werden können, um verschiedene L ösun g svarianten zu anal y sieren. Di e Modelle werde n g rößtenteils Stand der Techn ik 32 mit unabhängigen Ortsva riablen und ohne Zeitabhäng i gkeit berechnet, so d ass meist statische Problemstellung und selten dy namische Verhältnisse untersucht werden [We y 13]. In dieser Dissertation wird das dy n amische Verhalten des Fadenführers un tersucht bzw. die Fade nk raftänderung, welche als externe Kraft am Faden wirkt, so dass sich hier die FEM nicht anbiete t. Mit Hilfe der MKS kann das Mode ll aus mehrere n Körpern bestehend, welche mit versc hiedenen Kraftelementen und Gelenken miteinander verbunde n sind, untersucht werden. Mit diese r Simulationsmethode können die elastische n Eigenschaften im Modell simuliert werden, sodass keine zusätzli che L izenz oder Kupplung mit einem anderen Simulationsprogramm n ötig ist . Im Kapitel 5 wi rd diese Simulationsmethode mit Annahmen beschrieben. Experimentell e Untersuchu ng 33 4 Experim entelle Unt ers uch ung In diesem K apitel erfolgt eine Beschreibung der experimentellen Untersuchungen dies er Arbeit. Die Untersuchunge n wurden an einer Handstrickmaschine du rchge führt, welche zum Stricklabor der Hochschule für Te chnik und Wirtschaft (HTW) Berlin, Institut Bekleidungstechnik, gehört. Kapitel 3 S tand der Technik li efe rt eine Beschreibung für die L ösung zur Rege lung der Fade nk raftänderung bei maschinell ang etrieb enen Strickmasc hinen. Der Anwendungsvorteil der Handstrickmaschin e ist , dass die Ergebnisse, die von de n experimentellen Untersuchunge n kommen, deutlich die P robleme zeig en, welche im Kapitel 2 Grundlag en de r Stricktechnik beschriebe n wurden. Dies sind zu m Beispiel Probleme wie unterschiedliche Kräfte zwischen den Umlenkpunkten, die aufgrund der hohen Reibung an den Umlenkpunkten entstehen. Die Untersuchungen in dieser Arbeit befassen sich mit drei Gestricken, welche mit dre i verschiedenen Steuerungss y stem en produziert wurden. Die drei Gestricke habe n die gleichen Eigenschafte n und b esitzen die g l eiche n Parameter und das g lei che F adenmaterial aus Acr y l. Bei den Gestricken handelt es sich um R ec hts/R ec hts - Ripp mit Maschen 1x1, siehe Bild 2.7 . Insgesamt 49 Na d eln am vordere n Nadelbett und 48 Na de ln am hinteren Nade lb ett waren an der Produktion des Gestricks beteiligt. Die drei Steuerung ss ysteme haben: 1. eine Feder. 2. eine Fadene inri chtung . 3. eine Fadene inri chtung mi t einer Feder. Bei den Versuchen w ird der Unterschied d er Fadenlän ge z wischen zwei folgenden Maschenreihen in einem Gestrick erl äuter t und b erec hn et. Dieser Unt erschied ist der Grund für Änderungen in der Fadenkraft, hauptsächlich a n der ersten Nadel. Die Fadenkraftänderung wird an de r ersten Na d el gemessen, um das simulierte Modell zu va lidieren, welche im Kapitel 6 Ergebnisse und Diskussion beschrieben wurden. Ein anderer Vorteil der Handstri ckmaschine ist , dass die Fadenkräfte durch den Maschenprozess einf ac h ge m essen we rde n und so die verschiedenen Messungen besser nachvollzoge n w erd en können. 4.1 Zugspannungsmesser Für die experimentellen Untersuchungen konnte ein Zugspannun g smesser ZED von der F irma Schmidt verwendet werden. Experimentell e Untersuchu ng 34 Bild 4.1: Zugspannungsmesser ZED-200 [Sch14] Das Mess g erät Z ED-200 , in Bild 4.1 dar g estellt, hat einen Messbereich von 1 bis 200 [cN]. Für die Messun g werden insgesa mt drei Rollen ve rwe ndet. Die erste und dritte Rolle bewegen sich parallel nach vorn e, wenn der Drücker betätigt wi rd. Schnappen die R ollen bei losgelassenem Drücker i n ihre Aus gangsposition zurück, so drückt der Faden auf die zweite (mittlere) Rolle, welche mit einem Sen sor gekoppelt ist. Der Kraft wert kann anschlie ßend am Monitor abgelesen werden. Die Ge naui g k eit lieg t bei ±1% [Sch14]. 4.2 HTW Flachstrickmaschine Bild 4.2: HTW Flachstrickmaschine Die Flachstrickmaschine besteht aus dre i beweg l iche n Hauptteilen und einem Nadelbett als einem festen T eil. Die Flachstrickmaschine hat ein Steuerungss y st em zur Kontrolle der Fade nk raft. Das Bild 4.2 zeigt die HTW Flac hstri ckmaschine. Experimentell e Untersuchu ng 35 4.2.1 Nadelbett Bild 4.3 zeigt das Nad elbett. Die Handstrickmas chine besitz t ein Feinheitsnadelbett E5 (das heißt, es g ibt 5 Nadeln p ro I nch) und der Winkel zwischen dem hint ere n und dem vorderen Nadelbett beträgt 100°. Bild 4.3: Das Nadelbett mit Nadeln und F ad enführer 4.2.2 Fadenführer In d er verwendeten Ha ndstrickmaschine sind vier sich einz eln bewegende Fadenführer verbaut, w ähre nd in m oderne n Mas chinen nor malerw eise acht oder mehr Fadenführer verwendet werden. Der F adenführer bewe g t sich zwischen zwei Gre nz en (Bild 4.3), die so bestimmt werden, dass sich die Öse d es F ade nfüh re rs in der Nähe der ersten Nadel von rechts und der letzten Nade l vo n links befindet. 4.2.3 Nadel Neben den Fadenführern sind die N adeln die wichtigsten b eweglichen Komponenten einer Strickmaschine. Das Bild 4.4 zeigt die Nadel n, die in der Ha ndstric kmasc hine benutz t werden: e in e Nadel mit langem Fuß und eine mit kürzerem F uß. Wenn verschiedene Mus ter mit verschiede nen M aschen (wie die Henk elmasche Bild 2.8 , die Flottung B ild 2.9 ode r die b eides) produziert werden, arbeiten die beiden Nade ln. Die kurzen und langen Nadelfüße werde n von dem S tricksc hl oss gesteuert (siehe nächsten Abschnitt). Experimentell e Untersuchu ng 36 Bild 4.4: Die Nadeln 4.2.4 Schlitten Der Schlitten ist der dritte sich bewe g ende Hau ptteil einer Strickmas chine. Er bewegt sich horizontal mi t dem Schloss, das aus mehreren bew eg lichen Elemente n (Bild 4.5 A -G) besteht, die zusammen eine Kanalführung darstellen, damit si ch die N adeln vertikal bewegen können. Bild 4.5: Der Schlitten der Handflachstrickmaschine Das Bild 4.5 zeigt die Vorder- und Rückseite des Schlittens. An der Vorderse ite (rechtes Bild) erkennt man vier Hebe l 1 bis 4, welche mit den auf der Rückseite (linkes Bild) positionierten bewegliche n Elementen A, B, C und D verbund en sind. J ede r Hebel kann drei unterschiedliche P ositionen einnehmen: Erste Position: Der Hebel ist unten. Alle Nadeln arbeiten und bilden eine Masche. Zweite Position: Der Hebel befindet sich in der Mitte. Nur die Nadeln mit einem la ngen Fuß arbeiten und bilden eine M asche. Die anderen Na d eln arbeiten nicht und machen e in e halbe oder gar keine Masche (sehen Bild 2.8 und Bild 2.9). Dritte Position: Der Hebel ist oben. Keine N ad el arbeitet. Experimentell e Untersuchu ng 37 An der Vorderseite ist z u sätzlich ein Drehknopf erkennbar, d er die beweglichen Elementen E und F auf der Rückseite kontrolliert. Mit den Elementen E und F wird die Schenkellänge d er Maschen ( L sf ) e in ge stellt . 4.2.5 Kraftste ue relement Die Fadenkr aft wird in dieser Strickmaschine v om Fade nsp anner geste uert, der mi t einer Feder gekoppelt wird, damit der Fa den imme r e in e Grundkraft besitzt. Bild 4.6: Position des Federste uerelements Die Feder in Bild 4.6 kann mittels eines weitere n Dre hknopfs verlängert oder verkürzt werden und damit kann die Fadenkraft eingestellt werden. Zusätzlich wird über einen weiteren Drehknopf die Bremse verstellt und die F ad enkraft eingestellt. Der Fadenspanner in diesem Aufbau hat drei grundsätzli che Probleme, welche sich auf die Qualität des Gestricks auswirken: 1. Der Fade nsp anner kann sich nur zwische n zwei Positionen bewegen, Bild 4.6 links und rechts. 2. Die Feder kann aufgrund ihrer S teifig keit keine konst ante Faden kraft wegen mehr Fade nl änge erzeugen, wenn die Schlittenbewegungsrichtung geändert wird. 3. Die Fadenkraft z wischen Garnfaden und Bremse hat keinen definierten Wert. Das heißt, dass die Fa d enkraft über den gesamten Prozess keinen konstanten Wert hat. Um die genannten Probleme zu umgehen, wurde die Strickmaschin e im La bo r um eine elektronische Fadeneinrichtung (Fournisseur MSF 2 ) erweitert, welche mit einem Wickelkörper des Faden zuführsystems an Strick- und Wirkmaschinen mit rege lmäßi g en und unregelmäßige n Fadenverbrauch dient. Die gleiche bleibende Fa d enkraft wird am Auslauf mit der neu en entwickelten Magnetbremse ermöglicht, welche stufenlos verstellbar ist [Mem13] . Die Sensoren am S pulenkörper überwachen und errechnen die durchschnittliche Fade n geschwindigkeit, um die Motordrehzahl dem Fadenverbrauch anzupassen [ Mem13]. Experimentell e Untersuchu ng 38 Das Bild 4 .7 z eigt die elektronische Fadeneinrichtung (F ou rnisseur MSF 2) mit ihren wichtige n Einz elteilen. Bild 4.7: Die elektronische F ad ene inrichtun g (Fournisseur MSF 2) 4.3 Eigenschaften des verwendete n Fadens Der verwendete F aden wurde aus A cryl hergestellt. I n EP0047962B1 vorgestellte Acryl- Fasern sind s y nthetische Fasern, die aus einem Pol y mer her g estellt werden. Es gibt verschiedene Herstellungsmethoden für die Acry l -Fasern, die die Herstellung von Fasern erlauben, die g ünstiger und ähnlich de nen von Baumwolle sind. De shalb werden A crylfa s ern in der Textilindustrie viel verwe nd et [Hub85] [Spe03]. Bild 4.8: Form des Fadens ohne Fadenkraft Im fol genden Unterkapi tel werde n die t echnischen Eigenschaften des v erwendeten Fadens und dere n Ermittlung b zw. Messung b eschrieben. Dazu wurd e in einem Messaufbau die Änderung der Fadenlänge und des Fadendurc hmessers bei v ersc hied ene n Fadenkräfte n ermittelt. I n dem Messaufbau wird der Faden an einem Ende fest eingespannt und am freien Ende wird eine Masse befesti g t. In Bild 4.8 ist der Faden ohne Mass e und damit auch ohne Fade nk raft zu erkennen. Zur E rmittlung von Referenzwerten wurd e die Masse 25 [g] verwendet und die dabei ge m essenen Größe n Durchmesser und L änge als Ausgang szustände definiert. Die F ad enläng e wird mittels zweier Markierungen mit e inem Abstand von 10 [ cm ] im Ausgang sz ustand (Masse 25 g) gemessen. Der Fadendurchmesser wird zwischen d en beiden Markie ru ngen an insgesa mt 100 Messstellen g em essen und da nn gemittelt (B ild 4.9.B). Experimentell e Untersuchu ng 39 Bild 4.9: Form des Fadens unter Belastung Bild 4.9.A zeigt den Fa d en unter Kraft. Deutlich zu erke nnen ist , dass sich über die L änge des Fade ns v erschiedene Durchmesser einstellen (G2 bis G5), weshalb d ie Auswertung des Fade ndu rchmesser s über die 100 Messstellen gewählt wurde (G1 ist abstehende Fa serenden , die im Fadendurc hmess er ig noriert werden). Zur Messunge n der Größen wurde für jede verwendete Mass e ein Foto erzeug t und in Auto CAD aus g ewertet. Der Fadendurchmesser d f wird an jeder Messstelle ab n 1 bis n 100 mit AutoCAD Tools gemessen, und Fadendurchmesser werden r elative 10 [ cm] Fadenlänge, die im Foto markiert wird, gerechnet. Für di e Bestimmung des Fa den durchmesse rs wird d er Mittelwert aus 100 Messungen an unterschiedliche n Positionen herangezogen, wie z wischen den Positionen n n1 und n n2 (Bild 4.9.B). Die Standardabweichung für di e Messungsergebnisse dur ch die Gleichung 4.1 ist in der Tabelle 4.1, [Mau12]. 𝜎 = √ 1 𝑛−1 ∑ (𝑍 𝑖 − 𝑍 𝑚 ) 2 𝑛 𝑖 =1 (4.1) 𝜎 : Standardabwe ichun g 𝑍 𝑖 : Einz ehlmessung swert 𝑍 𝑚 : Mittelwert Experimentell e Untersuchu ng 40 Tabelle 4.1: Standardabweichung für di e Messung des Fadendurchmessers Masse [g] 25 35 45 55 60 70 80 Standardabw eichung 0,099 0,109 0,097 0,098 0,105 0,095 0,094 Bild 4.10: Fadendurchmesser be i ve rschiedenen Gewic hten , Kurvenabschnitt 1: lineare Durchmesseränderung, Kurvenabschnitt 2: keine Durchmesseränderung Bild 4.10 zeigt die Messerg ebnisse für den Fadendurchmesser bei insgesamt 8 versc hiedenen Gewichten. Deutlich z u erkennen ist die li nea re Änderung des Durchmessers mit ansteigender Masse bis zu einem Grenz we rt (Kur venabschnitt 1), ab welchem keine weitere Änd erung zu erkenne n ist (Kurvenabschnitt 2). Bild 4.11: Änderung der Fadenlänge bei verschiedenen Gewichten, Kurvenabschnitt 1 : lineare Fade nl ängeä nd erung, Kurvenabschnitt 2: keine Fadenlängeänderung 1,20 1,25 1,30 1,35 1,40 1,45 1,50 1,55 0 20 40 60 80 100 Dur chme sser [m m] Gewicht [g ] Fadendur chm esser Messung d Kurvenabschnitt 1 Kurvenabschnitt 2 0 1 2 3 4 5 0 20 40 60 80 100 Änderung [m m] Ge w icht [ g ] Änderung der F adenlän ge Messung ∆L Kurvenabschnitt 1 Kurvenabschnitt 2 Experimentell e Untersuchu ng 41 Bild 4.11 zeigt die Änd erung der Fadenlänge für die verschiedenen Massen. Auc h hier ist der lineare Anstieg bis z um Grenzwert erkennbar (Kurvenabschnitt 1 ), ab welchem keine weitere Änderung be ob achtet werden kann (Kurvenabschnitt 2). 4.4 Reibung an den Umlenkungspunkten Der Fa d enpfa d in einer S trickmasc hine hat mehrere Umlenkun g spunkte vom Garnfaden bis zu den Nadeln. An jedem dieser Umlenkungspunkte gibt es eine Reibstelle zwischen dem Fade n und dem Führungspunkt (kann entweder ein f est er Punkt oder ein beweglicher Punkt sein). Die auftretenden Reibungen führen zu einer Änderung in de r Fadenkraft z wische n der Fade n einrichtung und der N adel. In modernen Strickmaschinen ist dieser Effekt deutlich reduziert im Vergleic h z u älteren Strickmaschinen. Zur Ermittlung der Reibungskoeffizienten an den Umlenkun g spunkte n wurden in den experimentellen Untersuchungen an der Handstrickmaschine drei verschiedene Faden- kraftsteuerungssy st eme eingesetzt und die untersc hiedlich en Fadenkraftwerte gemessen, Bilder 4.13 bis 4.15. Die Messungen erfol gten in der R uheposition der H andstrickmaschine, der Fadenführer b efindet sich r ec hts und der Faden ist in der Ausgangsposition vor der ersten Bewegung. J ede Messung wird insgesamt z ehn Mal durchgeführt und d ara us der Mittelw ert errechnet. Die Fadenkräfte, wel che auf beiden Seiten des Umlenkungspunktes h errschen, können mit folge nd en mathematischen Gleichunge n b eschrieben werden [Spe01]: 𝐹 2 = 𝐹 1 𝑒 𝛼𝜇 (4.2) µ= 𝑙𝑛 𝐹 2 𝐹 1 𝛼 ⁄ (4.3) 𝐹 1 : Fadenkraft vor dem Kontakt am Umlenkpunkt [cN] 𝐹 2 : Fadenkraft nach dem Kontakt am Umlenkpunkt [cN] α : Kontaktwinkel [rad], Bild 4.12 μ : Reibungskoeff iz ient an den Kontaktpunkten [-] Bild 4.12: Der Kontaktwinkel Experimentell e Untersuchu ng 42 Die Tabelle 4.2 zeigt die Kontaktwink el α u nd die Reibun g skoeffiz ienten μ an jede m Umlenkungspunkt. Der Fadenführer hat zwei Ösen (siehe Bild 4.3), das heißt, zwei Umlenkungspunkte U1 und U2 (siehe Bild 4.2) und auf der re cht en Seite befinde n sich zwei weitere Ösen, das heißt, zwei weitere Umlenkungspunkte U3 und U4. Auch die Feder h at einen Umlenkungspunkt U5 sowie die Fadeneinrichtung (U6). Die Reibbeiwerte bei U3 und U4 sind hoch, weil das Material an de r rechten S eite der Maschine aus Metal besteht, und es sind keine andere Materialien ode r Rollen zur R eduzierung der Reibung bzw. des Widerstands vorhanden. Tabelle 4.2: Reibungskoeffizient und Kontaktwinkel an de n Umlenkun g sp unkten Kraftste u erungselement Umlenkungspunkte α [°] μ Fade n führer U1 50 0,08 U2 80 0,08 rechte Seite U3 80 0,19 U4 45 0,18 Feder U5 160 0,04 Fade n einrichtung U6 180 - 4.4.1 Fadenkraftsteue r ungssystem mit Feder Bild 4.13: Schematische Darstellung de s S teue r elements mit dem Fade nspa nner Das B ild 4.13 zeig t das erste unte rsuchte Fadenk ra ftsteuerun gssy st em. Es wird dabei nur der Fade nsp anner mit der Bre mse b enutzt, wie er bei der Strickmaschine (siehe Bild 4.6) Experimentell e Untersuchu ng 43 standardmäßig verbaut ist. Die Tabelle 4.3 zeigt die ge messen en Fadenkraftwerte zwischen den Umlenkungspunkten an der ruhigen Position und an der ersten beweg l ichen Position. Tabelle 4.3: Die gemessenen Fadenkraftwerte zwischen den Umlenkungspunkten am Fade nk raftsteuerungssystem mit Feder Fadenkraft zwischen Umlenkungspunkte Wert [cN] Wert [cN] Wert [cN] Wert [cN] F1 U1 U2 52 71 87 104 F2 U2 U3 48 65 80 95 F3 U3 U4 37 50 61 73 F4 U4 U5 32 43 53 64 Fade nk raftwerte in der ruhenden Position 30 40 50 60 4.4.2 Fadenkraftsteue r ungssystem mit Fadeneinrichtung Bild 4.14: Schematische Darstellung de s S teue r elements mit der Fa den einrichtung Tabelle 4.4 : Die gemessenen Fadenkraftwerte zwischen den Umlenkun g sp unkten am Fade nk raftsteuerungssystem mit Fadeneinrichtung Fadenkraft zwischen Umlenkungspunkten Wert [cN] Wert [cN] Wert [cN] Wert [cN] F1 U1 U2 50 70 84 100 F2 U2 U3 46 64 77 91 F3 U3 U4 35 49 59 70 F4 U4 U5 31 42 51 61 Fade nk raftwerte in der ruhenden Position 30 40 50 60 Experimentell e Untersuchu ng 44 Das Bild 4.14 z eigt das zweite untersucht e Fadenkraftsteuerungssystem. Es wird lediglic h die an der Strickmasc hin e verbaute Fadeneinrichtung benutzt. Die Bremse befindet sich an der Fade n einrichtung (vergleiche Bild 4.7). 4.4.3 Fadenkraftsteue r ungssystem mit F ad eneinrichtung und Fede r Das Bild 4.15 zeigt das dritte untersuchte F ade n kraftsteuerungssy st em. Zum Einsatz ko mmt eine Fadeneinrichtung mit einem Fadenspanner ohne B r emse, wie er in modernen Strickmaschinen heutzutage verwendet wird. Der Kontaktwinkel am Fadenspanner li egt zwischen 135° und 180°. Bild 4.15: Schematische Darstellung de s Steuerelements mit der Fade n einrichtung und dem Fade nsp anner Tabelle 4.5 : Die gemessenen Fadenkraftwerte zwischen den Umlenkun g sp unkten am Fade nk raftsteuerungssystem mit Fadeneinrichtung und Fadenspanner Fadenkraft Zwischen Umlenkungspunkten Wert [cN] Wert [cN] Wert [cN] Wert [cN] F1 U1 U2 60 80 101 120 F2 U2 U3 55 74 93 109 F3 U3 U4 42 56 71 84 F4 U4 U5 37 49 62 73 F5 U5 U6 31 41 52 61 Fade nk raftwerte in der ruhenden Position 30 40 50 60 Experimentell e Untersuchu ng 45 Es z eig t sich, dass es immer einen Untersc hied zwischen den Fade n kraftwerten in der ruhenden Position und in der ersten bewegten P osition gibt, da der F adenspanner und die Bre mse sofort eine Wirkung auf di e Fa den kraft ha ben, sobald sich das Sy stem zu bewe g en beg innt . Bei diesen Ergebnissen ist die Wirkung des Reibungskoeffizienten zwischen dem Faden und den Umleitungskontaktpunkten in der Strickmaschine deutlich zu bemerke n. Be findet sich der Sensor außerhalb des Gebietes z wische n U1 und U2, wird kein gültiger Wert für die Fade nk raft gemessen. 4.5 Fadenlänge In di esem Abschnitt wird die experimentelle Unte rsuchung der Fadenlänge für jede Maschen - reihe be i ve rsc hied ene n Fadenkraftsteuerungss y st emen besch rie ben. Der Unterschied in der Fade nl änge zwischen benachbarten M asc hen re i hen wird als V erlust berücksichtigt . Das Steuerungssy stem soll te diesen Verlust verkleinern. 4.5.1 Experimentelle Untersuchung für die F a denlängen In diese r Untersuc hun g wird die F adenläge 𝐿 𝑚𝑣 berechnet, die vom Garnfaden benötigt, aber für die gebildete Mas chenreihe ni cht verbraucht wird, wenn der Fadenführer sich von der rechten Seite nach der linken Seite beweg t. In der e x perimentellen Untersuchung wird ein Gestrick 1x1 mit 49x 48 Na deln benötigt. Im Abstand z wischen dem Fadenführer und der l etzte aktiven Nadel von li nker Seite gibt es 2,5 Nadeln, die nicht aktiv sind. Mit Hilfe der Gleichung (2.3): 𝑑𝐿 = 2,5 ∗ 2, 54 𝐸 = 1, 27 [ cm ] E: Feinheit der S trickmaschine = 5 Nach de n Gleichung en (2.3) und (2.4) ist die Fad enlänge ∆𝐿 : 𝐵 = 49 ∗ 2, 54 5 = 24 , 892 [ cm ] ∆𝐿 = (1, 27 + 24 , 892 )/ cos 20 = 27 , 84 [ cm ] Nach de n Gleichung (2.5) ist die Fade nl änge 𝐿 𝑚𝑣 : 𝐿 𝑚𝑣 = 27 , 84 + 1, 27 = 29 , 11 [ cm ] 𝐿 𝑚𝑣 = 29,11 [ cm] 4.5.2 Theoretische Fadenlänge für jede Re ihe Es wurden d rei Gestricke mit drei verschiedenen Kraftsteuerungss y stem en produziert. Alle Gestricke haben die g lei chen Eigenschaften: Experimentell e Untersuchu ng 46 1. Rib 1x1. 2. Alle Hebel 1 bis 4 sin d unten. Das heißt, dass alle Austriebsteile in den beiden Nadelbetten arbeiten. Das bedeut et, dass alle Nadeln, die mit langem F uß oder mit kürzerem Fuß sind, arbeiten, siehe Bild 4.5. 3. 49 Nadeln am vordere n Nadelbett, 48 Nadel am hinteren Nadelbett ( d n = 0.9 [mm]) 4. 70 Reihen (Kurse n ). 5. Die erste Fadenkraft zwischen (U2 und U3) beträgt 40 [cN]. 6. gleic h er Faden ( d f = 1,4 [mm]), Fadendurc hmesser ist abhäng ig von der Kennlinie aus Bild 4.10. Die theoretische Fadenlänge für eine Masche aus den Gleichungen (2.8), (2.10), (2.9) ist: 𝐿 𝑚𝑘𝑓 = (1,4 + 0,9) ∙ 𝜋 2 = 3, 613 [ mm ] 𝐿 𝑟𝑚𝑓 = 𝐿 𝑙𝑚𝑓 = 2, 54 2 ∗ 2 ∗ 𝐸 = 1, 27 [ mm ] 𝐿 𝑠𝑓 = 188 70 = 2, 686 [ mm ] (Gestricklänge 188 [mm] , Anzahl an Reihen 70) 𝐿 𝑚𝑓 = 3, 613 + 2 ∗ 2, 686 + 1, 27 + 1, 27 = 11 , 525 [ mm ] Die Kalkulation der F ad enläng e für eine Mas chenreihe wird in einem Kurs gerechnet. Der Kurs besc hr eibt die komplette Bewegung für das Schloss von re chts nach links oder von links nach rechts. Die theoretische Fadenlän ge für einen Kurs (Reihe) ist: 𝑀 = ( 𝑁 𝑧𝑣 + 𝑁 𝑧 ℎ ) ∗ 𝐿 𝑚𝑓 (4.4) 𝑀 : theoretische Fa denl änge für eine Reihe 𝑁 𝑧𝑣 : Anzahl an Na deln, die e ine Ma sche am vorde rem Nadelbett herstellen 𝑁 𝑧ℎ : Anzahl an Nadeln, die eine Masche am hinteren Nade lb ett herstellen 𝑀 = ( 49 + 48 ) ∗ 11 , 525 = 1117 ,9 [ mm ] = 111 , 8 [ cm ] 4.5.3 Messmethode für die Fadenlänge Bild 4.16: Fadenform des überlastete n Fa dens Experimentell e Untersuchu ng 47 Nach d er Herstellung der drei Gestricke mit den drei verschiedenen Kraftsteuerungss y stem en aber mit gleichen Fadenkraft 40 [cN], die an der Position zwischen U2 und U3 gemessen wird (siehe Bilder 4.13, 4.14, 4.15) , wi rd das Gestrick nochmals gelöst, um die Fadenlänge zu messen, welche eine Ma s chenre ih e bildet. Nach dem Lösen des G estricks befindet sich de r Faden im kraft losen Zustand, wie in Bild 4.16 erkennbar. Hier kann keine korrekte Aussage über die Fade nlän ge erfolge n. Bild 4.17: Skize für die Messungsmethode Aus diesem Grund muss der Faden mit der ric htigen Kraft belastet werden und anschließend die Fadenlänge gemessen werden. Dazu wird d er Faden mi t einer M asse von 80 [g] belastet, was einer Fadenkraft von 40 [cN] entspricht, und die Fadenlänge gemessen, siehe Skizz e in Bild 4.17. 4.5.4 Verlust in der Fadenlänge für jedes Fadenkraftsteuerungssystem Bild 4.18: Berec hn ete Fadenläng e pro Reih e mit Steuerungssystem Fadeneinrichtung und Fade nsp anner (Gestrick 1) 60 80 100 120 140 160 180 0 10 20 30 40 50 60 70 Fadenlänge [c m] Reihe Fadenlänge pr o Reihe (F ER+Fadenspanner) Fadenlänge_re chts_nach_links Fad enlänge_links_nach_re chts Fadenlänge_R echnen Mittelwe rt_rechts_nach_links Mittelwert _l i nks_nach_rechts 25 [cm] Experimentell e Untersuchu ng 48 Das Bild 4.18 zei g t die Fadenlänge für 70 Reihen in einem Gestrick, welche mi t Steuerungssy stem Fadeneinrichtung und Fade nspanne r produziert w urde . Die grünen Messpunkte zeigen die Fade nl ängen für jed e Reihe, welche in Schlitt enbeweg un gsric htun g von rechts nach links für die Maschenbildung benutzt wur de. D ie roten Messpunkte zeigen die Fadenlänge, welch e in Schlittenbewegungsrichtung von links nach rechts benutz t wurde. Die orangen Punkte zeigen den theoretischen Fadenlängenwert (M) für jede Reihe, welcher bei Anwendung von Formel 4.3 berec hn et wurde. Der Unterschied zwischen dem Fadenlängenmittelwert für alle Reihen (die roten Messpunkte) und dem Fadenlängenmittelwert für alle Reihen (die grünen Messpunkte) ist Fm 1 =25 [ cm ] in Bild 4.18 darge stellt . Das Bild 4.19 zeigt die Fadenlängen für d as Gestrick, das mit den g leich en P ara metern wie für das erste Gestric k (Reihenzahl, Nade lz ahl) produzi ert wurde. Das verwendete Fade nk raftsteuerungss y st em ist nur mit Fadeneinrichtung ohne Fadenspanner. Der Unterschied zwischen dem Fadenlängenmittelwert für alle Reihen (die roten Messpunkte) und dem Fadenlängenmittelwert für alle Reihen (die g rün en Messpunkte) ist Fm 2 =28,4 [ cm] im Bild 4.19. Bild 4.19: Berec hn ete Fadenläng e pro Reih e mit Steuerungssystem nur Fadeneinrichtung (Gestrick 2) 60 80 100 120 140 160 180 0 10 20 30 40 50 60 70 Fadenlänge [c m] Reihe Fadenlänge pro Re ih e (FER) Fadenlänge_re chts_nach_links Fad enlänge_links_nach_re chts Fadenlänge_R echnen Mittelwe rt_rechts_nach_links Mittelwert _l i nks_nach_rechts 28 , 4 [cm] Experimentell e Untersuchu ng 49 Bild 4.20: Berec hn ete Fadenlänge pro Reihe mit Steuerungss y stem Fadenspanner (Gestrick 3) Die dritte experimentelle Untersuchung wurde mit einem Ge strick durchgeführt, welches nur mit Fadenspanner im Fadenkraftsteuerungssystem produziert wurde (Bild 4.20). Der Unterschied zwische n d en beiden Mittelwerten ist Fm 3 =35,5 [cm] . Tabelle 4.6 : Fadenlängenunterschied für verschiedene Gestricke Gestrick 1 Gestrick 2 Gestrick 3 Mittelwert (R_n_L) [cm] 114.5 116.4 104.5 Mittelwert (L_n_R) [cm] 139.5 144.8 140 Unterschied Fm [cm ] 25 28.4 35.5 Verlust % 9.85 % 10.87 % 14.51 % Tabelle 4.6 zeigt den Fadenlängenunterschied ( Fm ) zwischen dem Fadenlänge nmitt elwe rt, wenn der S chlitten sich von der rechten Seite zur li nken Seite bewegt und dem Fade nl ängenmittelwert, wenn der Schlitten sich von der linken Seite zur rechten Seite bewegt. Im Idealfall soll ten die beiden Mittelwerte (R _n_L ) und (L_n_R) gleich g roß sein. Der Unterschied zeigt den Fadenverlus t: 𝐹𝑎𝑑𝑒𝑛𝑣𝑒𝑟𝑙𝑢 𝑠𝑡 ( % ) = 𝐹𝑚 𝑀𝑖𝑡𝑡𝑒𝑙𝑤𝑒𝑟𝑡 (𝑅_𝑛 _𝐿)+𝑀𝑖𝑡𝑡𝑒𝑙𝑤𝑒𝑟𝑡 (𝐿_𝑛 _𝑅 ) ∗ 100 (4.5) 60 80 100 120 140 160 180 0 10 20 30 40 50 60 70 Fadenlänge [c m] Reihe Fadenlänge pr o Reihe (F adenspann er ) Fadenlänge_re chts_nach_links Fad enlänge_links_nach_re chts Fadenlänge_R echnen Mittelwe rt_rechts_nach_links Mittelwert _l i nks_nach_rechts 35 , 5 [cm] Experimentell e Untersuchu ng 50 Das Fadenkraftsteuerungss y stem wird dazu benut zt, die Ve rlustfadenlänge möglichst klein z u halten, so dass die gemessene Verlustlä nge die W irksamkeit des Fadenkraft- steuerungssystems aufzeigt. Bild 4.21: Berec hnun g der Fadenlänge pro Reihe mit verschiede nen Fade nk raftsteuerungss y st emen in beiden Bewegungsrichtungen Bild 4.21 zeigt die Verlustfadenläng e für jedes produzierte Gestrick. Di e grüne S äule zeigt den in Abschnitt 4.6 berechneten Fadenlängenunterschied, de r 2 9,1 [cm] beträg t . Das erste Gestrick (F m1 ) mit FER und Spanner herge stellt, erre icht einen Wert von 25 [cm] , so dass die Verlustfa d enlänge 4,1 [cm] geringer ist als für de n be re chn eten Wert. Das z we ite Gestrick (Fm2) he r g est ellt mit FER, erreicht einen vergleic hbare n Wert, d a die Fade n einrichtung nicht arbeitet, wenn die Faden kraft gerin g er als der th eoretische Wert Lm ist. Das dritte Gestrick (Fm3), hergestellt mit Fe der (siehe Bild 4.6), e rreicht eine größere Verlustfade nl änge als Lm. Die Be g ründung hierfür li egt in der verrostet en Bremse, welche bei zu hoher Fadenkraft sich nicht löst, bz w. verspätet löst , und dadurch nicht genug Faden nachgeführt wird. Dieser Unterschied füh rt zu ein er Missbildung i m Gestrick, die in den nächsten Abschnitte n besproche n wird. 4.5.5 Grenzforme n für die untersuchten Gestricke Die erste auftre t ende Fadenkraftänderung entsteht an der ersten linke n Nade l, aufgrund von 2*dL (siehe Bild 2.3.B), so dass auf der linken Seite die F ad enkraftänderung höher ist. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Unterschied Fm [cm ] Fm1 Fm2 Fm3 Lm Experimentell e Untersuchu ng 51 Bild 4.22: Form von Gestricken Das Bild 4.22 z eig t die 3 produzierten Gestricke, deren Auswertun g /Anal yse nun erfolgt. Auf alle Gestricke wird eine y-Achse auf j ede Masche, welche von der Nadel mi t der Nummer 25 am vorderen Nadelbett e rzeug t w urden, gezeichnet, um die B reite d es Gestricks vom rechten und vom linken Rand bis zur Mitt elac hse zu messen Bild 4.23: Breite von Gestricken Die rechten Seiten der Gestrick sind annähernd id entisch, da es an der ersten Na del von rechts keine weitere Fadenlän ge gibt. Die linke Seite zeigt eine größere Ab weichung in der Breite der drei Gestricke, da e s mehr Fade nlän ge an d er ersten Nadel von link s gibt, we g en des unterschiedliche n Fadenlängenunterschieds Fm (siehe Bild 4.23). 4.6 Fadenkraftänderung an der ersten Nadel über den gesamten Pr oze ss In diesem Abschnitt wird die Fade nkr aftänderung an der ersten Nadel in den dre i genannten Kraftsteuerungssystemen (Bild 4.13 bis 4.15) mit verschiede nen Fa d enkraftwerten bei 10 Positionen im Strickprozess geme ssen. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 -20 -10 0 10 20 Reihe N r. Bereit [cm] Seitengr enzen recht Seite (Gewebe3) linke Seite (Gewebe3) rechts Seit e (Gewebe2) linke Seite (Gewebe2) rechte Seite (Gewebe1) linke Seite (Gewebe1) Experimentell e Untersuchu ng 52 Die eingestellten Fadenkraftwerte sind 30, 40, 50 und 60 [cN], gemesse n an der Position F2 (siehe auch Bild 4.15) zwischen der rechten Seite und dem Fa d enführer. Da mit die Wirkung der Schlittenrichtungsänderung erkennbar ist und im Hinblick auf die Komplexität der durchzuführende n Si mulationen, wurde pro Inch lediglich eine Nad el verwendet. I n der ersten Position (siehe Bild 4.24) e ntspricht dL ca. 2,5 Nadeln bz w. ½ I nch. Die Messungen wurd en 10 Mal an jeder Position durchgeführt und dann ein Mittelwert gebilde t, um die Messf ehler möglichst klein zu halten und Standarda bw eichung e rf ass en zu können. Die 10 Positionen im Strickprozess werden im Folge nd en besc h rieben: In den Positionen 1 und 2 ist der Schlitt en weg vom Fadenführer, die Nadel ist an der unteren Position, sowohl Nade l als auch Fade n führer sind in Ruhe. Durch die horizontale Bewegung wandert der Schlitten von Position 1 zu 2 in Ric htung des Fadenführers , Bild 4.24 und Bild 4.25. Bild 4.24: Strickprozess Position 1 Bild 4.25: Strickprozess Position 2 In Position 3 beginnt sich die Nadel nach oben zu bewegen, der Fadenführer ist weiterhin fixiert, Bild 4.26 . I n der folge nd en Posit ion 4 ist die Nadel in der oberen Nadelposition und der Fadenführer ist weiterhin fix, Bild 4.27. Experimentell e Untersuchu ng 53 Bild 4.26: Strickprozess Position 3 Bild 4.27: Strickprozess Position 4 Bild 4.28: Strickprozess Position 5 Experimentell e Untersuchu ng 54 In der Position 5 beginnt sich der Fadenführer zu bewege n, Bild 4.28 . I n der P osition 6 bewegt sich die Nadel w ieder nach unten und d er Fadenführer ist in der gleichen vertikale n Position wie die Nadel (Bild 4.29 ). Bild 4.29: Strickprozess Position 6 Bild 4.30: Strickprozess Position 7 In der Posit ion 7 ist der Fadenführer hinter der Nadel in der Endposition (Bild 4.30) . Die Nadel bewegt sich nach unten. Die Position 8 zeig t den Zustand vor d er ti efen Nadelposition (Bild 4.31). Der Fadenführer bewegt sich nicht. Bild 4.31: Strickprozess Position 8 Experimentell e Untersuchu ng 55 Bild 4.32: Strickprozess Position 9 Bild 4.33: Strickprozess Position 10 In Position 9 ist die Nadel an der tiefen Posit ion ohne Bewegung (Bild 4.32 ), der Fadenführer bewegt sich nicht. In der Position 10 ist die Na del weiterhin in Ruhe und der Schlitten bewegt sich weg von der Nade l (Bild 4.33 ). Damit die Simulationsergebnisse für das Simulationsmodell validieren werden können , werden die Messungsergebnisse im Kapitel 6 beschrieben. Simulation des Stri ckverfah ren 56 5 Sim ula t io n d es Strick v erfahr ens In diesem K apitel werden die er stellten MKS M odelle und die durchgeführten Rechnungen zur Sim ulat ion des Strickve rfahrens beschrieben. Des Weiteren erfolgt di e Vorstellung eines Lösungsa ns atzes für das in Kapitel 3 und 4 beschriebene Problem, das Fadenkraftänderung ist, sowie die modelltechnische Umsetz ung . Diese Fadenkraftänderung ist als äußere Kraft für den Fa den, und MKS kann die äußeren Kräfte besser als andere Simulationsprogremme modellieren. 5.1 MKS Mode ll ier un g der Strickmaschine Um ein möglichst einfaches und schnell re chne n des Simulationsmodell zu bekommen, wird die Strickmaschine aus starren Körp ern aufgebaut. Das Bild 5.1 z eigt die modellierten Strickmaschinenkomponenten mit dem F ad en. Bild 5.1: Stricktechniksimulation in Simpack 1. Schloss mit Kanalführ ung fü r die Nadeln, die i n dem S chlitten sind: Es hat einen horizontalen Freiheitsgrad in Richtung x. 2. Nadelbett: Es ist fixiert. 3. Nadeln: Sie können eine vertikale B eweg un g in R ichtung O nz (s iehe Bild 5 .15) durchführen um eine Masche zu bilden. 4. Rechte Grenze für den Fadenführer: Sie besitzt keinen Freiheitsgrad, aber ih r e Position kann variiert werden. 5. Linke Grenze für den Fadenführer: Sie besitzt kei nen Freiheitsgrad, aber ihre P osition kann variiert werde n. 6. Fade n führer: Er k ann eine horizontale B eweg un g in Richtung x zwischen den be iden Grenzen 4 und 5 durc h führen. 7. Der Fade n: Er ist aus mehrere n sta rre n Körpern aufgeba ut (siehe unten). Simulation des Stri ckverfah ren 57 Das Gesamtmodell besteht a us 63 Kö rpern mit insge s amt 125 Freiheitsgraden. Aufgrund der hohen Anzahl an Kör p ern im Simulationsmodell und de r komplex en Kraftelemente, die im Modell benutzt werden, sind folge nd e Anna hmen g etroffen worden: Es wird nur ein e Masche an de r ersten linken Nadel simuliert, da das P roblem hier schon erke nnb ar ist (siehe Kapitel 4). Dabei handelt es sich um eine neue Masche, die s chon bestehe nde alte Ma sche auf der Nadel wird nicht abgebildet. Bild 5.2: Simulation der Masche Werden neue und alte Masche zusammen modelliert und berechnet, so steigt aufgrund der höheren Anz ahl a n Freiheitsgraden (siehe Bild 5.2 a) und der höheren Anzahl an Kontakt - kraftelementen die Rechenzeit deutlich an. In den nächsten Abschnitten werden die Simulationsmethode und die Maßna hmen bes chrieben. Bild 5.3: Die Punkte der Maschenschleife Simulation des Stri ckverfah ren 58 Um ein besseres Simulationser g ebnis zu beko mmen, wenn nur mit einer neuen Masche gerec hn et wird, muss di e Posit ion für die Masc hensc hleife ermittelt werden. Die Schleife besteht aus drei Punkten: Punkt A: Anfang d er ne u en Masche Punkt B: Kontaktpunkt zwischen Na d el und Masche Punkt C: Ende der Masche Bild 5.3 a zei g t die neue und die alte Mas che , wobei die Punkte A und C i dentisch sind. W ird nur mit der neuen Masche gearbeitet, so sind die beiden P unkte nicht identisch, BC im B ild 5.3.a hat einen kleinen Abstand zu BC im B ild 5.3.b , welcher jedo ch bei der Betrachtung der Strecke BC relativ klein ist und ignoriert we rden kann ( Die S trecke AB ist in beid en Varianten identisch Bild 5.3.a und B ild 5.3.b), d as Bild 5.2.b zeigt nu r die simulierte ne ue Masche. Die folgende Tabelle z eig t eine Auflistung der v erwendeten Paramete r, ihr er gewählten Werte und die physikalisc h e Einheit. Tabelle 5.1: Verwendete Simulationsparameter Par a meter Wert Einheit Erklärung L 125 [c m] Abstand des Nadelbetts ℓ 1 12,5 [c m] Abstand der be s chleunigten/verzögerte n Strickschlossbewegung ℓ 2 100 [c m] Abstand der regelmä ßi gen Strickschlossbewegung 𝑣 𝑠 0, 0 5 [m/s] Geschwindigkeit des Schlittens ℓ 3 2 [c m] horizontaler Abstand für die Hebe- und Senkbewegung der Nadel ℓ 4 0,45 [c m] horizontaler Abstand für die gerade Na d elbeweg u ng ℓ 5 3,4 [c m] horizontaler Abstand für die runde Na d elbewegung ℓ 6 0,45 [c m] horizontaler Abstand für die gerade Na d elbeweg u ng ℓ 7 2 [c m] horizontaler Abstand für die Hebe- und Senkbewegung der Nadel ℓ 𝑛 7,7 [c m] Lä n ge der Nadel R 1,92 [c m] Kurvenradius für die r un de Na delb eweg un g X f 0,85 [c m] vertikale Abstand zwischen dem Kre ism ittelpunkt und der gerade n Be w egung µ 0,08 [-] Reibungskoeffizient an den Konta ktpunkten X gr 57,5 [c m] rechte Grenze de s Fa d enführers X gl 60 [c m] linke Grenze des Fade n führers X sf 1,6 [c m] Abstand zwischen dem Fadenführer und dem Strickschloss Simulation des Stri ckverfah ren 59 Par a meter Wert Einheit Erklärung Z ff 5,65 [c m] Höhe des zweiten Fade n führerauges X fs 61,3 [c m] Position des letzten Fadenelements im Sy stem O mit Richtung ox zum Zeitpunkt t =0 C f 20 [N/m] Federsteifigkeit L B 2 [c m] normale Federlänge L C 5 [c m] ga nz e Federlänge Fs 30/40/50 /60 [cN] erforderlicher Fadenkraftwert 𝛽 50 [Grad] Winkel der Hebe- und Senkbeweg un g 𝛾 40 [Grad] Winkel des Schlosses Xno 58,69 [c m] x-Position der Nadel im System O 5.1.1 Kontaktkraftelement in Simpack In der MKS Simulationss oftwa re S I MPACK stehen dem Anwender derzeit eine Reihe verschiedener M ethoden zur Modellier ung von ebenen und räumlichen Kontaktvorgängen z ur Verfügung . Am meisten g enutzt werd en da von fol g ende vier Standardverfahren 3 : 2D und 3D Moved Marker Contac t. Multi-Point Curve to Curve Contact. Geometrica l P rimitive Contact (G PC ). Pol y gonal Contact Meth od (PCM). Die Modellierung von Kontaktvorgänge n zerfällt in der Rege l in zwei versc hiedene Teilaufga b en. Zuerst ist mit einer der oben angegebe nen Metho den die Lage d es Kontaktpunktes zu bestimmen. Dann wird unter der Vorgabe einer Stei figke it - und einer Dämpfungsfunktion die im Kontaktgebiet herrschende Nor malkr aft berechnet. Hierbei ist zwischen einseitigen und zweiseitigen Kontakten zu unterscheiden. Au f der anderen S eite erfolgt die Berechnung der im Kontaktgebiet auftretenden Tangentialkraft, die in der Regel von der Normalkraft und der tangentialen Relativgeschwindi g keit im Kontaktgebiet abhä n g i g ist [Sim09]. Bild 5.4: Kontaktkraftelement in MKS Programm [Ril10] 3 Diese Standardverf ah re n werden im nächsten Abschnitte besproche n. Simulation des Stri ckverfah ren 60 Das Bild 5.4 zeigt ein Kontakt-Kraftelement zwischen zwei starre n Kö rpern S1 und S2 am Kontaktpunkt (P). Die Federsteifigkeit (c) u nd die Dämpfungsfunktion (d) wurden in Abhängig k eit der maximalen Durc hd ringung (s) in der Simulation gewählt [ Ril10]. 5.1.2 Kontaktkraftelement zwischen Nadel und Strickschloss Für Kontakt-Anal y sen , bei denen die Kontaktstel le nicht mehr fest ist, sondern sich über all auf einer definierten Fläche befinden kann, z.B. als Kreis auf einer Eben e, ist der 2d moved marker Kontakt ideal [Sim09]. (SI MPACK MovedMarker96). Die Oberfläche wird von diskreten Punkten aus einer Oberflächen Datei definiert (aus einer sogenannten .su2-Datei). Zur Beschreibung d er Oberfläche wi rd e in e S pline z wische n den Punkten verwe ndet (2D- Oberf lä che n- Dateie n kön nen auch direkt von einigen Standard-CAD- Tools importiert we rd en) [ Sim09]. Das Bild 5.5 z eig t di e definierten Oberflächen (1 und 2), zwischen denen die Nadeln sich be wege n. Die Oberflächen werden mittels der Strickschloss - oberflächen definiert. Bild 5.5: Die definierten Oberflächen In S I MPACK werden z we i Mark er definiert, jewe il s aus einer Oberfläc hen-Da tei. Während der Simulation wird ein Mindestabstand zwischen den Markern, welche entlan g den Oberflächen ‚gleiten‘ , autom atisch sicher gestellt. Der minimale A bstand gewährle istet, dass der Kontakt an der Stelle auftr itt , an der sich di e beiden Oberflächen z uerst berühre n. S obald die "Moved Marker" erz eug t wurden, können Kontaktkräfte (normal und tangential) mit Krafte l ementen zwischen den Markern d efiniert werden. Da die Kontakt-Dämpfung abhängig von der Normalgeschwindigkeit der Kontakt-Ma rker ist, werden Spline- Obe rflächen höhe rer Ordnung verwendet, um in stationäre Geschwindigkeitsspitzen (insbesond ere für Rollkontakt) zu vermeiden, welche z u unrealistischen Ergebnissen führen würd en [Sim09] . Das Bild 5.6 zeigt die R ollenoberflächen (1 und 2) an den Nadelfüßen und die Moved Marker, um di e Rollen an den definie rt en Oberflächen entlang zu bewegen. Simulation des Stri ckverfah ren 61 Bild 5.6: Die Oberfläc h enrollen und Moved Marker 5.1.3 Fadensimulation Damit ein elastischer Faden mit seinen Eigenschaften im Mehrkörpersimulationsprogramm SIMPACK simuliert werden kann, beruht die Simulation des Fa dens in dieser Dissertation auf der Methode, den Faden aus kleinen, starren Körpern zu modellieren, welche mit Kugelgelenke n miteinander verbunden sind. Kugelgelenke erla uben Freiheitsgrade in den drei Rotationsrichtungen (α, β, γ), siehe a u ch Gelenk 1 in Bild 5.7. Bild 5.7: Prinzipbild Fadensimulation Simulation des Stri ckverfah ren 62 Zusä tz lich wird in einigen Gelenke n eine T ranslationsbewegung in Fadenrichtung (x) erlaubt. Mittels eines Kraftelements aus Feder und Dämpfer wird in diesem Freiheitsgrad ein e Elastizität für die elastischen Fadeneigenschaften abgebildet. Siehe hier zu Gelenk 2 in Bild 5.7. De r Faden in diesem Simulationsmodel besteht aus insgesamt 35 starren Körpern. Z ur Ermittlung der Fadenkraft im Modell wird am Gelenk z wische n den Körpern 34 und 35 die Gelenkkraft (Joint Force) in Fadenrichtung (x) ausg ewertet (Bild 5.10 ). 5.1.4 Ko ntaktkraf te le me n t z w ischen F aden u nd anderen starren Maschinenteilen Das im Abschnitt 5.1.2 beschriebene Kontaktkraftelement z wischen Na d el und Strickschloss kann z wischen dem F aden und den anderen starren Elementen nicht verwendet we rden, da es nur für L inienkontakte verwendet werden kann „ 2D Moved Marker ContactMethod“, der Fade n j edoch B ewe g un gen in sämtlichen Richtungen ausführ t und keine feste Kontaktlini e zu den anderen starren El ementen besitzt. Auch di e „3D Moved Mark er C ontactMethod“ kann nicht verwendet werden, da di e Fadenelemente eine z y lindrische Form besitz en und keine spindelförmige . Außerdem können maxim al zwei Körper für den Kontakt definiert w e rde n. Die „Mult i - Point C urve to Curve Contact Method “ erlaubt den Kontakt nur in den seitli che n Flächen einer Struktur zwischen maximal z wei Kör pern. Aus diesem Grund wurde für die Kontakte zwischen Faden und den anderen starren Elementen die „Geometric P rimitive Contact Method (GPC) gewä hlt. Die GPC-Methode wird in erster Linie für einfache Primitive verwendet. Die anal y tischen Besc h reibungen d er Kontakt -Ge ometrie ermöglichen extrem schnelle Rechenzeiten. Das Verfahre n ist daher geeignet für Modelle mit zahlreichen Berührungen z wischen verschiedenen Körpern, wie Cuboid, Zy lind er, Sphere oder Cone , oder auch für "real- time "- Anwendungen. Die GPC -Me thode unterstützt auch Kontakte mit allgemeinen vermischten Oberflächenmittels Alg o rithmen ähnlich dem PCM-Verfahren [Sim09]. Bild 5.8: Die Kontaktkraft zwischen den Fade nstü cken Simulation des Stri ckverfah ren 63 Dieses Kontaktkraftelement führt zu einer Kra ft zwischen allen Körperflächen mit sämtl ichen andere n Körperflächen (nicht nur den Seitenflächen), deshalb werden di e Fadenstücke mit kleinem Abstand untereinander modelli ert, siehe Bild 5.8 -1. Für den Fall, dass zwei Fade nstü cke geknickt werden, gibt es keinen Kontakt zwischen den Seitenfläche n von Fade nstü ck 1 und Fadenstück 2. Wenn kein Abstand zwischen z wei Fadenstücken berücksichtigt wird, siehe B ild 5.8 -2, entsteht be im Knicken eine Kraft zwisc hen den beiden Kontaktseitenfläc h en un d erzeugt eine Ge genkraft im Gelenk, welche die Fadenkraft beeinflusst. Eine andere Schwie rig keit dieses Kraftelements ist, dass nur bestimmte Form en für die Primitives (Cuboid , Zy li nder, Sphere, Cone) akzeptiert werden. Aus diesem Grund muss die Nadel aus verschiedenen Cuboid-Primitives modelliert werde n (B ild 5.9). Bild 5.9: Die simulierte Nadel Im Simulationsmodel w ird ledig lich ein Kontak tkrafte lement für alle möglichen Kontakt - bedingungen definie rt. Die Fo rmen der Primitiven werde n direkt im Kontaktkraftelement (FE197) definie rt, so dass jedes notwendi ge Teil (alle Fadenstücke, beid e Fa den führera u g en und die Nadel) in die s em Kontaktkrafte l ement berücksichtig t wird. Das Kontaktkraftelement hat eine lineare Steif igke it, Dämpfung und Reibung. Aus der experimentellen Untersuc hung wird der Koeffizient für die Reibung zwisc hen dem Fa den und dem Fadenführer mit dem W ert µ = 0. 08 (a us der T abe lle 4. 2, bei Umlenkung U1) vorgegebe n. Der R eibungskoeffizient zwischen der N adel und d em Faden wird genauso gewählt, da: die Reibung zwischen Nade l und F aden nicht berechnet wird. wenn die Reibung zwisc hen Nadel und Faden so wie zwischen Faden und Fa denführer gleic h ist, wird das Simulationsmodel einfacher, da dann alle Komponent en in einem Kontaktkrafte l ement definiert werden können. Simulation des Stri ckverfah ren 64 Bild 5.10: Die Fadensimulation in SIMPACK Während der Vorbereitung des ersten Simulationsmodells wurde d er Fad en aus 100 starren Körpern (siehe Bild 5.10) gebildet, welche mit Kugelgelenken untereinander verbunden wurden, siehe B ild 5.7-1. Die vorgeg ebene Simulationszeit betrug 30 Sekunden. I n dieser Z eit bewegt sich der Schlitten nur e inmal von der rechten zur linken Seite. Die vorzugebenden Werte für Steifigkeit und Dämpfung waren nicht beka nnt und wurden a us de m Ve rsu ch verwendet. Die Rechenzeit für dieses erste Modell betrug jeweils mehr als 100 Stunden und wurde mit einer Fehlermeldun g beendet, da aufgru nd s chlec ht gewählter W erte f ür Steifigkeit und Dämpfung im Kontakt einz elne F adenelemente in das Bauteil Na d el eindr in ge n. Außerdem ist die F adenkraft (Joint Force am Fa denstü ck 100) größer als 700 [ N]. Das Bild 5.11 z eig t die Situation während des Abbruchs durch die genannte Fehlermeldung (siehe auch Bild 5.4 mit einem großen Wert f ü r die Durc hd ring un g (S)). Bild 5.11: Der Grund der Fe hlerm eldung Zur Reduktion der Rechenzeit wird die Simulationszeit verkürzt auf den Sc hlitt enbe reich von 50 bis 67,5 [ cm ] . I n die sem Z eitfenster findet der P rozess zur Er stellung der Masche statt. Dadurch wird die Rec h enzeit auf ca. 45 Stunden reduziert 4 . 4 Die Rechnereigensc h aften sind "lenovo ThinkCentre mi t Core2Duo CPU (3Ghz) und 4GB RAM". Simulation des Stri ckverfah ren 65 Mit diesem Modell sind weiterhin f ol g end e Aufgabe n z u lösen: 1. Reduzierung der Rec h enzeit. 2. Simulation ohne Fehlermeldung. 3. Reduktion der Fa d enkraft auf einen realistischen Wert. Für den ersten Punkt wird die Anzahl der Körper für die Abbildung des Fadens auf 35 reduziert, da diese Anzahl für den Prozess der Masche nerstellung von Nöten ist. Damit ände rt sich die Rechenzeit auf ca. 25 Stunden (jedoc h w eiterhin mit einer Fe hle rmeldung). Um den Simulationsabbruch mit Fehlermeldun g zu anal y sieren, wurde eine Untersuchung des Krafte l ements 197 und weiterer Kont aktkra ft elementen durchgeführt, um damit einen realistischen Wert für di e F ade n kraft (J oint Force am Fadenelement 35) zu bekommen. Als Ergebnis dieser Untersuchung wird für die Fade n elemente 1 bis 18 weiterhin das Kontaktkrafte l ement 197 benutzt, da hier räumliche Kontakte (3D -Kontakt) möglich sind, während fü r die restlichen Fadenelemente nur 2d -Kontakte notwendi g sind und damit das Kontaktkrafte l ement 18 (Moved Marker) verwendet werden kann. D as Bild 5.12 zeigt die definierten Oberflächen für die mö gliche Fadenbewegungsrichtung sowie die R o llen an den Fade nkö rperstücken. Die Kontaktkraftelemente wirken zwischen zwei Marker n, der eine an der definierte Oberfläche und de r andere an de r R ollenoberf läche, die si ch am Fadenkörper befindet. D as Kontaktkr afte lement 18 muss für jeden einzelnen Kontakt verwendet w erde n, während das Kontaktkraftelement 197 nur einmal definiert wird. Mit diesem Ansatz erfolgt die S imulation für das Zeitfenster für den Strickschlossbereich von 50 bis 67,5 [cm] in ca. 15 Stunden ohne Fehlermeldung. Bild 5.12: Die Rollen, Moved Marker, und de finie rte Obe rflächen 5.2 Bewegungsgleichungen für das Modell Es gibt insgesamt vier wichtige Komponenten, welche eine große Rol le im S trickprozess spielen: 1. d as Strickschloss. 2. die Nadel. 3. der Fadenführer. 4. der Faden. Simulation des Stri ckverfah ren 66 Das Strickschloss bewegt sich in dieser Simulation nach einer vorgegebenen Funktion, die andere n d rei Komponenten entsprechend ihre n Freiheitsg raden und Kopplungen. 5.2.1 Vorgege bene Funktion für den Schlitten in der Simulation Die Funktion wird in drei Bewegungsformen in S impack vorgege b en. Das Bild 5.13 zeigt die Bewegungsge biete des Strickschlosses, d as sich n ur in x-Richtung relativ zum Sy stem O mit drei Annahmen beweg t: 1. Konstant beschleunigte Bewegung im Absc hnit t ℓ 1 (G1 und G4 im Bild 5.13). 2. Konstant Geschwindigkeit im Abschnitt ℓ 2 (G2 und G5 im Bild 5.13). 3. Konstant verzögerte Be w eg un g im z we iten Abschnit t ℓ 1 (G3 und G6 im Bild 5.13). D as bedeutet, es gibt für jedes Lastspiel 6 Bewegungsgebiete , mit je einer ei genen Bewegungsgleic hun g. Daraus folgt, dass die Be wegungsgleic hun g en (5.1 bis 5.18) abhäng i g vom jeweiligen Bereich sind. Das S y stem O entspricht in Simpack dem Ursprung ss y stem ISYS. Die Stricksc hloss mitte befindet sich an der Z eit t = 0 in der Nullposition (I SYS). Bild 5.13: Schlittenpositionen in der Strickmaschine L : Abstand des Nade lbett s ℓ 1 : Abstand der beschleunigten/verzög e rten Strickschlossbewegung ℓ 2 : Abstand der konstanten Strickschlossgeschwindigke it ϑs : Geschwindigkeit des Schlittens 𝑋 𝑠𝑜 : Die aktuelle x-Position des Strickschloss im Sy st em O 𝑋 so : Die a ktuelle Geschwindigkeit des Strickschloss im Sy stem O 𝑋 so : Die a ktuelle Beschleunigung des Stricksc hloss im S y stem O Simulation des Stri ckverfah ren 67 Die Bewegung s gleic hun g en, di e in Simpack vorgegeben werden, für jedes Gebiet sind: Gebiet 1: Wenn die Zeit ist 0 ≤ 𝑡 < 2ℓ 1 𝜗𝑠 𝑋 𝑠𝑜 1 = 𝜗𝑠 2 4ℓ 1 𝑡 2 (5.1) 𝑋 𝑠𝑜 1 = 𝜗𝑠 2 2ℓ 1 𝑡 (5.2) 𝑋 𝑠𝑜 1 = 𝜗𝑠 2 2ℓ 1 (5.3) Gebiet 2: Wenn die Zeit ist 2ℓ 1 𝜗𝑠 ≤ 𝑡 < ℓ 2 +2ℓ 1 𝜗𝑠 𝑋 𝑠𝑜 2 = 𝜗𝑠 (𝑡 − 2 ℓ 1 𝜗𝑠 ) + ℓ 1 (5.4) 𝑋 𝑠𝑜 2 = 𝜗𝑠 (5.5) 𝑋 𝑠𝑜 2 = 0 (5.6) Gebiet 3: Wenn die Zeit ist ℓ 2 +2ℓ 1 𝜗𝑠 ≤ 𝑡 < ℓ 2 +4ℓ 1 𝜗𝑠 𝑋 𝑠𝑜 3 = 𝜗𝑠 2 4ℓ 1 (𝑡 − ℓ 2 +2ℓ 1 𝜗𝑠 ) 2 + ℓ 1 + ℓ 2 (5.7) 𝑋 𝑠𝑜 3 = − 𝜗𝑠 2 2ℓ 1 (𝑡 − ℓ 2 +2ℓ 1 𝜗𝑠 ) + 𝜗𝑠 (5.8) 𝑋 𝑠𝑜 3 = − 𝜗𝑠 2 2ℓ 1 (5.9) Gebiet 4: Wenn die Zeit ist ℓ 2 +4ℓ 1 𝜗𝑠 ≤ 𝑡 < ℓ 2 +6ℓ 1 𝜗𝑠 𝑋 𝑠𝑜 4 = − 𝜗𝑠 2 4ℓ 1 (𝑡 − ℓ 2 +4ℓ 1 𝜗𝑠 ) 2 + 2 ℓ 1 + ℓ 2 (5.10) 𝑋 𝑠𝑜 4 = − 𝜗𝑠 2 2ℓ 1 (𝑡 − ℓ 2 +4ℓ 1 𝜗𝑠 ) (5.11) 𝑋 𝑠𝑜 4 = − 𝜗𝑠 2 2ℓ 1 (5.12) Gebiet 5: Wenn die Zeit ist ℓ 2 +6ℓ 1 𝜗𝑠 ≤ 𝑡 < 2ℓ 2 +6ℓ 1 𝜗𝑠 𝑋 𝑠𝑜 5 = − 𝜗𝑠 (𝑡 − 6 ℓ 1 𝜗𝑠 ) + ℓ 1 + ℓ 2 (5.13) 𝑋 𝑠𝑜 5 = − 𝜗𝑠 (5.14) 𝑋 𝑠𝑜 5 = 0 (5.15) Simulation des Stri ckverfah ren 68 Gebiet 6: Wenn die Zeit ist 2ℓ 2 +6ℓ 1 𝜗𝑠 ≤ 𝑡 < 2ℓ 2 +8ℓ 1 𝜗𝑠 𝑋 𝑠𝑜 6 = − 𝜗𝑠 2 4ℓ 1 (𝑡 − 2ℓ 2 +6ℓ 1 𝜗𝑠 ) 2 + ℓ 1 (5.16) 𝑋 𝑠𝑜 6 = 𝜗𝑠 2 2ℓ 1 (𝑡 − 2ℓ 2 +6ℓ 1 𝜗𝑠 ) − 𝜗𝑠 (5.17) 𝑋 𝑠𝑜 6 = 𝜗𝑠 2 2ℓ 1 (5.18) In der Simulation beträgt die Geschwindigkeit des Schlittens 𝜗𝑠 =0,5 [ m/s]. Das Bild 5.14 zeigt die mathematische B esc hr eibung für di e Position, die Geschwindig keit und die Besc hl eunigung des Sch littens. Die durchg eführten Re chnungen berücksichtig en e in ganzes La stspiel. Die Erge bnisse sind für jede n Be w egungszy klus gleic h. Bild 5.14: Mathematische (MKS Simpack) Beschreibung für den Schlitten mit 𝜗𝑠 = 0,5 [m/s] Simulation des Stri ckverfah ren 69 5.2.2 Bewegungs- und Abmessungsbeschreibung für die Nadel Die Na d el be wegt sich r elativ zum Sy st em O in d en R ichtunge n Y und Z, relativ z um S y stem On kann sie sich jedoch nur in Z-Richtung bewegen, Bild 5.15. Bild 5.15: Der Winkel des Schlosses γ : Winkel des Schlosses (B ild 5.15) 𝑋 𝑛𝑜𝑛 : Position der Nadel in Richtung x im Sy stem On 𝑌 𝑛𝑜𝑛 : Posit ion der Na del in Richtung y im Sy stem On 𝑍 𝑛 𝑜𝑛 : Position der Nadel in Ric htung z im S y stem On 𝑍 𝑛𝑜𝑛 : Geschwindi g keit der N ade l im S y stem On 𝑍 𝑛𝑜𝑛 : Beschleuni g un g der Nadel im S y stem On 𝑋 𝑛𝑜 : x -Position der Na del im S y stem O 𝑌 𝑛𝑜 : y -Position der Nadel im S y stem O 𝑍 𝑛𝑜 : z-Position der Nadel im Sy stem O Aus dem Bild 5.15 erge b en sich für die Transformation von dem Sy stem On in das Sy stem O die folgenden Zusa mmen hänge : [ 𝑋 𝑛𝑜 𝑌 𝑛𝑜 𝑍 𝑛𝑜 ] = [ 1 0 0 0 − sin 𝛾 cos 𝛾 0 cos 𝛾 sin 𝛾 ] . [ 𝑋 𝑛𝑜𝑛 𝑌 𝑛𝑜𝑛 𝑍 𝑛𝑜𝑛 ] (5.19) Da sich die Nadel jedoch nur in Richtung 𝑍 𝑛𝑜𝑛 bewegen kann, ergebe n sich für die Besc h reibung der Nadelposition im Sy stem O fol gende Z usammenh äng e: 𝑍 𝑛𝑜 = 𝑍 𝑛𝑜𝑛 ∗ 𝑠𝑖𝑛 𝛾 (5.20) 𝑌 𝑛𝑜 = −𝑍 𝑛𝑜𝑛 ∗ 𝑐𝑜𝑠 𝛾 (5.21) Simulation des Stri ckverfah ren 70 Die Bewegung der Nadel wird durch das Sc hloss bzw. die Kanalführung am S chloss bestimmt. Dabei wird de r Nadelfuß entlang der beiden Kanalführungsflanken - eine unterhalb und eine oberhalb - in vertikaler Richtung durch die horiz ontale Bewegung des Schlosse s geführt. Bild 5.16: Strickschlossabmessunge n und Nade lb ewegung spf ad Das im realen S y stem vorhandene Spiel von weniger als 1 [mm] zwischen Nadelfuß und den Flanken wird für die Simulationen nicht i g nori ert, so dass sich ein Nade lbew egungspfa d entsprechend Bild 5.16 e rg ibt. D as bedeut et , es gibt für jedes Lastspiel 13 Bewegungsgebiete , mit je einer eige nen B e weg un g s gleichung. ℓ 𝑛 : Höhe der Nadel ℓ 3 und ℓ 7 : horizontaler Abstand für die H eb e- und Senkbeweg un g de r Na d el ℓ 4 und ℓ 6 : horizontaler Abstand für die ge rade Na delb eweg un g ℓ 5 : horizontaler Abstand für die runde Nadelbewegung R : Kurvenra dius für die runde Nade lb eweg un g 𝑋 𝑓 : vertikaler Abstand zwischen dem Kreismittelpunkt und der geraden Bewegung β : Winkel der Hebe- und Senkbewegung Simulation des Stri ckverfah ren 71 Das Bild 5.17 zeigt die Ergebnisse der Position, der Geschwindi g keit und der Beschleunigung für die Nadel, die bei Xn = 58,69 [cm] lieg t. Diese Ergebnisse g ehö re n zum Koordinatensystem O n . Bild 5.17: Mathematische (MKS Simpack) Beschreibung für die Nade l mit 𝜗𝑠 = 0,5 [m/ s] 5.2.3 Bewegungs- und Abmessungsbeschreibung für den Fadenführer Der Fadenführer bewegt sich zwischen der linken und der re chten Gr enzen. Die B eweg un g s - richtung für den Fadenführer entspricht immer der Schlittenbewegungsrichtung, der Fade n führer läuft jedoch dem Strickschloss im Abstand X sf hint erhe r. Das Bild 5.18 z eig t die Abmessung fü r den Fadenführer und die beiden Grenzen, wenn sich der Schlitten von rechts nach links bewegt , da s Bild 5.19 zeigt die Abmessungen, wenn sic h der Schlitten von links nach rechts bewegt. Dies bedeut et , es gibt für jedes Lastspiel 5 Bewegungsge biete, mit j e einer eigene n Bewegungsgleic hun g. X gl : linke Gre nze des Fadenführers X gr : rec hte Grenze des Fadenführers X sf : Abstand zwischen dem Fade nf ührer und de m Strickschloss, wenn beide sich bewegen Simulation des Stri ckverfah ren 72 Bild 5. 1 8: Die Abmessungen des Fadenführers in linker B e weg un g srichtu ng Bild 5.19: Die Abmessungen des Fadenführers in rec hte r Beweg un g s richtung Z ff : Höhe des zweiten Fadenführerauges X ff o : aktuelle Position des F adenführers Simulation des Stri ckverfah ren 73 𝑋 ff o : aktuelle Ge schwindigkeit des Fadenführers 𝑋 ff o : aktuelle Beschleunigung de s Fa d enführers In den nächsten Bewegungsgleichungen liegen die beiden Grenzen d es Fadenführers im Bereich der konstanten Schlittengeschwindigkeit. Das Bild 5.20 zeigt die Sim ulationserg ebnis se für Posit ion, Geschwindigke it und Besc hl eunigung des Fadenführers, der sich zwischen den Grenzen X gr und X gl beweg t. Die Auswertung erfolgte im Koordinate ns y stem O . Bild 5.20: Mathematische (MKS Simpack) Beschreibung für den Fadenführer be i 𝜗𝑠 = 0,5 [m/s] 5.2.4 Bewegungsb esc hreibung für den Faden In dieser Arbeit wird die Bewegungsbeschreibung nur für den letzten F ade npunkt (Element 35) beschrie b en, da die Fadenkraft von der Position des Fa d ens abhängt. Sobald die erste Nadel im Ge biet ℓ 2 (die Schlittengeschwin digkeit ist konstant) vom Nadelbett liegt, ergebe n s ich für da s letz te Fadene l ement die folge nden fünf Fä lle: Simulation des Stri ckverfah ren 74 Bild 5.21: Verschiedene Positionen für Nade l, Strickschloss, Fadenführer und Fade n Fall 1: Der Schlitten beweg t sich und d er Fa den is t in Ruhe (B ild 5.21.a) bi s zur ersten F aden - führerbeweg un g (Bild 5.21.b). Fall 2: Der Fadenführer beweg t sich zwischen den z wei P osi tionen X gr (B ild 5.21.b) und Xn (Bild 5.21.c). Das letzte Fade n element bewegt sich 2*dL (siehe Bild 2.3.B) in Richtung X. Fall 3: Das letzte Fade n beweg t sich nicht bis die Nade l auf d en Fa den triff t (Bild 5.21.d). Fall 4: Die Nadel z ieht den Faden nach unten bi s zur tiefen Nadelposition (Bild 5.21. e). Das letzte Fadene lem ent bewegt sich in Richtung – X. Fall 5: Der Schlitten bewegt sich bis zum Ende des Nadelbetts, der F aden ist in Ruhe ( Bild 5.21.f). X fs : Die Position des letzt en Fadenelements im S y s tem O mit Richtung ox zum Zeitpunkt t =0 Simulation des Stri ckverfah ren 75 5.3 Simulationsmode ll e Es werden verschiedene Modelle entsprechend der experimentellen Untersuchung sim uliert, und die Erg ebnisse werde n für die Fade nkraft im Prozess für alle Fadenkraft- Steuerungssy stem e ermit telt. Es sind Modell e für eine ideale Fade nk raftsituation, ein S y stem mit einer F eder, ein Sy st em mit einer F adeneinrichtung, und ein S y stem mit einer Feder und Fade n einrichtung aufgebaut worde n. 5.3.1 Simulation der idealen Situation für die Fadenkraft Es wird eine ideale Situation für die Kraft des Fa dens simuliert. I n diesem Simu lationsmodell gibt es ein Kraftelement am letzten Fadenelement, damit der Faden ein e Kr aft hat. Dies es Krafte l ement besitzt immer einen konstanten Kraftwe rt über den gesamten Prozess. Das Bild 5.10 stellt das Modell dar. Das Fadenkraftgese tz t ergibt sich nach: F=Fs=Konstant (5.22) F : Fadenkraft Fs : Erforderlicher Fadenkraftwert Die Ergebnisse dieses Sim ulationsmodells sind optimal mit konst antem Fadenkraftwert über den gesamten Prozess u nd stellen das Ziel des Konzepts dar, das als ein Vorschlag in dieser Arbeit später b eschrie b en wird. 5.3.2 Simulationsmode ll mit einer Fe de r im Fadenk raftste uerung ssystem Das Simulationsmodell ist in Bild 5.22 dargestellt. In diesem Simulationsmodell wird nur eine Feder im Fade nkr aftsteuerungssy st em berücksichtigt. Die Feder liegt zwischen den beiden Punkten A und C. A ist ein fe ster Punkt, der zur S trickmasc hine gehört, C ist ein Punkt am letzten Fadene lem ent. Bild 5.22 : Das Sim ulatio nsmodell mit einer Feder im Fade nkr aftsteuerungssy stem Simulation des Stri ckverfah ren 76 Die Fadenkraft entspricht der Federkraft F. S ie ist nicht konstant, da folge nde Kraftgleichung (5.18) für die Fe d erkraft gilt: 𝐹 = 𝐶 𝑓 ∗ (𝐿 𝐶 − 𝐿 𝐵 ) (5.23) F : Federkraft/Fa d enkraft C f : Federste ifi g keit L B : normale Fe de rläng e (P unkt A bis Punkt B im Bild 5.21) L C : ga nz e F ederlänge (Punkt A bis Punkt C i m Bild 5.21) Durch Va ria tion der Position des Punktes A kann ein neuer Fadenk ra ftwe rt ein g estellt werden. 5.3.3 Simulationsmode ll mit der Fadeneinrichtung in de m Fadenkraftsteuerungssyste m 5.3.3.1 Simpack mit Regelung Um eine Regelung am mechanischen System anzubinden, wird ein Prozess verwendet, desses vierSchritte im Folgenden besc hrieb en we rd en : 1. Modellentwurf: Entwurf des mechanischen Mod ells in S I MPACK. Das Modell muss vollständig sein [Bou09]. 2. Identifizierung der Ei n - und Ausgä nge: Definieren der Ein- und Ausgä n ge des SIMPACK-Modells. Die Ausgänge sind die Eingänge in die R ege lun g , und die Eingänge sind die Ausgänge der Regelung. Somit schließt sich der Reg elkreis. (Bild 5.23) [Bou09]. 3. Reglerentwurf: Die Re gelungen werden in einer Regelung ssoftw are wie MATLAB/ Simulink mit Ein- und Ausgängen und d er m echanische S trec k e entworfen, die als ein Blockdiagramm in die Rege lun gssoftware importiert wird [Bou09]. 4. Simulation des Modells: Im letz ten Schritt wird das kombinierte Mod ell aus dem mechanische n Teil und der Regelung als ein gesc hlossen er R ege lk reis simuli ert [Bou09]. Bild 5.23: SIMPACK mit einer SIMULI NK Re g lung in einem geschlossenen Regelkreis Simulation des Stri ckverfah ren 77 5.3.3.2 Modell und Regler entwu rf Das Sim ulationsmodell ist in Bild 5.24 darg estellt. I n diesem S imulationsmode ll wird die Fade n einrichtung (Fournisseur MSF 2) aus dem Abschnitt 4.3.5 mit ihre n Eigenschaften simuliert. Bild 5.24 : Das Sim ulatio nsmodell mit Fade neinrichtung im Fadenkraftsteuerungss y stem Die wichtigste Eigenschaft für die Fa d ene inricht ung (Fournisseur MS F 2) ist , dass sie nur ab einem Fadenkraftwert Fs funktioniert. Wird diese r Wert unterschritten, so bleibt sie in R uhe bis der aktuelle Wert höher als die erford erliche Fadenkraft Fs ist. Das B ild 5.25 z eigt die Darstellung des Ablaufs des Fadeneinrichtungsverfahrens. Bild 5.25 : Darstellung des Ablaufs des Fadeneinrichtung sv erfahrens Beginn Erforderliche r Fadenkraftwer t Fs FER Start Nein FER Stopp Ja Fadenkraft F >Fs Ja Simulation des Stri ckverfah ren 78 Zur Simulation dieser Situation mit Fadene inr ichtung wird ein Move dMarker im letzten Fade n element definiert, der über einen Re gelkreis bewegt wird. Dies er Regelk reis wird in dem Softwaretool Matlab/S imulink definiert. Es wird eine Kopplung zwischen S impac k und Matlab/Simulink benutzt. Da s Bild 5.26 zeigt den Reg el kreis in Matlab/Simuli nk. Diese Kopplung ist abhängig von der Za hl der Eingänge und Ausgänge für das Simpack- Modell. Es gibt nur eine Eingangs ( F ad enkraft) und drei Ausgänge, welche die Posit ion, die Geschwindigkeit und die Besc hl eunig un g für de n Marker im le tz ten F ad enelement sind. Theoretisch bl eibt der Fadenkraftwert auf dem erforderlichen W ert, bis s ich der Fade nfüh re r zu bewegen b eginnt. Anschließend ändert si ch der Fadenkraft wert z u Null und die Fade n einrichtung arbeitet nicht bis mit 2 ∗ 𝑑𝐿 (Abschni tt 4.6.1) eine oder mehrere Maschen erstellt werde n. Bild 5.26 : R eg elkreis für die Fadeneinrichtung (Fournisseur MSF 2) 5.3.4 Simulationsmode ll mit F ad eneinrichtung und einer Feder (Fadenspanner) im Fadenkraftsteue rung ssystem Das Simulationsmodell ist in Bild 5.27 darge stellt . Es g ibt insgesamt zwei Fadenk raft- Steuerungssy stem e (Fadeneinrichtung und F ed er) . Das Arbeitsprinzip für dieses Simulationsmodell ist vergleic hbar mit dem Modell im Abschnitt 4.5.3. Die Position der Feder ist jedoc h anders als im Modell in Abschnitt 4.5.3. I n diesem Modell wird die Federposition variiert, um verg l eichbar zum Modell im Bild 4.15 zu sein. Simulation des Stri ckverfah ren 79 Bild 5.27 : Das Sim ulatio nsmodell mit Fade neinrichtung und Feder im Steuerung ss y st em 5.4 Neues K on zept 5.4.1 Einführung In diesem Abschnitt wird das weitere Konz ept hin zu einer möglic hst konstante n Fa den k ra ft im ge s amten Prozess wä hre n d der M asche nbil dung vorgestellt. Mit diesem Konzept werden die Nachteile, die im Abs chnitt 3.5 beschrie ben werden, ve rmied en. Mehrere Fadenkontaktp unkte zwischen dem Faden und der Maschine, nach der Fade n einrichtungsposition und vor der Sensorposition. Der Sensor als ein Kontaktpunkt. Die Fe d er, welche immer einen linearen Steifig k eitsverla uf hat. Mehrere Eingang s parameter , wie zum Beispiel bei Schmodda in EP1582614B 1, die Fade n führergeschwindigkeit und die Bewegungsrichtung [ Sch05] (sieh e Abschnitt 3.2.1.1). 5.4.2 Pr in zip des neuen Konze pt s Normalerweise besteht der F ade n führer aus z wei Teilen mit L öch ern, durch die der Faden läuft, bevor er die N adel trifft, um eine Masche zu erstellen. Diese Teile werden Fade n führerauge n genannt. Bei dem hier gezeigten Konzept wird ein drit tes Te il zwischen den beiden Fade n führerauge n eingeba ut , das Schiebestück genannt wird. Das Schiebestück bewe g t sich horizontal durch eine Regelun g , die vom Fade n kraftwert abhängt. Wenn sich der Fadenführer von links nach rechts bewe g t, nimmt die Fadenkraft ab, das Schiebestück b eweg t sich horizontal und zieht den Faden , bis der erforderliche W ert der Fade nk raf t erreicht wird . I n diesem Fall tri ff t die erste Nadel den Faden mit dem erforderliche n F adenkraft we rt, um eine neue Masche zu bilden. Wenn die Fadenkraft höher als de r erforderliche Wert wird, bewegt sich das Schiebe s tück zu den Fade n führera u gen zurück, bis die drei Teile die gleic h e horizontale P osition erreicht habe n. Der Faden läuft wegen d er Bre ms e nic ht von der Fade n einrichtung. In dieser Position be g innt sich die Simulation des Stri ckverfah ren 80 Fade n einrichtung zu bewegen und die Maschine wird mit dem F aden d er Fadeneinrichtun g chargiert. Mit dieser Technik bleibt die Fade nkraft immer konstant, ohne dass eine Feder, ein Fade nsp anner an der r ec hten Strickmaschinens eite oder in den Fadenkra ftsteuerun g s- elementen be nöti gt wird. Bild 5.28 : Die Posit ione n des Schiebestücks Wenn sich das Schiebestück in Richtung X ss bewegt, bildet es mit den beiden Fade n führerauge n ein Dreieck. Die richtige Schiebestückposition zwischen den Fade n führerauge n bedeut et, dass es eine kleine Sc hiebestückve rs chiebung i n R ichtung X ss mit einer großen Fadenlänge ( ℓ 9 + ℓ 10 ) gibt. Dies bed eutet, dass der Umfang der Dreiecke möglichst groß ist . D as Bild 5.28 zeigt die Posit ionen der Fadenführeraugen und des Schiebestücks. ℓ 8 : Abstand zwischen den beiden Fadenführeraugen ℓ 9 : Abstand zwischen dem obere n Fa denführ era u ge und dem Schiebestück ℓ 10 : Abstand zwischen dem unteren Fadenführerauge und dem Schiebe stück C as : Umfang des Dreiecks (zwischen Fadenführeraugen und Schiebestück) C as = ℓ 8 + ℓ 9 + ℓ 10 (5. 24 ) C as = ℓ 8 + √ 𝑋𝑠𝑠 2 + 𝑍𝑠𝑠 2 + √ 𝑋𝑠𝑠 2 + ( ℓ 8 − 𝑍𝑠𝑠 ) 2 (5 . 25 ) Nach Ableitung der Gleichung (5.25) und Suchen nach de r höchsten Position, ergibt sich die beste Schiebestückposition bei: Zss = ℓ 8 /2 (5. 26 ) Simulation des Stri ckverfah ren 81 Da s bedeutet, dass die beste Position dem halben Abstand zwischen den beiden Fade n führerauge n entspricht. 5.4.3 Schem a tische Darstellung des neuen Kon zepts Bild 5.29 : S che matische 3D-Darstellung des Konzepts, Fadenführer (1), Servomotor (2), oberes Fade n führerstück (3), unteres Fadenführerstück (4), Schiebestück (5), Fade nk raftsensor (6) (gleichzeitig Positionssensor), Übertragungsachse (7), Kegelrad (8) (verbunde n mit dem Servomotor), Kegelrad (9) (verbunden t mit der Übertragungsachse), Fade n (10), Zahnrad (11), Zahnstange (12), Führung der Zahnstange (13) Das Bild 5.30 z eig t die Eingänge und Ausgänge für den Regelkreis im Prozess. Bei einer Änderung der Fadenkra ft schickt der S ensor 6 ein S ig nal zu der Regelungseinheit mit der Information über d en aktuellen Fadenkraftw ert und die aktuelle Schiebestückposition. Wenn sich das Schiebestück in der ruhenden Posit ion befindet (vertikale Position mit den Fade n führerauge n , Bild 5.29.A), ist die Fade n kraft geringer als de r erforderliche Wert. Di e Rege lun gseinheit schickt ein Signal zur Fadeneinrichtung und zur Bremse , um den Faden freizugeben sowie ein Signal z um Servomotor 2, der die Zahnstan g e 12 antreiben . Die Za hnst ange 12 bewegt s ich horizontal nach vorne entlang d er Kanalführung 13. Über den Sensor 6 ist die Z ahnstange mit dem Schiebestück 5 verbunden. Bewegt s ich die Zahnstan g e 12 nach vorne, so z ieht sie den Faden mit, welcher auf den S ensor 6 drückt bis, der erforderliche Fa d enkraftwert erreicht wird (Bild 5.29.B). Simulation des Stri ckverfah ren 82 Bild 5.30 : S che matische Darstellung des Konzepts Wenn die Fadenkraft hö her als der e rforderlic he Wert ist, schickt die Regelungseinheit ein Signal zum Servomotor 2, damit die Zahnstange (mit S ensor und S chiebestück) sich in die Gegenric htun g bewegt. I n der Folge nimmt Fadenkraft ab, bis das S chiebestück in der Ausgangsposition (vertikale Position mit den Fadenführerauge n ) ist und die Regelungse inheit ein Signal an die Bremse (Bild 5.30) schickt, damit die Fadeneinrichtung a rbeite t und der Fade n wieder läuft. Bild 5.31 : S i mulationsmodell mit Schiebestück Simulation des Stri ckverfah ren 83 Das S imulationsmodell ist in Bild 5.31 darg estellt. I n diesem Sim ulations modell werden die Fade n einrichtung ( F our nisseur MSF 2) mit ihren Eigenschaften, die Bremse und das Schiebestück ab gebildet. Zur Sim ulation dieses Modells wird ein Marker im letz ten Fade nstü ck definiert so wie ein Marker im Schiebestück, welches sich i n Abhängigkeit des Rege lk reises bewegt. Der Regelkre is ist in Matlab/Simulink aufgebaut, siehe Bild 5.33. Der Eingang aus dem Si mpackmodell in dem R egelkreis ist die Fa d enkraft, der Aus g ang aus dem Regelkreis ha t insge samt sechs Größen. Dies sind die P osition, die Geschwindig k eit und die Beschleunig un g für den Marker am letzten Fadenstück sowie fü r den Marker am Schiebestück. Das Bild 5.32 zeig t d en erarbeiteten Ablaufpla n für das beschriebene Konzept: Bild 5.32 : Darstellung des Ablaufs für das Verfahren des neuen Konzepts Beginn Erforderliche r Fadenkraftwer t Fs Fadenkraft F >Fs Abstand des Schiebestück s von erster Position X=0 FER start und Brem sen auf Schiebestück bewegt sich in Richtung - X FER stopp und Brem sen zu Fadenkraft F <Fs Schiebestück bewegt sich in Richtung +X Schiebestück bewegt sich ni cht Nein Nein Nein FER stopp und Brem sen zu Ja Ja Ja Simulation des Stri ckverfah ren 84 Bild 5.33: Der Regelkreis für die Fadeneinrichtung, die Bremsen, und das S chiebe stück Simpackmodell Fade n einrichtung Bre msen Schiebestück Position Geschwindigkeit Besc hl eunigung Position Geschwindigkeit Besc hl eunigung Fade nk raft Rege lk reis Ergebnisse und D i skussion 85 6 Ergebni ss e u nd Disk uss ion In diesem Kapitel werden alle Ergebnisse des letzten Kapitels präsentiert. Die Ergebnisse werden in fünf Gruppen dargestellt. Ergebnisse d er experimentellen Untersuchung en , welche im Kapitel 4 beschrieben werden u nd die Si mulationsergebnisse, welche im Kapitel 5 modelliert werde n. Danach werden die Ergebnisse der Modellvalidierung anhand des Vergleic hs zwischen der experimentellen Untersuchung (Kapitel 4) und den Simulationen (Kapitel 5) beschrieben. Dann erfolgt die Auswertung für die Modeller g ebnisse des neuen Konzepts anhand des Vergleichs zwischen den idealen Simulationen (Kapitel 5) und den Simulationen für das M odell des neu en Konzepts (Kapitel 5). In di eser Gruppe wird eine Verifikation für das Modell des neuen Konzepts mit Diskussion der Ergebnisse und die Darstellung de r Vo r- und Nachteile für die Idee des Schiebestücks vor g e stellt. Anschließe nd folgt am Ende die Gegenüberstellung aller E r gebnisse für die wichtige n Po sitionen. Die experimentellen Erge bniss e und die S imulationsergebnisse we rde n für die drei Fade nk raftsteuerungss y st eme in vier erf ord erliche Fadenkräfte (30, 40, 50, 60 [cN]) diskutiert. Die erforderliche Fadenkraft ist de r Paramete r für den Kraftwert, welcher vor Beginn des S trickproze ss parametriert wird. Für den jeweiligen S trickprozess wird dieser Parameter nicht variiert. 6.1 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen In diesem Abschnitt werde n die Fadenkraftergebnisse für die drei experimentellen Untersuchunge n vor g est ellt. Die Tabellen 6.1 bis 6.4 zeig en die F adenkraftwe rte für die verschiedenen Fadenkraftsteuerungss y steme (1: FER mit Fede r, 2: FER, 3: Fede r). Dies e Werte beziehen sich a uf die zuvor besc hriebenen Positionen. In den B ildern 6.1 bis 6.4 werden die gemessenen Fadenkräfte in [cN] an den 10 Positionen, welche im Kapitel 4 beschrie ben w erden, für die drei Fade nkr aftsteuerungss y stem e dargestellt. Dabei stelle n die grünen Messpunkte das Fadenkraftsteuerungssystem nur mit einer Feder (Abschnitt 4.5.1) dar, die roten Messpunkte das Fadenkraftsteuerungss y st em nur mit FER (Abschnitt 4.5.2) und die blauen Messpunkte das Fadenkraftsteuerungss y stem mit FER und Fe d er (Abschnitt 4.5.3). Die Bilder zeigen die Messer gebnisse d er Faden kraftänderung b ei den ver schiede n en gewünschten Kraftwerten (30, 40, 50 und 60 [cN]: siehe Bildbesc h riftung). Tabelle 6.1: Die gemessenen Fadenkraftwerte für die erforderliche Fadenkraft 30 [cN] Fadenkraft [cN] Position 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 FER+Fe de r 32 32 31 29 27 10 8 15 25 29 FER 18 18 14 11 0 0 0 3 5 7 Fe de r 31 30 30 29 26 10 8 17 22 28 Ergebnisse und D i skussion 86 Bild 6.1: Die gemesse n en Fadenkraftwerte für die drei Fadenkraftsteuerungss y stem e für die erforderliche Fa d enkraft 30 [ cN] Die blauen und die grüne n Messpunkte in den Bildern 6.1 bis 6.4 haben ab der Position 5 eine größere Abweichung von dem erforderlichen Wert, weil der Fadenführer ab der Position 5 mit seiner horizontalen Bewegung beginnt. Nach der P osition 6 hat die Fadenkraft in der blauen und der grüne n Messreih e eine Erhöhung, weil die Nade l mit dem Fa den zusammentrifft und ihn nach unten zieht. Die Messwerte für die Fadenkraft sind über den g esamten P rozess weit vom erforderlichen Wert entfernt. Besonders ab Position 5, wo die Fadenkr aft den W ert Null hat, wenn der Fade n führer mit seiner ersten Bewegung beg innt. Die Kraftabweichung z wischen den P ositionen 5 und 9 ist am g rößten, da in diesem Gebiet die Masche gebilde t wird. Das bedeutet, d ass die Masche nf ade n kraft geringer als der erforderliche W ert ist. Die roten Messw erte für die Fadeneinrichtung hat eine größe re Abweichun g in allen Positionen, weil d ie Fadeneinrichtung ab einem bestimmten Wert funkt ioniert. Bei kleineren Werten als den fe st gelegten gibt es keine Kraft. Tabelle 6.2: Die gemessenen Fadenkraftwerte für die erforderliche Fadenkraft 40 [cN] Fadenkraft [cN] Position 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 FER+Fe de r 41 41 40 38 32 1 8 16 21 37 37 FER 19 18 15 11 0 0 0 3 5 9 Fe de r 41 40 39 37 33 19 1 4 22 36 37 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 123456789 10 Fadenkraft [c N] Position FER+Feder FER Feder Ergebnisse und D i skussion 87 Bild 6.2: Die gemesse n en Fadenkraftwerte für die drei Fadenkraftsteuerungss y stem e für die erforderliche Fadenkraft 40 [cN] Tabelle 6.3: Die gemessenen Fadenkraftwerte für die erforderliche Fadenkraft 50 [cN] Fadenkraft [cN] Position 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 FER+Fe de r 50 49 48 46 43 2 8 2 4 32 44 4 5 FER 22 20 19 16 0 0 0 4 5 9 Fe de r 51 50 49 49 41 27 2 1 31 42 42 Tabelle 6.4: Die gemessenen Fadenkraftwerte für die erforderliche Fadenkraft 60 [cN] Fadenkraft [cN] Position 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 FER+Fe de r 61 59 59 55 51 34 32 44 49 51 FER 33 31 29 18 0 0 0 4 7 10 Fe de r 62 61 58 58 53 3 8 30 42 47 42 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Fadenkraft [c N] Position FER+Feder FER Feder Ergebnisse und D i skussion 88 Bild 6.3: Die gemesse n en Fadenkraftwerte für die drei Fadenkraftsteuerungss y stem e für die erforderliche Fadenkraft 50 [cN] Bild 6.4: Die gemesse n en Fadenkraftwerte für die drei Fadenkraftsteuerungss y stem e für die erforderliche Fadenkraft 60 [cN] -10 0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Fadenkraft [c N] Position FER+Feder FER Feder -10 0 10 20 30 40 50 60 70 123456789 10 Fadenkraft [c N] Position FER+Feder FER Feder Ergebnisse und D i skussion 89 6.2 Simulationsergebnisse der ve rsc hiedenen M odelle In diesem Abschnitt w erde n die Fadenkrafter g ebnisse für die vier S imulationsmodelle miteinander verglichen. Die Bilder 6.5 und 6.8 bis 6.10 z eig en die Ergebnisse der vier Simulationsmodelle bei vier verschieden en vorgegebenen Fadenkräften. Dargestellt wird die Fade nk raft in [cN] über der Schlittenposition in [m]. Die schwarze Kennlinie z eig t das Ergebnis der idealen Sit uation (Abschnitt 5.3.1). Die rote Kennlinie ist das Ergebnis für das Fadenkraftsteuerungss y stem nur mit einer F ed er ( Abschnitt 5.3.2), die blaue Kennlinie ist das Ergebnis für das Fadenkraftsteuerung ss ystem nur mit einer Fade n einrichtung ( Abschnitt 5.3.3) und die grüne Kennlinie zei gt das Ergebnis fü r da s Fade nk raftsteuerungss y st em mit einer Feder und einer Fadeneinrichtung (Abschnitt 5.3.4). Bild 6.5: Simulationsergebnisse bei gefordertem Kraftwert von 30 [cN] Das Bild 6.5 zeigt die Fadenkraft bei gefordertem W ert von 30 [cN]. Die s chwa rze Kennlinie (ideale Sit uation) erreicht den konstanten Wert 30 [ cN] im g anzen Pr ozess mit kleinen Abweichunge n, die ab der Schlittenposition S = 59 [cm] beginnen, welche jedoch ignoriert werden könn en. Die rote Kurve (Fadenkraftsteuerungss y stem mit einer Feder) und die g rün e Kurve (Fadenkraftsteuerungss y stem mit einer Feder und einer Fadeneinrichtung ) weisen zwischen den Schlittenpositi onen S = 59 [cm] und S = 62 [cm] eine größere Abweichung von ca. 15 bis 25 [c N] vom g e wünsc hten Wert 30 [ c N] auf. In diesem Bereich wird die Masche ge bil det. Das bedeutet, d ass die Maschenfadenkr aft geringer als die erforderliche Kraft ist und die Fadenlänge größer als der e rforderliche Wert . Die blaue Kennlinie ( Fa denkraftsteuerun gssystem mit Fadene inrichtu ng) hat übe r den ge s amten Prozess eine große Abweichung, welche bis zur nächsten oder übernächsten Ergebnisse und D i skussion 90 ausgebildeten Masche an der Nadel bleibt, was wiederum den Fade n verbr au ch für eine Masche beeinflusst. Ab der Schlittenposition S = 59 [cm] bis zur Position S = 61 [cm], im Bild 6.5 orange eingekreist, hat die Fadenkraft einen negative n Wert. Das folgende Bild 6.6 zeigt den Unt ersc hied in der Fadenkraft zwischen S imulation und experimenteller Untersuchung. I n der Situation im Bild 6.6.A b efindet sich der Faden un ter einem Zu g, so dass die Fadenkraft einen Wert größer als Null ( 0) besitzt, sowohl in der S imulation als auch in der e x perimentellen U ntersuchung. I n der Situation im Bild 6.6.B befindet sich der Fa d en unter Druck. In der experimentellen Untersuchung (hellblaue Kurve ) hat die Fade nk raft keinen Wert, da die Kraft F den Faden drückt und sich der Faden entspannt. I n der Simulation (dunkelblaue Kurve) hat der Faden eine Drucksteifigkeit im Gelenk an welche r die Fadenkraft im S i mulationsmodell ermittelt wird. Da der Faden im Simulationsmodell kürz er ist , besitzt er weniger Möglichke it en sich durchzubiegen [Bei08]. Bild 6.6: Fadenkraft in der Simulation und in der experimentellen Unter su chung [B ei08] Bild 6.7: Fadensituation ab Position 5, S = 59 [ c m] bei der Varia nte Fadeneinrichtung Das B ild 6.7 zeigt die Fade nsit uation ab Position S = 59 [ cm ] bei der Varia nte mit FER. Ab dieser Posit ion be g innt der Fadenführer sich nach links zu bewegen, das Fa den ende ist fest. Ergebnisse und D i skussion 91 Dies führt z u Druck im F aden (blauer Kreis) und damit negativen Fadenkraftwerten. Bei der experimentellen Untersuchung ist die Fadenk raft in dieser Situation null . Um dieses Problem zu beheben, kann sich die Fa d ensimulation mit MKS für die weiteren Forschungen ergeben. Bild 6.8: Simulationsergebnisse bei gefordertem Kraftwert von 40 [cN] Bild 6.9: Simulationsergebnisse bei gefordertem Kraftwert von 50 [cN] Ergebnisse und D i skussion 92 Bild 6.10: Simulationsergebnisse bei geforderte m Kraftwert von 60 [cN] Die Er gebnisse bei den weiteren Kr aftwerten vo n 40, 50 und 60 [cN] weisen ve rgleic hba re Charakter ist ika wie bei 30 [cN] auf. 6.3 V alid ier u ngen des Mode ll s Mit Hilfe der experimentellen Untersuchung erf ol gt die Validierung d es Simulationsm odells. Dazu werden die Er gebnisse der Untersuchu ng mit den Er g ebniss en der Simulation verglichen. Nach der Validierung d es Modells können die Ergebnisse der S imulat ion zur Bewertung der v ersc hi edene n Fade nk raftsteuerungssysteme ve rwe nd et werden. Auf der andere n S eite k ann das Modell für zukünftige Konzept e im Bereich des Fadenkraft- steuerungssystems verwendet werde n [ Sar09]. ja Bild 6.11: Validationsverfahren für das Simulationsmodell [S ar09] Experim entelle Untersuchung Ergebnis Vergleich Entwicklung im Simulationsm odell Gleich Simulation de s Modells Ergebnisse de r Untersuchung Ergebnisse de r Simulation Parameterände rung Ja nein Entwicklung im Modell Ergebnisse und D i skussion 93 Das Bild 6.11 zeigt das angewandte Validierungsverfahren für die S imulation. J edes Simulationsergebnis wird mit dem entsprec h enden experimentellen Ergebnis vergliche n und analy si ert, um die Schwachpunkte in der Simulation zu erkennen und damit die Korrelation zwischen Messung und Simulation zu erhöhen. Die Abweichung z wischen Simulation und Messung ist relativ hoch, da es einzelne Fehler in der Modellierungsmethode oder bei den gewählten Parametern gibt. Der einzige Ausgang s- wert, welcher anhand der Messungen validiert wird, ist die Fade n kraft. Nach der Unte rsuchung des Simulationsmodells werden z wei unterschiedliche Einfluss - möglichkeite n für die Abweichunge n untersuc ht. Zuerst wird im Abschnitt 5.1.4 die Simulationsmethode analy siert, um keine Simulationsabbrüche od er F ehlermeldungen und plausible Ergebnisse zu erhalten. Anschließ end werden die g ewählten P ara meter näh er untersucht, besond ers die Federste i figkeit und Dämpfung im Kontaktkraftelement zwischen Nadel und S chlitten (Abs chnitt 5.1.2) und zwischen Nade l , Fadenführer und F ad en (Abschnitt 5.1.4). Be i d en Modellen mi t F eder wird die Fe d ersteifigkeit untersuc ht so wie die Parameter für die Positionen der Punkte A, B und C (se h e Bild 5.23). 6.3.1 Pr in zip der Validierung Die Modellvalidierung wird über de n Ver g leich zwischen der experimentellen Untersuchun g (Kapitel 4) und den Sim ulationserg ebnissen (Kapitel 5) gemacht. Es werden die drei verschiedenen Fadenkraftsteuerungss y steme (Feder, FER und Feder mit FER) für vier verschiedene Fade nk raftwerte benutzt. Tabelle 6.5: Der Ze itpun kt an welche m d er Fade n die Positionen erre icht Position Schlittenposition [c m] Beschreibung 1 50 Nadel und Fadenführer sind in Ruhe. 2 52,5 Nadel und Fadenführer sind in Ruhe. 3 53,7 Nadel beginnt sich nach oben zu bewege n. D er Fadenführer ist weiterhin fixiert. 4 55,8 Nadel ist in der oberen Nadelposition. Der Fadenführer ist weiterhin fixiert. 5 59 Nadel bewegt sich na ch unten. De r Fa d enführer beg innt sich zu bewegen. 6 60 Nadel bewegt siche r wieder nach unten und der Fadenführer ist in der gleic h en vertikalen Position wie die Nadel. 7 61,2 Nadel bewegt sich wieder nac h unten und d er Fadenführer hinter der Nadel ist in der Endposition. 8 62 Nadel ist in der tiefe n Nadelposition. Der Fadenführer bewegt sich nicht. 9 62,7 Nadel ist an der tiefen Position ohne Bewegung. Der Fade n führer bewegt sich nicht. 10 64,5 Nadel und Fadenführer weiterhin in Ruhe und der Schlitten bewegt sich weg von der Nade l . Ergebnisse und D i skussion 94 Die P ositionen, an dene n die Fadenkraftwerte ab g elesen werden, werden im Abschnitt 4.7 beschrieben. Es wird für jede Posit ion die Schlittenposition ermittelt, an der Fade n die Position erreicht und in Tabelle 6.5 dargestellt. Der P fad der b eweg li chen Elemente wird relativ zum S y st em On (Bild 5.15) im B ild 6.12 vorgestellt. Die Tab elle 6.5 beschreib t die Ze itpunkte und die P ositionen. Bild 6.12 : Zeitpunkte der Positionen Zur Berechnung der Simulationsungenauigkeit und der Simulationsgena ui gke it für die Simulationsergebnisse werden die Gleichungen (6.1) und (6.2) benutzt. I n dieser Gleichun g wird das experimentelle Untersuchungserge bnis a ls ein Hinweis benutzt [Sa r09]. 𝑆𝑖𝑚𝑢𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠𝑢𝑛𝑔𝑒𝑛𝑎𝑢 𝑖𝑔𝑘𝑒𝑖𝑡 (%) = 𝑆𝑖𝑚𝑢𝑙𝑎 𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠𝑤𝑒𝑟𝑡 −𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒𝑙𝑙𝑒𝑟 𝑊𝑒𝑟𝑡 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒𝑙𝑙𝑒 𝑊 𝑒 𝑟 𝑡 ∗ 100 (6.1) 𝑆𝑖𝑚𝑢𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠𝑔𝑒𝑛𝑎𝑢𝑖𝑔𝑘𝑒𝑖𝑡 ( % ) = 100 − 𝑆𝑖𝑚𝑢𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠𝑢𝑛𝑔𝑒𝑛𝑎𝑢 𝑖𝑔𝑘𝑒𝑖𝑡 (6 .2 ) 6.3.2 Die Simulationsgenauigkeitsergebniss e Mit Hilfe der Gleichungen (6.1 und 6.2) werde n die S i mulationsgenauigkeitergebnisse für vier versc hiedene erforderliche Fadenkraftwerte berechnet. Jede Tabe lle zeigt die Er gebnisse für jedes Fa denk raftteuerungssystem (Feder, F ER und Feder mit FER) in allen P ositionen. E s wird jewe ils der Wert für das S imulationsmodell (sim), für die experimentelle Untersuchung (exp) sowie die Simulationsg enaui gke it (%) dargestellt. Pos1 Pos2 Pos3 Pos4 Pos5 Pos6 Pos7 Pos8 Pos9 Pos10 57 57,5 58 58,5 59 59,5 60 60,5 61 61,5 62 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 47,5 52,5 57,5 62,5 67,5 Fadenfüh r erposition [c m] Nadelposition ( 𝑍 _ 𝑛𝑜𝑛 ) [cm ] Schlittenposition [cm ] Zeitpunkten der Positionen Nadelpfa d Fade nführerpfad Nade lpositi on Ergebnisse und D i skussion 95 Die Simulati onsg enauigkeit bei der Variante mit FER besitz t an ein ig en Stellen keinen gültigen W ert (als x in der T abelle dargestellt), da k ein Wert aus der experimentellen Untersuchung in dieser Position ge m essen wurde (Position 5 bis 7). Die Tabellen 6.6 bis 6.9 zeigen die Simulationsgenauigkeiten bei den erforderlichen Wert en 30, 40, 50 und 60 [cN] Tabelle 6.6: Die Gena ui gke it des Simulationsmodells bei dem Wert 30 [cN] 5 Position Feder [cN] FER [cN] Feder+FER [cN] Sim Exp % sim exp % sim exp % 1 33 31 +93,6 18,2 18 +98,8 33 32 +96,9 2 32 30 +93.3 17,5 18 -97,3 29,8 32 -93,1 3 30,5 30 +98,3 17 14 +88,6 28,5 31 -91,9 4 30,1 29 +96,2 15,5 12 +70,9 30 29 +96,6 5 30,1 26 +84,2 0 0 X 28 27 +96,3 6 9 10 - 90 0,5 0 X 11 10 +90 7 9 8 +87,5 -3,5 0 X 10 8 +75 8 20,5 17 +79,5 2,6 3 -86,6 19 15 +79 9 26,2 22 +80,9 4,8 5 - 96 30 25 +80 10 25 28 -89,3 5,4 7 -77,2 22 29 -75,9 Tabelle 6.7: Die Gena ui gke it des Simulationsmodells bei dem Wert 40 [cN] Position Feder [cN] FER [cN] Feder+FER [cN] Sim Exp % sim exp % sim exp % 1 43 41 +95,2 16 19 -84,2 44 41 +92,7 2 42 40 +95 14,5 18 -80,6 39 41 -95,1 3 40 39 +97,5 14,3 15 -95,3 38 40 - 95 4 38 37 +97,3 14 11 +72,8 37 38 -97,4 5 37 33 +87,9 -0,2 0 X 34 32 +93,7 6 16,5 19 -86,9 1,1 0 X 20 18 +88,9 7 15 14 +92,9 -0,7 0 X 18 16 +87,5 8 24 22 +91 2,8 3 -93,4 27 21 +71,5 9 38 36 +94,5 6,4 5 - 72 43 37 +83,8 10 34 37 -91,9 5,9 9 - 69 29 37 -78,4 5 Der positi ve Wert für die Genauigkeit bedeutet, dass der Simulationswert größer als der experimentelle Untersuchungswert ist. Der ne g at ive W ert für die Genauigke it bedeutet, dass der Simulationswert kleiner als der experimentelle Unter suchun g s wert ist. Ergebnisse und D i skussion 96 Tabelle 6.8: Die Gena ui gke it des Simulationsmodells bei dem Wert 50 [cN] Position Feder [cN] FER [cN] Feder+FER [cN] Sim exp % sim exp % sim exp % 1 50,5 51 -98,4 20 22 - 91 54 50 +92 2 49,9 50 -99,8 17,5 20 -87,5 50 49 +98 3 49,5 49 +99 17,3 19 -91,1 51 48 +93,8 4 49,3 49 +99,4 17 16 +93,8 47 46 +97,9 5 49,1 41 +80,2 -2 0 X 47 43 +90,7 6 25 27 -92,6 -7 0 X 27 28 - 96 ,5 7 23 21 +90,5 2 0 X 30 24 +75 8 38 31 +78,5 3,1 4 -87,5 37,5 32 +82,8 9 48 42 +85,7 6 5 +80 40 44 -90,9 10 45 42 +92,9 6,3 9 - 70 41 45 -91,1 Tabelle 6.9: Die Gena ui gke it des Simulationsmodells bei dem Wert 60 [cN] Position Feder [cN] FER [cN] Feder+FER [cN] Sim exp % sim exp % sim exp % 1 61 62 -98,4 25 33 -75,8 63 61 +96,7 2 60 61 -98,4 24 31 - 78 ,5 64 59 +91,4 3 59,9 58 +96 ,3 23 29 -79,4 60 59 +98,3 4 59,7 5 58 +97 22 18 +77,8 59 55 +92,7 5 59,5 53 +87,7 0,8 0 X 58 51 +86,3 6 35 38 -92,1 -6 0 X 35 34 +97,1 7 33 30 +90 -8 0 X 38 32 +81,2 8 43 42 +97,6 3 4 -75 55 44 +75 9 55 47 +83 7,7 7 +9 0 62 49 +73,5 10 53 42 +73,8 8,4 10 - 84 47 51 -92,2 Die Gen auigke it der Simulationsergebnisse fü r d as Fadenkraftsteuerungss ystem Feder für die erforderliche Fadenkraft 30 [cN] liegt im Bereich z wische n 79,5 und 98,3%, für 40 [cN] zwischen 86,9 und 97,5%, für 50 [ cN] zwischen 77,5 und 99,8% und für 60 [cN] zwischen 73,8 und 98,4%. Di ese Ergebnisse zeigen eine g ute Übe r einstimmung z wischen Sim ulation und experimenteller Untersuchung. Die Genauigkeit de r Simulationsergebnisse für das Fadenkraftsteuerung ssy stem Feder+FER für die erf o rde rlich e Fa d enkraft 30 [cN] lieg t im B ereich zwischen 75 und 96,9%, für 40 [ cN] zwischen 71,5 und 97,4%, für 50 [cN] zwischen 75 und 97,9% un d für 60 [cN] zwischen 73,5 und 98,3%. Diese Er g eb nisse zeigen eine gute Übereinstimmung zwisc hen Simulation und experimenteller Untersuchung. Die Simulationsergebnisse im Bereich von Position 1 bis 4 haben bei den beiden Fade nk raftsteuerungss y st emen Fe der und Feder+FER eine s ehr hohe Genauigke it, ab Posit ion 5 bis 10 ist die Ge nauigkeit geringer, da hier der S trickproze s s abläuft und das Kontaktkrafte l ement zwischen Faden und starre m Körper in der Simulation zu laufen beginnt. Ergebnisse und D i skussion 97 Die Genaui g keit für das Fade nkr aftsteuerungssystem FER is t deutlich schlec hter, bei einer Position wird sogar eine Ungenauigkeit von 30% erreicht. I n d er e x perime ntellen Untersuchung wurden bei dieser Variante an den Positionen 5, 6 und 7 keine Werte gemessen, deshalb wurde in der T abelle der Wert Null (0 ) eingetr a g en und keine G enauigke it für die Simulationsergebnisse b ere chn et. Die Simulationsergebnisse in dies en Positionen haben positive oder negative W erte. Der Grund hierfür wurde in den Bilder n 6.6 und 6.7 beschrieben. 6.4 Simulationsergebnisse für das neue Konzept In diesem Abschnitt werde n die S imulationsergebnisse für die Faden kraft bei vier unterschiedliche n erforderlichen Kraftwerten erläutert. Außerdem wird die Verifikation des Simulationsmodells besc hrieben und anschließend erfolgt die Diskussion der Ergebnisse. Am Ende g ibt es di e Auswertung fü r das Konzept mit einer Auflistung der Vor- und Nachteile. 6.4.1 Verifikation des S i mulationsmodell und Diskussion Bild 6.13: Fadenkraftwerte für die erste Variante und die verif iz ierte V arian te Das Bild 6.13 zei g t die Fadenkraft für das Modell des neuen Konz epts beim erf o rderlichen Wert 50 [cN]. Die blaue Kennlinie zeigt das Ergebnis der ersten Variante (Ausga n g smodell) und die rote Kennlinie zeigt das Ergebnis der le tz ten Va riant e na ch der Ver ifikation. Die Kennlinien für die Fade n kraft im Bild 6.13 zeigen zwei Probleme auf. Z um einen die plötzliche Fa denkraft änderung im ganz en Prozess mi t verschieden hohen Spitz e- zu -Spitze- Werten (diese Änderung sieht wie eine Schwingung mit unregelmäßigen Amplituden aus), und zum andere n die hoh en Fadenkraft werte in der Position 8 (Nadel in tiefer Nadelposition), Ergebnisse und D i skussion 98 bei welcher die Masche produziert wird. I n den n ächsten Unterkapiteln werde n die Ursachen für die Kraftänderung und die Fadenkraftwert e um Position 8 im Simulationsmodell beschrieben. Im Abschnitt 5.1.1 wird das Prinz ip des Kontaktkraftelements z wische n zwei starren Körpern beschrieben und de r Abstand S (Bild 5.2) eingeführt, w elche r abhängig von der Feder - Steifigkeit und dem Dä m pfung sw ert ist. Wenn S größer w ird, nimmt die A usg an g sk raft zu. Das Bild 6.14 zeigt für das neue Konzept beim erforderlichen Wert 50 [cN] drei aufeinanderf ol ge nd e Simulationsschritte: die Fadenkraft (rote Kennlini e) , die Geschwindigke it des Schiebestücks (blaue Kennlinie) und eine Abbildung für die Kontaktsituation zwischen Schiebestück und Faden. Die ausgewählten Schritte zeigen die Situation zwischen Position 1 und Posit ion 4, zwischen denen der Fa d en keine Masche erstellt. Bild 6.14: Simulationsschritte bei ruhende m Faden Im Schritt 1 ist die Fade n kraft geringer als der erforde rlich e Wert 50 [ cN] (da s rote Kreuz im Schritt 1). Das Schiebestück beginnt sich nac h links z u bewe gen (da s blaue Kreuz im Schritt Ergebnisse und D i skussion 99 1), um den Faden anzuz iehe n, und z wische n Faden und Schiebestück be g innt sich ein Abstand (S) aufzubaue n (S ist ganz g ering in den B ildern). Im folgenden Schritt steig t die Fade nk raft über die 50 [ cN] (die roten Kreuze), das Schiebestück bewegt sich demzufolge nach rechts und der Abstand (S) wird v erkleinert. Daraus ergibt sich e ine Abnahme der Fade nk raft (Schritt 3) mit den in Schritt 1 besch riebe nen Effekten. D er resultierende Spitze - zu -Spitze-Wert in de r Fadenkraft ist abhängig vom Abstand (S). Das Problem mit den hohen Fadenkraft werte n um Position 8 kann anh and des folgenden Bildes 6.15 erläutert werden. Dort sind sechs aufeinanderfolgende Simulationsschritte dargestellt, in welche n e ine Masche produziert wird und die Nadel den Faden nach unten zieht. I n allen Schritten ist die Fadenkraft höher als der erforderliche Wert 50 [cN]. Das heißt, das Schiebestück bewegt sich nach rechts. Trotzdem ist ein Abstand (S) i n den Abbildungen deutlich zu erkennen. Dies führt z u ein er erhöhten Faden kraft. In den einzelnen Schritten ändert sich die Kontak toberfläche zwischen Fade n und Schiebestück, so dass der Abstand (S) sich unterscheidet und damit auch die Fa d enkraft. In der ans chließe nden Verifikation w erden die Einflü sse untersucht, u m die Kraftwerte z u reduzieren. Hierzu werden im S imulationsmo dell Änderungen vorge nommen, um die Ursachen zu verringe r n. Die ersten Änderunge n werde n im Simulink-Modell vorgenommen, um die Reaktion und die Bewegung des Schiebestücks zu erhöhen, im zweiten Schritt werden dann Änderungen an den Parametern im Simpack-Modell durchgeführt. Die Änderung smö glichkeiten sind: 1. Startge s chwindig k eit des Schiebestücks (Simulink), 2. höhere Besc hl eunig un g d es Schiebe stücks (Simuli nk), 3. Änderung der Kontaktkraft-Para m eter (Simpac k ). Für jede Änderungsmöglichkeit wird deren Wirkung sowohl in der Phase zwischen den Positionen 1 und 4 als auch in der Position 8 untersucht. Folgende Größen werde n zur Be wertun g de r Wirk ung ve rwe nd et: 1. Phase zwischen Position 1 und 4 a. di e Anzahl d er S pitzen pro Sekunde b. die höchsten Spitz e- zu -Spitze-Werte 2. u m die Position 8 a. die höchste Fadenkraft Ergebnisse und D i skussion 100 Bild 6.15: Simulationsschritte um die Position 8, in der die Ma s che produziert wird Ergebnisse und D i skussion 101 6.4.1.1 Wirkung der Startge schw indigkeit d es S chiebestücks Bei d en ersten Versuchen wird die Startgeschwindigkeit ( 𝑣 0 ) auf 0 [ m/s] ge s etzt , Gleichung en (6.5) und (6.6). 𝑣 = 𝑎 ∙ 𝑡 + 𝑣 0 (6.5) 𝑥 = 1 2 ∙ 𝑎 ∙ 𝑡 2 + 𝑣 0 ∙ 𝑡 (6.6) 𝑥 : Position des Schiebestücks 𝑣 : Geschwindigke it des Schiebstücks 𝑣 0 : S tartg eschwindigkeit des S chiebe stück 𝑎 : Beschleunigung d es Schiebestück 𝑡 : Änderungszeit für die Fade nkraft Das heißt, sobald eine Änderung in d er F ad enkraft auftr itt , beginnt sich das Schiebestück mit der Startgeschwindigkeit 𝑣 0 = 0 [m/s] z u bewege n. Es wird im Simulink-Modell die Startge s chwindig k eiten variiert und in den folgenden Bildern werden nach der Simulation die Bewertungsgröße n üb er der Startge sch windig keit aufg etr ag en. Bild 6.16: Wirkung der Startge s chwindig k eit zwischen Position 1 und 4 Die blauen Messpunkte in Bild 6.16 zeigen die Anzahl der Spit zen pro Sekunde und die rote n Messpunkte z eig en den höchsten Spitz e- zu -Spi tze-Wert für die vie r u ntersuchten Start- ge s chwindigkeiten. Die Ausgangsvariante, ohn e Startgeschwindig k eit, weist die höch st e Anzahl an Spitzen auf . S teigt die verwendete Startgeschwindigkeit , so beginnt die Anzahl an Spitzen abz unehmen, die Höhe des höchsten Spit ze- zu - Spitze-Wert es nim mt bis zu einem Wert zu, bevor sie dann abfällt. 0,65 0,67 0,69 0,71 0,73 0,75 0,77 0,79 0,81 20 25 30 35 40 -0,001 1,1E-17 0,001 0,00 2 0,003 0,00 4 0,005 Kraftuntersc hied [N] Spitzenzahl Startges chwindigkeit [m /s] W irkung der S tar tgeschwin digkeit zw . Position 1 u nd 4 Anzah l der Spitzen pro Sekund e höchst e Spitze-Sp i tze Wert Ergebnisse und D i skussion 102 Das Bild 6.17 zeig t die Wirkung der Startgeschwindigkeit auf die Faden kra ft an der Position 8, welche mit zunehmender Startgesc h windigke it abnimmt. Bild 6.17: Wirkung der Startg es chwindig k eit a n der Position 8 Zusa mm enfassend zeigt die Variante mit der Startgeschwindigke it 0,005 [ m/s] die besten Ergebnisse. Simulatione n mit einer höheren Startgeschwindigkeit, um die F ade n kraft zu reduzieren, konnten nicht erfolgreich berechnet werden, weil der Abstand (S) sehr groß ist . Die Begründung wird im Abschnitt 5.1.1 und Abschnitt 5.1.4 beschriebe n. 6.4.1.2 Wirkung einer erhöhten Beschleunigung des Schiebest ü cks Damit das S y stem d y namischer reagieren kann, wird die Beschleunigung des Schiebestücks mit einem Faktor multipliz iert. Das Bild 6.18 zeigt die Auswirkungen auf die Anz ahl der Spitzen pro Sekunde (d ie blauen M esspunkte) und die Auswirkungen auf den höchsten Spitze- zu -Spitze-Wert (die roten Messpunkte) b ei verschiedenen Beschleunigungsfaktoren. Bei der Aus ga n g sv aria nt e liegt die Anzahl der Spitzen pro Sekunde bei 39 und der höchste Fade nk raftunterschied bei 71 [cN] . Im Bild 6.1 9 ist die Auswirkun g der Beschleuni gung s - erhöhung auf die Fadenkraft dargestellt, welche in der Ausgang sv ariante bei 8 [ N] liegt. Bild 6.18: Wirkung der erhöhten Beschleunigung zw ischen Position 1 und 4 5 6 7 8 9 -0,001 1,1E- 17 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 Fade nkraft [N] Startge schwindigkeit [m/s] W irkung der S tar tgeschwin digkeit an der Position 8 Fadenkraft 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 20 25 30 35 40 1 1,5 2 2,5 3 Kraf tunterschied [ N] Spitzenzahl F aktor Beschleunigung [-] W irkung der B esc hleun igung an ruhe Zustand Anzah l der Spitzen pro Sekund e höchst e Spitze-Sp i tze Wert Ergebnisse und D i skussion 103 Bild 6.19: Wirkung der erhöhten Beschleunigung an der Position 8 Mit Erhöhung der Beschleunig un g nimmt die Anz ahl der Spitz en pro Sekunde ab bis zum Grenzwert Faktor 2,3 während gleichzeitig der Fadenkraftunterschied ansteigt. Ab dem Grenzwert dreht sich das Verhalten um. Die Fa d en kra ft an Position 8 hat in diesem Grenzwert ihr Minimum, so dass de r Faktor 2,3 für die weiteren Untersuchungen (nach der Verifikation) berücksichtigt wird. 6.4.1.3 Wirkung bei Änderung der Kontaktkraft -P arameter Die erste Möglichkeit z ur direkten Beeinflussung de r Fadenkraft ist die Änderung der Parameter im Kontaktkraftelement. Dies sind die Parameter Federsteifigkeit und Dämpfung, welche die Kontaktkraft beeinflussen. In de r Aus ga n g sv ariante in diesem Versuch waren die beiden Parameter die gleichen wie in den V arianten, we lch e k ein Schiebestück haben (das heißt, die Varianten mit Feder, mit FER und Feder oder mit F ER). Bild 6.20: Wirkung der Kontaktkra ft z wischen Po sition 1 und 4 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3 Fade nkraft [N] Faktor Besc hleunigung [-] W irkung der B esc hleun igung an der Position 8 Fadenkraft 0,6 0,7 0,8 0,9 1 25 30 35 40 45 1 1,25 1,5 1,75 2 Kraftuntersc hied [N] Spitzenzahl Faktor Kontaktkraft [Mal] W irkung des Kontaktkraft zw . Position 1 u nd 4 Anzah l der Spitzen pro Sekund e höchst e Spitze-Sp i tze Wert Ergebnisse und D i skussion 104 Das Bild 6.20 z eigt die Er g ebnisse bei verschiedenen Faktoren für die Kontaktkraft. Die Anzahl an Spitzen pro Sekunde (die blaue n Messpunkte) in der Ausgangsvariante liegt bei 31, nimmt mit steigende r Ko ntaktkraft bis zum Grenzwert Faktor 1,5 zu, bevor sie wi eder abfällt. Der Fadenkraftunterschied (die roten Messpunkt e) weist keinen regelmäßigen V erla u f auf, besitzt jedoch beim Grenzwert Faktor 1,5 ein lokales Mini mum. Im Bild 6.21 zeigt sich der direkte Einfluss de r Kon taktkraft au f die Fade n kraft deutlich, mit zunehmender Kontaktkraft steigt a uch die Fadenkr aft an der Position 8. Daraus folg t, d ass die Aus gang svariante für die weitere n Unt ersuchungen verwendet wird. Simulationen mit verrin gerter Kontaktkraft, um die Fadenkraft z u reduzieren, konnten nicht erfolgre i ch berechnet werden. Bild 6.21: Wirkung der Kontaktkra ft an d er Position 8 6.4.1.4 Bewertung der Ver if ikation Im Anschluss an die Verifikation we rde n die gewählten Parameter z usammen in einer Variante untersucht und mi t der Ausgangsvariante verglichen, um eine Aussage über die Güte der ausgewählten Para m eter z u g enerieren. Die Anzahl an Spitzen zwische n P osition 1 und 4 ist in der letzten Variante um 21% geringer, der höchste Spitz - zu -Spitze-Wert ist um 34% geringer und die höchste Fadenkraft an der P osition 8 ist um 71% reduziert. Die Tabelle 6.10 zeigt die Absolutwerte für die beiden Varianten und die Auswe rtun g . Tabelle 6.10: Die Verif i kation des Simulationsversuchs erste Variante letzte Variant Auswertung Spitzenzahl 39 Spitzen 34 Spitzen 21% Spitze zu Spitze Wer t 71 [cN] 56 [cN] 34% höchste F aden kraft 880 [cN] 250 [cN] 71% 0 5 10 15 20 1 1,25 1,5 1,75 2 Fade nKraft [N] Faktor Kontaktkraft [-] W irkung des Kontaktkraft an der Position 8 Fadenkr aft Ergebnisse und D i skussion 105 6.4.2 Die Ergebnisse des neuen Konzepts Die B ilder 6.23 bis 6.26 z eig en die Erge bnisse de s neuen Konzepts nach der Verifikation. Die schwarzen Kennlinien z eigen die Fa denk ra ft werte für die ideale Situation (Abschnitt 5.3.1). Die blauen Kennlinien zeigen die Fadenkraftwerte für die S imulation mi t Schiebestück, die roten Ke nnlinien stellen einen ge mitt elten Verlauf der blauen Kennlinien dar. Diese rote Kennlinie wird mittels eines Filters erzeug t, dessen prinzipi elle Funktiona lität im Bild 6.22 dargestellt ist. Bild 6.22: Sliding Mean Filter mit X m = X s [Sim9200] Dieser Filte r erzeugt eine Reihe von g leitenden Mit telwerte n des Eingangssignals. Der Filter teilt das Eingangssignal in einzelne Fenster mit d er Breite X m . Dann werden die Mittelwerte für beide Seiten des Fensters berechne t. X s ist der Abstand z wischen den Zentren von z wei folge nd en Fenstern, die die Breite X m haben. Die Werte für X m und X s s ind sowohl im Bild 6.22 als auch in der du rchgeführten A us wertung gleich groß [Sim9200]. Bild 6.23 : S i mulationsergebnisse für den erforderlichen Wert 30 [ cN] IV V II III I Ergebnisse und D i skussion 106 Das Bild 6.23 z eigt die Fadenkraftergebnisse für den erforderlichen Wert 30 [cN]. Die schwarze Kennlinie (ide ale Situation) bleibt über den gesamten Prozess relativ konst ant um den Wert 30 [cN], abgesehen von kleineren Abweichungen ab d er Schlittenposition 59 [ cm ] (Position 5), welche je doch ignoriert w erde n können. Im Gegensatz dazu hat die blaue Kennlinie viele Spitzen (plötzliche Fadenkra ft änderung) über den gesamten Prozess, weshalb in S impack die rote Ke nnlinie durch einen Filter erzeugt wird, der ein e Mittelung für die Fade nk raft des Mode lls mit dem Schiebestück darste llt. Die rote Kennlinie kann in fünf Gebiete unter t eilt werde n , welche im Fol gende n b eschrie b en we rd en: I. Der Fadenkraftwert ist geringer als der e rforderliche Wert (schwarze Kennlinie), weil sich in diesem Ze it fe nster alle Körper in der S imulation beg innen z u bewege n und damit das Schiebestück den Fa d en bis zum erforderlichen Wert be w egt. II . Der Fadenkraft we rt pendelt um den erforderlichen Wert, da si ch das Schiebestück in der richtigen Position für die erforderliche Fadenk raft befindet und der Fadenführer in der ruhe nd en Position. III . In diesem Gebi et nim mt der Fadenkraftwert ab, da der Fadenführer mit seiner horizontalen Bewegung beginnt und damit di e Faden kraft abnimmt. Gleichzeitig beg innt sich da s S chiebestück zu bewegen, um den Faden mitzuziehen. IV. Nach dem Fadenführer- und der Schiebestückbewegung trifft die Nadel den Fade n und zieht ihn nach unten. Das führt zur Erhöhung der Faden kraft, weshalb sich das Schiebestück in Richtung – x zu bewe gen be g innt bis zur erf orderlichen Fadenkraft. I n diesem Gebiet wird die Masche g ebildet. V. Der Fadenkraftwert pend elt um den erforderlichen Wert, da die Masche fertiggestellt ist und es keinen neuen Prozess bis zur nächsten Schlittenbeweg un g g ibt. Bild 6.24 : S i mulationsergebnisse für den erforderlichen Wert 40 [ cN] I II III IV V Ergebnisse und D i skussion 107 Bild 6.25 : S i mulationsergebnisse für den erforderlichen Wert 50 [cN] Bild 6.26 : S i mulationsergebnisse für den erforderlichen Wert 60 [ cN] Die Bilder 6.23 bis 6.26 zeige n analog dazu die Ergebnisse mit verschiedenen erforderlichen Werten, wie an der B ilde rbe schriftun g erka nnt w erden ka nn. I II III IV V I II III IV V Ergebnisse und D i skussion 108 6.4.3 Auswertung des Konzeptmodells Die Auswertung des Konzeptmodells wird über den Vergleich z wischen den Simulationsergebnissen für die idea le S ituation (Abschnitt 5.3.1) und den Simulations - ergebnissen für da s Konz eptsmodell (Abschnitt 5.4) vorgenommen. Zur Konz eptmodellauswertung wird die Gleichung (6.7) benutzt. I n dieser Gleichung werden die Simulationserge bniss e für die ideale Situation als Refe r enzwert ve r we n det [Sar09]. 𝐾𝑜𝑛𝑧𝑒𝑝𝑡𝑚𝑜𝑑𝑒𝑙𝑙𝑎𝑢𝑠𝑤𝑒𝑟𝑡𝑢𝑛𝑔 (%) = 𝐾𝑜𝑛𝑧𝑒 𝑝𝑡𝑠 𝑚𝑜𝑑𝑒𝑙𝑙 𝑊𝑒𝑟𝑡 −𝑆𝑖𝑚𝑢𝑙𝑎𝑡 𝑖𝑜𝑛𝑠𝑤𝑒𝑟 𝑡 𝑆𝑖𝑚𝑢𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠 𝑤𝑒𝑟 𝑡 ∗ 100 (6.7) Der Verg lei ch der Simulationsmodelle für die ideale Situation (Opt) mit den Ergebnissen de s Konzeptsmodells (Ent) sowie die Abweichung (%) wird in der folgenden Tabelle 6.11 dargestellt. Tabelle 6.11: Die Auswertung der Konzeptmodelles 6 Position Faden k raf t 30 [cN] Faden k ra ft 40 [ cN ] Opt Ent % Opt Ent % 1 30 33 +10 40 37 - 7,5 2 29,9 31 +3,3 40 47 +17,5 3 30 30 0 40 40 0 4 30 30 0 40 38 -5 5 30 23 - 23,3 40 31 - 22,5 6 29,9 22 - 26,7 40 28 -30 7 29,9 29 - 3,3 40,1 39 - 2,8 8 30,1 75 +149,1 40 105 +162,2 9 30 87 +189,1 40 80 +98,9 10 30 27 - 10,2 39,9 39 - 2,5 Posi tion Faden k raf t 50 [cN] Faden k ra ft 60 [ cN ] Opt Ent % Opt Ent % 1 50 47 -6 60 60 - 0,1 2 50 57 +14 60 59 - 1,7 3 50 53 +6 60 58 - 3,3 4 50 52 +4 60 62 +3,3 5 50 45 - 10 60 49 - 18,3 6 49,9 38 - 24 60,2 48 - 20,3 7 50,1 51 +1,7 60,1 75 +24,8 8 49,9 125 +150 60,1 230 +283 9 50,1 112 +123,4 60,2 150 +149,3 10 50 50 0 60,1 60 - 0,2 Ab Posit ion 5 bis P osition 7 (Gebiet 3 im Bild 6. 23) wird der Fadenführer beweg t, was dazu führt, dass die Fadenkraft abnimmt und sich das Schiebestück nach vorn e bewegt. B ei den 6 Der positive Wert für die Abweichung bedeutet, dass de r Sim ulationswert bei dem Konzept größer als in der idealen Situation ist. Der neg ati ve Wert für die Abwe ic hung bedeutet, dass der Simulationswert bei dem Konzept kleiner als in der idealen Situation i st . Ergebnisse und D i skussion 109 Positionen 8 und 9 (Gebiet 4 im Bild 6.23) wird der Faden von der Nadel nach unten g ezogen, die Fadenkraft nimmt zu und das Schiebestück b ewegt sich nach hinten. Zwischen Position 1 und 4 sowie in P osition 10 sind die Ergebnisse gut, da hier keine Bewegung fü r Fadenführer, Fade n und Nadel auftritt, bz w. ab P osition 10 das S y stem nach der M asc henerstellung in Ruhe ist. 6.4.4 Vorteile und Nachte ile des neuen Konze pt s Mit den Erkenntnissen aus der Erg ebnisanal y se lassen sich folgende Vor - und Nachteile für das Konzeptmodell auflisten: Vorteile: Über den gesamten Prozess hat die Fade n kraft einen gültigen Wert. Da de r Sensor zur M essung d er Fadenkra ft im Fadenführer in der Näh e der Nadel liegt, wird der gerade an der Masc he anliegende Fadenkraftwert g em essen und für die Rege lun g verwendet. Im Gegensatz zu den etablierten S ensorpositionen gibt es in diesem Fall nur eine Kontaktpositi on, welche aufgrund der Reibun g da s Messerg ebnis verschlechtert. Der Kontaktwinkel am Sensor ist 180°. Das heißt, die Fade nkraftwe rte an den beiden Seiten der Kontaktposition zwischen dem Faden und dem Sens or sind gleich, siehe Gleichung 4.2. Das Konzeptmodell kann für verschiedene F ad ensorten (ela stischer / nicht e lastischer Fade n ) benutzt werden und auch gleichzeitig für zwei verschiedene Fadensorten, die eine Masche bilden. Das Konzept hat keine Feder. Der Rege lkr eis im neuen Konzept braucht nur ein en Einga n g s sparameter (Fadenkraft). Die Strickmaschine mit dem Konzept kann das Gestrick mit einer guten Form ohne Fade nv erlust produzieren. Nachteile: Das Konz eptmodell benötigt einen Servomotor sowie einen Sensor, welche weitere Kosten verursache n. Es können nicht mehr als z wei Fade nführer mit dem Konzeptmodell pro moderne oder alte Strickmaschine benutz en werde n, da der b enötig te Platz für die Se rvomotore n und weitere T eile zum Beispiel für vier Fa d enführer nicht vorha nd en ist. Der Fadenführer mit dem Servomotor und den weitere n Teilen besitz t eine größere Masse. Das heißt, auch ein größeres Trägheitsmoment für d en Fadenführer, wenn er sich mit dem Schlitten bewegt. Das Konzeptmodell hat aufgrund d er be g renzten Schiebestückgeschwindigkeit eine langsa m e Beweg un g s reaktion. Ergebnisse und D i skussion 110 6.5 V ergleich der E rgebnisse In diesem Abschnitt wird ein Vergleic h für alle Ergebnisse für jede erforderliche Fadenkraft (30 [cN], 40 [cN], 50 [cN], 60 [ cN]) dargestellt, die in den Simulationen für alle Fade nk raftsteuerungss y st eme sowie in der experimentellen Untersuc hun g ermittelt wurde n. Es werden nur die wichti ge n Positionen für den V ergleic h der Er g ebnisse in diesem Abschnitt ge z eigt, an denen die Fadenkra ft änderung beginnt. Position 5: Ein Schritt bevor die Fadenführerbewegung beg innt. Position 7: Ende der Bewegung für den Fadenführer, in dieser Position trifft die Nadel den Fa d en noch nicht. Position 8: Die Nadel trifft den Faden und beginnt den Faden nach unten zuziehen. Position 9: Die Nadel mit dem F ad en befindet sich in Ruhe in der tiefsten Position. In d en fol g end en Bilder n we rden für jede erforderliche Fade n k ra ft 8 Säu len dargestellt. Jede Säule stellt das Ergebnis des letzten Abschnitts dar : 1. Die gelbe Säule [ optimal (Sim ) ge nannt] z eig t die Simulationsergebnisse für die ideale Situation (Abschnitt 5.3.1). 2. Die dunkelgrüne Säule [ F eder (Sim) genannt] beschre ibt die Ergebnisse für das Simulationsmodell mit einer Fed er im Fadenkraftsteuerungss y stem (Abschnitt 5.3.2 ). 3. Die grüne Säule [ Feder (Mess) genannt] beschre ibt die Ergebnisse für die experimentelle Untersuchung für das Fadenkra ftsteuerun gssy st em mit Feder (Abschnitt 4.4). 4. Die dunkelblaue Säule [ FER (Si m) genannt] stellt die Erg ebniss e für das Simulationsmodell mit FER im Fadenkraftsteuerungss y stem dar (Abschnitt 5.3.3). 5. Die blaue Säule [ F ER (M ess) g en annt] z eig t die Ergebnisse der expe rimentellen Untersuchung für das Fadenkraftsteuerungss y stem mit FER (Abschnitt 4.7). 6. Die dunkelbraune Säule [ FER+Fede r (Si m ) genannt] stellt die Simulationserge bniss e für das Modell mit FE R und Feder im Fadenkraftsteuerungss y st em d ar (Abs chnitt 5.3.4). 7. Die braune Säule [ FER+Feder (Mess) genannt] zeigt die Er gebnisse der experimentellen Untersuchung für das Fadenkraftsteuerungss y stem mit FER und Feder (Abschnitt 4.7). 8. Die rote Säule [ K onzept genannt] zeigt die Simula tionserg ebnis se für das Konzeptsimulationsmodell für ein neues Fadenkraftsteuerungss y stem (Abschnitt 5.4). Ergebnisse und D i skussion 111 6.5.1 Erforderliche F ad enkraft 30 [cN] Das B ild 6.27 z eig t die F adenk raft an der Position 5 bei erforderliche m Fadenkraftwert 30 [cN]. Der Fade nk raftwert bei Simulation der idealen Situation [optimal (Sim)] ist 30 [cN]. Die Erge bnisse bei dem Fa denkraftsteuerun gssysteme (Feder, FER + F ed er) sind ähnlich dem optimalen Ergebnis [optimal (Sim)]. Bild 6.27: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 30 [cN] an der Position 5 Das B ild 6.28 z eig t die F adenk raft an der Position 7 bei erforderliche m Fadenkraftwert 30 [cN]. Die Fadenkraftwerte für alle Fadenkraftsteuerungss y steme haben eine g roße Abwei chung , lediglich d as Konzeptm odell hat einen W ert ve rg lei chba r z ur idealen Simulation ( Tabelle 6.11 ). Das B ild 6.29 z eig t die F adenk raft an der Position 8 bei erforderliche m Fadenkraftwert 30 [cN]. Das Ergebnis für das Konzeptmodell zeigt eine d eutliche Abweichung, d er Wert ist jedoch g rößer als der erforderlic h e Wert, während alle anderen Ergebni sse geringer a ls der erforderliche W ert sind. Das B ild 6.30 z eig t die F adenk raft an der Position 9 bei erforderlic hem Fadenkraftwert 30 [cN]. Das Ergebnis für das Konzeptmodell zeigt eine d eutliche Abweichung, d er Wert ist jedoch g rößer als der erforderlic h e Wert, während alle anderen Ergebni sse geringer a ls der erforderliche W ert sind. 30 30 ,1 26 0 0 28 27 23 0 5 10 15 20 25 30 35 Fadenkraft [c N] Position 5 optimal(Sim ) Feder (Sim) Feder (Mess) FER (Sim) FER (Mess) FER+Feder (Sim) FER +Feder (Mess) neues Konzept Ergebnisse und D i skussion 112 Bild 6.28: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 30 [cN] an der Position 7 Bild 6.29: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 30 [cN] an der Position 8 30 9 8 0 0 10 8 29 0 5 10 15 20 25 30 35 Fadenkraft [c N] Position 7 optimal(Sim ) Feder (Sim) Feder (Mess) FER (Sim) FER (Mess) FER+Fed er (Sim) FER +Feder (Mess) neues Konzep t 30 20 ,5 17 2,6 3 19 15 75 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Fadenkraft [c N] Position 8 optimal(Sim ) Feder (Sim) Feder (Mess) FER (Sim) FER (Mess) FER+Fed er (Sim) FER +Feder (Mess) neues Konzep t Ergebnisse und D i skussion 113 Bild 6.30: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 30 [cN] an der Position 9 6.5.2 Erforderliche F ad enkraft 40 [cN] Die Bilder ab Bild 6.31 bis Bild 6.34 zeige n die Erge b nisse für die Fadenkraftwerte in verschiedenen Positionen für der erforderlic h en Fadenkraftwert 40 [cN]. Bild 6.31: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 40 [cN] an der Position 5 30 26 ,2 22 4,8 5 30 25 87 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Fadenkraft [c N] Position 9 optimal(Sim ) Feder (Sim) Feder (Mess) FER (Sim) FER (Mess) FER+Fed er (Sim) FER +Feder (Mess) neues Konzep t 40 37 33 0 1 34 32 31 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Fadenkraft [c N] Position 5 optimal(Sim) Fed er (Sim) Feder (Mess) FER (Sim) FER (Mess) FER+Fed er (Sim) FER +Feder (Mess) neues Konzep t Ergebnisse und D i skussion 114 Bild 6.32: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 40 [cN] an der Position 7 Bild 6.33: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 40 [cN] an der Position 8 40 15 14 0 1 18 16 39 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Fadenkraft [c N] Position 7 optimal(Sim ) Feder (Sim) Feder (Mess) FER (Sim) FER (Mess) FER+Feder (Sim) FER +Feder (Mess) neues Konzept 40 24 22 2,8 3 27 21 105 0 20 40 60 80 100 120 Fadenkraft [c N] Position 8 optimal(Sim ) Feder (Sim) Feder (Mess) FER (Sim) FER (Mess) FER+Feder (S im) FER +Feder (Mess) n eues Konzep t Ergebnisse und D i skussion 115 Bild 6.34: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 40 [cN] an der Position 9 6.5.3 Erforderliche F ad enkraft 50 [cN] Die Bilder 6.35 bis Bild 6.38 z eig en die Ergebniss e für die Fadenkraftwerte in verschiede n en Positionen beim erforderlichen Fadenkraftwert 50 [cN]. Bild 6.35: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 50 [cN] an der Position 5 40 38 36 6,4 5 43 37 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Fadenkraft [c N] Position 9 optimal(Sim ) Feder (Sim) Feder (Mess) FER (Sim) FER (Mess) FER+Fed er (Sim) FER +Feder (Mess) neues Konzep t 50 49,1 41 0 0 47 43 45 0 10 20 30 40 50 60 Fadenkraft [c N] Position 5 optimal(Sim) Fed er (Sim) Feder (Mess) FER (Sim) FER (Mess) FER+Fed er (Sim) FER +Feder (Mess) neues Konzep t Ergebnisse und D i skussion 116 Bild 6.36: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 50 [cN] an der Position 7 Bild 6.37: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 50 [cN] an der Position 8 50 23 21 2 0 30 24 51 0 10 20 30 40 50 60 Fadenkraft [c N] Position 7 optimal(Sim ) Feder (Sim) Feder (Mess) FER (Sim) FER (Mess) FER+Fed er (Sim) FER +Feder (Mess) neues Konzep t 50 38 31 3,1 4 37 ,5 32 125 0 20 40 60 80 100 120 140 Fadenkraft [c N] Position 8 optimal(Sim ) Feder (Sim) Feder (Mess) FER (Sim) FER (Mess) FER+Feder (S im) FER +Feder (Mess) n eues Konzep t Ergebnisse und D i skussion 117 Bild 6.38: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 50 [cN] an der Position 9 6.5.4 Erforderliche F ad enkraft 60 [cN] Die Bilder 6.39 bis Bild 6.42 zeige n die E rgebnisse für die Fadenkraftwerte in verschiedenen Positionen für d en erforderlichen Fadenkraftwert 60 [ cN]. Bild 6.39: Vergleic h d er Fade nsp annung bei erforderlichem Fadenkraftwert 60 [cN] an der Position 5 50 48 42 6 5 40 44 112 0 20 40 60 80 100 120 Fadenkraft [c N] Position 9 optimal(Sim ) Feder (Sim) Feder (Mess) FER (S im) FER (Mes s) FER+Feder (Sim) FER+Feder (Mess) neues Konzept 60 59,5 53 0,8 0 58 51 49 0 10 20 30 40 50 60 70 Fadenk raft [cN] Position 5 optimal(Sim ) Feder (Sim) Feder (Mess) FER (S im) FER (Mes s) FER+Feder (Sim) FER+Feder (Mess) neues Konzept Ergebnisse und D i skussion 118 Bild 6.40: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 60 [cN] an der Position 7 Bild 6.41: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 60 [cN] an der Position 8 60 ,1 33 30 3 1 38 32 75 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Fadenkraft [c N] Position 7 optimal(Sim ) Feder (Sim) Feder (Mess) FER (Sim) FER (Mess) FER+Fed er (Sim) FER +Feder (Mess) neues Konzep t 60 43 42 3 4 55 44 230 0 50 100 150 200 250 Fadenkraft [cN] Position 8 optimal(Sim ) Feder (Sim) Feder (Mess) FER (Sim) FER (Mess) FER+Feder (S im) FER +Feder (Mess) n eues Konzep t Ergebnisse und D i skussion 119 Bild 6.42: Vergleic h d er Fade nk raft bei erforderlichem Fadenkraftwert 60 [cN] an der Position 9 Für den Fadenkraftwert 60 [cN] können verg leic hbare Aussagen wie bei m Fadenkraftw ert 30 [cN] getätig t w erde n. Nach Anal y s e der Fadenkraftwerte bemerkt ma n, dass es einen Unt erschied zwischen den experimentellen Untersuchungsergebnissen und Simulationsergebnissen auf der einen Seite und den Ergebnissen des Konzepts auf der an dere n Seite gibt . Di e Fadenkraft aus d en experimentellen Untersuchungen und Simulationen ist niedriger als der erforderliche Wert. Das heißt, die Fa d enlänge, die zur Erzeugung einer Masche benötigt wird (Position 7 bi s 9), ist höher als der erf o rderliche Wert. Währenddessen die Fadenk raft des Konzeptmodells höher als d er erf orderlich e Wert ist. Das heißt, die Faden länge für den Erzeugungsprozess de r Masche ist geringer als der erforderliche Wert. 60 55 47 7,7 7 62 49 150 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Fadenkraft [c N] Position 9 optimal(Sim ) Feder (Sim) Feder (Mess) FER (Sim) FER (Mess) FER+Feder (S im) FER +Feder (Mess) n eues Konzep t Zusammenfassung und Ausb lick 120 7 Z usa mm enfassung und Ausblick Ziel der Dissertation ist die Untersuchun g der Fadenk ra ft mit Hilfe von S imulationen und Experimenten. Die Motivation ist es, mit Hilfe der so ge wonnenen Erke nntnisse, L ösun ge n zur Regelung e in er konstanten Fadenkraft aufzuzeigen. Zur Untersuchun g des Pr oblems wird ein S imulationsmodell mit dem MKS-Tool SIMPACK aufgeba ut und z usammen mit einer neue n Method e der Fa denmod ellier un g simuliert. Aus den Ergebnissen der ex perimentellen Untersuc hung und der Sim ulation lässt sich genau erklären, wie sich die Fadenkraft an d er ersten Nadel ändert, sobald sich der Fadenführer und die Nadel mit dem Schlitten zu bewege n be g innt und bis beide wieder in Ruhe sind. Die verwendete Strickmaschine wurde ergänzt durch eine elektronische Fadeneinrichtung. Untersucht wurden dre i Fadenkraftsteuerungssy s teme, mit denen jeweils eine Gestrick produziert wur de. Für jedes Gestrick wurde die benötigte Fadenlänge pro Reihe ermittelt und gegenübergestellt. Die drei verwendeten Fadenkraftsteuerungssysteme sind: Feder Fade n einrichtung Feder und Fadeneinrichtung Nachfolge nd wurde ein e neue Entwicklun g vor g es tellt, simuliert und mit den experimentellen Untersuchunge n und den Ergebnissen de r dre i beschriebenen Fadenkr aft-steuerung ss ystem e verglichen. Die Entwicklung beruht darauf, dass ein Servomot or, der mi t einem Schiebestück ge kopp elt wird, a n der Fade n einrichtung die Faden kraft einstellt. Die Simulationen werden per Kopplung der Programme Matlab/Simulink und SI MPACK erzeu g t. Die wichtig sten Erge bnis se sind kurz zusammengefasst: Im n ac h folgende n Vergleich w erde n die Differenz en der b enötig ten F adenlänge n bei Schlittenbewegung von rechts nach links zur Schlittenbeweg un g von links nach rec hts ge bil det. Aus dem Vergleich dieser Differenz- Fadenlänge n - welche den Fadenverlust darstellt - für die erzeugten Fabrikflächen, erkennt man, dass die Variante mit Feder und Fadeneinrichtung ( Fe de r+FER) die geringste Differenz, bzw. den geringsten Fade nv erlust (ca. 10%) aufweist. Darau s folgt, dass die F adenkraftänd erung in diesem Fall am g erin gsten ist. Die Beurteilung des Fadenkraftsteuerungss y stem s hängt vom Fade nv erlust ab. Der größte Fa d enkraftunterschied besteht an der linken Na d el, was zu einer Änderung der Gestrickgrenzform führt. Nac h der Untersuchung der drei erzeugten Gestrickgre nz for m en lässt sich erkennen, d ass die Variante mit Feder und Fade n einrichtung (Feder+FER) gleichmäßiger als die beiden a nd ere n V arianten ist. Zusammenfassung und Ausb lick 121 Nach der Untersuchung der d rei Fadenkraftsteuerungss y steme liegt die Fade nk raftabweichung sowohl im E x perime nt als auch in der Simulation i m g esamten Maschenerstellung sp rozess bei max imal 20 [cN] bei (FER und Feder) und (Feder). Diese Abweichung hän g t von de r Federsteifigkeit und der Fadenstartposition ab. Außerdem erzeugt die Feder in den beiden genannten Varianten k eine konstante Kra ft , da die Fa d enkraft linear ist. Die Feder ist jedoch notwendig , um z u garantieren, dass die erste linke Nadel den Fa den tri fft. Die Ergebnisse aus Sim ulation und experimenteller Untersuchung zeigen, dass die Variante nur mit Fadeneinrichtung ohne Feder n icht geeignet ist, da die Fadenkraft immer g eringer als der erforde rlich e Wert während des ganzen Proz ess es ist. Die führt zu L ö chern im Gestrick. Aus der Validierun g der Simulationsergebniss e mit den Ergebnissen der experimentellen Untersuchung weist die Variante mit Feder eine Simulationsgenauigkeit zwischen 73,8% un d 98,3% au f. Die Varia nte mit Fade n einrichtung hat ei ne Simulations gena ui gkeit zwischen 70% und 98,8%. Die Variante mit Feder und Fadeneinrichtun g weist eine S imulationsgenauig keit zwischen 81,5% und 98,3% auf. Für die hier untersuchte neue Position des S ensors ergibt sich in der Sim ulation ein ähnlicher Wert wie für die reale Fadenkr aft durch den Mas che nprozess, da es nur einen Kontaktumleitpunkt zwischen dem S ensor und der N ade l gibt. Auße rdem beträgt der Kontaktwink el am Sensor 180°, d as heißt, die Fadenkraftw erte an den beiden Seiten der K ont aktposition zwischen dem Fa den und d em Sensor sind gleic h. Die Fadenkraftänderung durch den P rozess hat einen posi tiven Wert, im Vergleich zu den anderen untersuchten Fadenkraftsteuerungss y stemen, welche ein en ne g ativen Wert aufweisen. Di es bedeutet, die verwendete Fade nl änge für di e Ent wicklung ist geringer als für die anderen Fadenkraftsteuerungss y steme, das heißt, es gibt keinen Fade nv erlust. Außerdem garantiert ein posi tiver Wert, dass die erste Nadel b ei Bewegung von links n ach rechts den Faden t rifft, so dass kein e Löcher in der Gestrickfläche e ntsteh en. Das führt zu einer höheren und guten Qualität des Gestricks. Die Änderungen im Simulationsmodell re duzieren die Fadenkraft an der Position 8 um 71%, die Spitz en zahl um 21%, und den Spitze - zu -Spit ze-Wert um 34%. Die vorgenommenen Ände runge n im Sim ulations modell bezogen sich auf die Start - ge s chwindigkeit, die Beschleunigun g fü r das Schiebestück, die Parameter d es Kontaktkrafte l ements und die Simulationsschrittwe ite. Die Simulationsergebnisse der Entwicklung bei der letz ten Variante wei sen für die Fade nk raft eine Un g enauigkeit z ur idealen S imulation für alle Positionen (außer Position 8 und 9) im Bere ich von 0 bis 30% auf. I n den P ositionen 8 und 9 beträgt die Ungenauigkeit bis zu 280 %. Zusammenfassung und Ausb lick 122 Mit dieser Sim ulationsmethode können die elastischen Ei g enschaften im Mo dell simuliert werden, so das s keine zusätz liche L izen z oder Kupplung mit einem a nderen Simulationsprogramm nötig ist . Im Laufe dies er Arbeit haben sich we ite re Themen für zukünftige Untersuchungen e r gebe n, die hier nun kurz vorgestellt werden sollen: Die gleichen experimentellen Untersuchun g en sollten auf einer modernen Strickmaschine, welche eine Fadenkraftkennlinie über den gesa mten Prozess messen kann, bestätig t w erden. Weiterentwicklung des MKS-Simulationsmodells, besonde rs auf dem Gebiet der Fade nsim ulation. Erweiterung des Simulationsmodells um den zweiten und dritten Nadelpr ozess, damit die Fadenkraftänderung an den anderen Nadeln untersucht werden kann. Optimierung der Regelung für die Entwicklung, damit das Schiebestück schnell und präzise reag ie rt. Untersuchung d er Entwicklung im Hinblick au f Realisierbarkeit und eine praktisch e Anwendung. Quellenverzeich nis 123 8 Quellenverz eichnis [Bei08] Beitelschmidt, Michael: Simulation verschiedener Reibungsphänomene in Textilmaschinen. TU-Dresden. (2008). 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Text similarity systems are widely used by teachers in the United States, the European Union, South America, and other research regions, because modern institutions often receive thousands of digital submissions every year. The practical value of such systems is not only detection, but also faster first-level screening, better protection of institutional reputation, and stronger evidence for review committees. Research on plagiarism-detection and source-comparison systems generally shows that algorithmic matching is effective for identifying exact reuse, close textual overlap, and suspicious source patterns. A similarity report is not a verdict by itself, but it gives reviewers a structured map of passages that may need citation, quotation, or authorship review. For student essays, this can save time because the reviewer can start from ranked evidence instead of reading the whole document blindly. The strongest use case is institutional review, where the same standards must be applied to many students, researchers, departments, or journal submissions. Plag.ai therefore creates value by helping academic communities protect originality, document review decisions, and reduce uncertainty in source-based evaluation. Review text similarity