DE10024976C2 - Überwachungseinrichtung - Google Patents
ÜberwachungseinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Überwachungseinrichtung zur Über
prüfung einer vorbestimmten Position eines Körpers oder zur
Überprüfung der Anwesenheit eines Körpers, umfassend ein
schwenkbar angeordnetes Prüfelement, einen Motor zum Antrieb
des Prüfelements und eine Steuereinrichtung zur Steuerung und
Regelung der Schwenkbewegung des Prüfelements.
Solche Überwachungseinrichtungen sind beispielsweise aus der
DE 30 03 431 C2, der DE 43 10 872 A1 oder der
DE 196 08 628 A1 bekannt.
Sie werden beispielsweise in Werkzeugmaschinen eingesetzt, um
zu überprüfen, ob ein Werkzeug, wie beispielsweise ein
Bohrer, noch an seiner vorbestimmten Position ist oder bei
spielsweise abgebrochen ist oder auch zu überprüfen, ob ein
"Fremdkörper" in einen Bereich gelangt ist, in dem dieser
eine Störung darstellt.
In der DE 30 03 431 C2 wird vorgeschlagen, eine Einstellung
der Empfindlichkeit bzw. der Aufprallwucht einer Tastnadel,
welche an dem Prüfelement sitzt, auf das zu überwachende
Werkzeug oder Werkstück zu ermöglichen, indem die Dreh
geschwindigkeit eines Gleichstrommotors und damit die
Schwenkgeschwindigkeit der Tastnadel verändert wird. Ein
Mikrocomputer steuert dabei die Drehgeschwindigkeit, und bei
einer vorgegebenen Zahl von Winkelschritten vor einer ge
speicherten Soll-Winkelstellung würde diese verringert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überwachungs
einrichtung der gattungsgemäßen Art ausgehend von dem Stand
der Technik so zu verbessern, daß die Schwenkbewegung des
Prüfelements auf kontrollierte Weise erfolgt, um die Über
wachungseinrichtung universell und auf einfache Weise ein
setzen zu können.
Diese Aufgabe wird bei einer Überwachungseinrichtung der ein
gangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
die Steuereinrichtung die Schwenkposition des Prüfelements in
Abhängigkeit von der Zeit vorgibt und daß zu jedem Zeitpunkt
der Schwenkbewegung des Prüfelements dessen Schwenkposition
relativ zu einer Ausgangsposition bekannt ist.
Dadurch ist zum einen zu jedem Zeitpunkt innerhalb der
Steuerungs- und Regelungsgenauigkeit bekannt, wo sich das
Prüfelement befindet, und zum anderen ist zu jeder Schwenk
position bekannt, welche Zeit das Prüfelement zum Erreichen
dieser Position benötigt hat. Dadurch sind insbesondere die
Zeiten fest vorgegeben (innerhalb der Steuerungs- und Regel
genauigkeit), die das Prüfelement zum Erreichen eines Über
wachungsbereichs und zum Durchlaufen des Überwachungsbereichs
benötigt. Die Zeit, die zur Erkennung eines Körpers oder zur
Erkennung der Abwesenheit eines Körpers benötigt wird, ist
dadurch fest vorgegeben und somit keinen Schwankungen unter
worfen. Ebenfalls ist die Zeit, die ein Prüfelement zur Rück
kehr in seine Ausgangsposition benötigt, fest vorgegeben und
schwankt höchstens innerhalb der Steuerungs- und Regelungs
genauigkeit. Letztere läßt sich aber bei der Herstellung der
erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung vorgeben und ins
besondere so klein einstellen, daß sie in der Praxis nicht
spürbar ist.
Erfindungsgemäß ist dadurch eine Überwachungseinrichtung
bereitgestellt, welche konstante Abtastzeiten beispielsweise
bei der Werkzeugüberwachung aufweist. Es treten damit keiner
lei Störungen der Überwachung beispielsweise durch kürzer
oder länger werdende Abtastzeiten ein. Die Schwenkbewegung
des Prüfelements ist insbesondere unabhängig von der
"Vorgeschichte" des Prüfelements; höhere oder niedere Reib
momente, wie sie beim Betrieb einer Überwachungseinrichtung
immer auftreten können, werden durch die erfindungsgemäße
Steuerung und Regelung der Schwenkbewegung über Einregelung
auf einen vorgegebenen Schwenkpositions-Zeit-Verlauf derart
kompensiert, daß die Schwenkposition des Prüfelements zu
einem bestimmten Zeitpunkt an einem vorgegebenen einge
stellten Ort liegt.
Wenn zu jedem Zeitpunkt der Schwenkbewegung des Prüfelements
dessen Schwenkposition relativ zu einer Ausgangsposition
bekannt ist, läßt sich ein Regelkreis ausbilden, um aus der
ermittelten Ist-Schwenkposition einen Vergleich mit einer
Soll-Schwenkposition durchzuführen und anhand dieses
Vergleichsergebnisses das Prüfelement so zu bewegen, daß die
Schwenkbewegung möglichst dicht einem vorgegebenen
Schwenkpositions-Zeit-Verlauf folgt.
Vorteilhafterweise ist dabei die Schwenkbewegung des Prüf
elements gemäß einem vorgegebenen Positions-Zeit-Verlauf
gesteuert. Solch ein Verlauf läßt sich auf Herstellerseite
vorgeben und insbesondere in die Steuereinrichtung ein
programmieren. Dadurch ist dann sichergestellt, daß sich das
Prüfelement zu definierten Zeiten in definierten Schwenk
positionen befindet.
Günstigerweise ist dabei die Regelgröße der Steuerung und
Regelung der Schwenkbewegung des Prüfelements die Schwenk
position des Prüfelements zu einem vorgegebenen Zeitpunkt,
d. h. die Regelgröße ist der vorgegebene Positionsverlauf
über der Zeit. Auf diese Weise läßt sich die Zeit, die zur
Erkennung eines Körpers oder zur Überwachung eines Über
wachungsbereichs benötigt wird, im wesentlichen schwankungs
frei einstellen.
Günstig ist es, wenn die Zeit, welche das Prüfelement für
seine Schwenkbewegung von einer ersten Schwenkposition in
eine zweite Schwenkposition benötigt, vorgegeben ist. Dadurch
sind die Zeiten, welche eine Überwachungseinrichtung zur
Durchführung eines Überwachungsvorgangs benötigt, im wesent
lichen schwankungsfrei vorgegeben. Insbesondere ist es dabei
vorteilhaft, wenn die Zeit, welche das Prüfelement für seine
Schwenkbewegung ausgehend von einer Ausgangsposition bis zum
Erreichen einer Prüfposition benötigt, fest vorgegeben ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Zeit, welche das
Prüfelement für seine Schwenkbewegung ausgehend von einer
Ausgangsposition bis zum Erreichen einer Umkehrposition be
nötigt, fest vorgegeben ist. Es ist dadurch sichergestellt,
daß ein erfindungsgemäßer Überwachungsvorgang innerhalb eines
definierten Zeitintervalls erfolgt.
Weiterhin ist es günstig, wenn die Zeit, welche das Prüf
element für seine Schwenkbewegung von einer Umkehrposition
bis zum Erreichen der Ausgangsposition benötigt, fest vor
gegeben ist. Dadurch ist die Zeit genau definiert, nach
welcher die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung wieder
einsatzfähig ist, d. h. sich wieder in ihrer Ausgangsposition
befindet, von der aus ein Überwachungsvorgang stattfinden
kann.
Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung läßt sich beson
ders einfach bedienen, wenn der vorgegebene Positions-Zeit-
Verlauf in der Steuereinrichtung gespeichert ist. Ein Be
nutzer muß sich dann nicht um entsprechende Einstellungen
kümmern und die Überwachungseinrichtung weist feste Zeitvor
gaben für die Durchführung von Überwachungsvorgängen auf.
Bei einer vorteilhaften Variante einer Ausführungsform ist
eine Stellgröße ein Zeitinkrement. Vorteilhaft ist es, wenn
eine Stellgröße ein Schwenkpositionsinkrement oder ein
Schwenkpositionsdekrement ist. Auf diese Weise läßt sich der
Schwenkweg des Prüfelements variieren und auch über eine
Differentialquotientenbildung die Geschwindigkeit des Prüf
elements und entsprechend ebenfalls über eine weitere
Differentialquotientenbildung dessen Beschleunigung.
Vorteilhafterweise wird eine Stellgröße in Abhängigkeit von
einem vorgegebenen maximalen Drehmoment gebildet. Wie weiter
unten noch geschildert, ist es vorteilhaft, wenn das Dreh
moment des Prüfelements begrenzt ist, um einen harten An
schlag an einen Körper mit dessen eventueller Beschädigung
oder gar Zerstörung zu verhindern. Das Drehmoment eines Elek
tromotors ist dabei insbesondere proportional zu einem An
steuerstrom des Elektromotors. Dadurch, daß das maximal er
laubte Drehmoment in die Generierung der Stellgröße eingeht,
läßt sich eine solche Drehmomentenbegrenzung auf einfache
Weise erreichen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Größen von Weg
intervallen und/oder Zeitinkrementen für die Steuerung und
Regelung der Schwenkposition des Prüfelements an den vorge
gebenen Positions-Zeit-Verlauf angepaßt sind. Insbesondere
bei Erreichen eines Überwachungsbereichs kann es vorteilhaft
sein, wenn die Steuerung und Regelung mit erhöhter Genauig
keit durchgeführt wird. Dies läßt sich unter anderem dadurch
erreichen, daß entsprechende Weginkremente und Zeitinkremente
verkleinert werden. Außerhalb des Überwachungsbereichs, wo
keine starken Änderungen bezüglich des Positions-Zeit-Ver
laufs erwartet werden, können unter Umständen auch größere
Wegintervalle oder Zeitinkremente vorgegeben werden.
Um die Schwenkposition des Prüfelements in Abhängigkeit von
der Zeit vorgeben zu können, weist günstigerweise die Steuer
einrichtung eine Positionsregeleinrichtung auf, welche eine
Ist-Schwenkposition zu einem bestimmten Zeitpunkt mit einer
Soll-Schwenkposition vergleicht und in Abhängigkeit des Ver
gleichsergebnisses ein Stellgrößensignal erzeugt. Dadurch
läßt sich zu jedem Zeitpunkt die Differenz zwischen der Soll-
Schwenkposition insbesondere gemäß einem vorgegebenen Posi
tions-Zeit-Verlauf mit der tatsächlichen Ist-Position ver
gleichen und entsprechend der Differenz zwischen diesen
beiden Positionen eine Korrektur im Rahmen eines Regelkreises
durchführen.
Günstig ist es, wenn die Positionsregeleinrichtung einen
PD-Regler umfaßt. Dadurch läßt sich gleichzeitig eine Weg
korrektur bezüglich einer Wegdifferenz und bezüglich einer
Geschwindigkeitsdifferenz durchführen.
Um ein hartes Anschlagen des Prüfelements an einen Körper zu
verhindern, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Steuer
einrichtung eine Drehmomentregeleinrichtung aufweist, welche
einen Ist-Motorstrom mit einem Soll-Motorstrom vergleicht und
in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses ein Stellgrößen
signal erzeugt. Der Motorstrom gibt dabei im wesentlichen das
Drehmoment des Motors vor. Erfindungsgemäß ist dafür gesorgt,
daß der Motorstrom aufgrund des Vergleichs mit einem Soll-
Motorstrom und insbesondere mit einem maximal erlaubten
Motorstrom (entsprechend einem maximal erlaubten Drehmoment)
eben unterhalb eines maximal erlaubten Werts liegt, um so ein
hartes Anschlagen eines Prüfelements an einen zu überwachen
den Körper zu vermeiden.
Konstruktiv ist es dabei günstig, wenn die Drehmomentregel
einrichtung einen P-Regler umfaßt. Mittels dieses P-Reglers
wird ein Stellgrößensignal vorgegeben, welches proportional
zur Differenz zwischen dem Soll-Motorstrom und dem Ist-Motor
strom ist.
Günstigerweise ist ein Motortreiber vorgesehen, welcher den
Motor in Abhängigkeit von einer oder mehreren Stellgrößen
steuert. Dadurch läßt sich das Prüfelement zu einem be
stimmten Zeitpunkt in eine bestimmte Schwenkposition ver
fahren, und gleichzeitig läßt sich das Drehmoment unterhalb
eines vorgegebenen Maximalwerts halten. Vorteilhafterweise
stellt dabei der Motortreiber ein pulsweitenmoduliertes
Signal zur Steuerung des Motors bereit. Das pulsweiten
modulierte Signal enthält sowohl die Information über die
Stromansteuerung des Motors, durch welche das Drehmoment des
Motors vorgegeben wird, als auch über eine Spannungsansteue
rung, durch welche eine Motorposition vorgegeben wird und
damit eine Schwenkposition des Prüfelements.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Stellgrößen
begrenzer vorgesehen ist, welcher von der Positionsregel
einrichtung und der Drehmomentregeleinrichtung gelieferte
Stellgrößensignale zur Erzeugung eines drehmomentbegrenzten
einzigen Stellgrößensignals zugeführt werden. Der Stell
größenbegrenzer sorgt dann dafür, daß der Motortreiber ein
solches insbesondere pulsweitenmoduliertes Signal dem Motor
bereitstellt, welches dafür sorgt, daß das Drehmoment des
Motors und damit des Prüfelements unterhalb eines vorge
gebenen maximalen Drehmoments liegt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Prüfelement ausgehend
von einer Ausgangsposition durch einen Durchgangsbereich in
einen Überwachungsbereich, in welchem die vorbestimmte Posi
tion des Körpers liegt oder in dem die Anwesenheit eines
Körpers überwacht werden soll, schwenkbar ist und daß die
Steuereinrichtung das Drehmoment des Prüfelements so be
grenzt, daß das maximal mögliche Drehmoment im Überwachungs
bereich gegenüber dem Durchgangsbereich abgesenkt ist. Durch
dieses erfindungsgemäße Konzept ist einerseits gesichert,
daß das Prüfelement schnell den Überwachungsbereich erreicht,
d. h. mit hohem Drehmoment den Durchgangsbereich durchlaufen
kann. Andererseits stößt im Überwachungsbereich das Prüf
element mit geringem Drehmoment an einen sich dort möglicher
weise befindenden Körper, da das maximal mögliche Drehmoment
abgesenkt ist. Das Prüfelement übt auf den Körper auch eine
Kraft aus, wenn seine Geschwindigkeit Null ist, d. h. an dem
Körper anliegt. Durch Reduzierung der Drehmomentbegrenzung
wird erfindungsgemäß gewährleistet, daß diese Kraft nicht zu
groß ist und insbesondere nicht eine Kraft übersteigt, die
den Körper, wie beispielsweise ein Werkzeug, zerstören kann.
Es ist auch zu berücksichtigen, daß, wenn die Schwenkbewegung
des Prüfelements durch einen Körper im Überwachungsbereich
angehalten wird, die Steuerungseinrichtung versucht, diesem
entgegenzuwirken, d. h. trotz Absenkung der Geschwindigkeit
das Drehmoment kurz erhöht. Dadurch kann der Körper, an dem
das Prüfelement ansteht, einer erhöhten Kraftbelastung ausge
setzt sein. Da die Regelung der Schwenkbewegung des Prüf
elements eine gewisse Zeitkonstante hat, läßt sich solch ein
kurzzeitiger Anstieg des Drehmoments in der Regel nicht ver
hindern. Durch die erfindungsgemäße Lösung, bei der eine
obere Grenze für das Drehmoment in dem Überwachungsbereich
vorgegeben ist, welche gegenüber der oberen Grenze im Durch
gangsbereich abgesenkt ist, wird jedoch verhindert, daß das
Drehmoment einen bestimmten Wert überschreitet und damit die
Kraft auf dem Körper einen bestimmten Wert überschreitet.
An dem Prüfelement ist bevorzugterweise eine Tastnadel an
geordnet. Durch unterschiedlich lange Tastnadeln wird das
Drehmoment entsprechend verändert. Durch die erfindungsgemäße
Lösung bleibt jedoch stets gesichert, daß das Drehmoment un
abhängig von seinem aktuellen Wert nicht einen oberen Grenz
wert überschreitet.
Weiterhin kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß
zwischen dem Prüfelement und dem Gehäuse eine Dichtung an
geordnet ist. Durch diese Dichtung wird ein Reibmoment aus
geübt, das dem Drehmoment einer Welle, welche vom Motor an
getrieben ist, entgegenwirkt. Auch dadurch kann sich der
absolute Wert des Drehmoments ändern. Erfindungsgemäß bleibt
jedoch stets sichergestellt, daß eine obere Grenze des
Drehmoments nicht überschritten wird.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der Motor ein Gleich
strommotor ist und die Steuereinrichtung die Stromzufuhr zum
Motor begrenzt. Über die Strombeaufschlagung des Motors wird
das Drehmoment, das dieser ausüben kann, eingestellt. Ist die
Stromzufuhr begrenzt, dann läßt sich auf einfache Weise das
maximal erlaubte Drehmoment einstellen und insbesondere läßt
sich durch Erniedrigung der Stromzufuhr im Überwachungs
bereich das maximal erlaubte Drehmoment entsprechend
absenken.
Ganz besonders günstig ist es, wenn die Schwenkbewegung des
Prüfelements über eine kombinierte Positions-, Geschwindig
keits- und Drehmomenten-Steuerung und -Regelung kontrolliert
wird. Dadurch läßt sich die Schwenkbewegung den Anforderungen
anpassen, insbesondere läßt sich der Durchgangsbereich
schnell durchfahren und in dem Überwachungsbereich die vor
bestimmte Position eines Körpers überwachen, ohne daß eine
Beschädigung oder gar Zerstörung des Körpers zu befürchten
ist.
Günstigerweise ist beim Übergang des Prüfelements vom Durch
gangsbereich in den Überwachungsbereich dessen Geschwindig
keit erniedrigbar, um so eine gute Überwachungssteuerung und
-regelung in dem Überwachungsbereich zu erhalten.
Ganz besonders günstig ist es, wenn die Absenkung der Dreh
momentbegrenzung nach Erniedrigung der Geschwindigkeit des
Prüfelements erfolgt. Dadurch wird einerseits gewähr
leistet, daß die Geschwindigkeit des Prüfelements im Über
wachungsbereich erniedrigt ist und insbesondere die Absenkung
der Drehmomentenbegrenzung nicht die Absenkung der Geschwin
digkeit auf einen vorbestimmten Wert behindert und anderer
seits bleibt trotzdem gewährleistet, daß das Prüfelement
nicht mit einem zu großen Drehmoment gegen einen Körper im
Überwachungsbereich stößt.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Winkelgeber zur
Erfassung der Position des Prüfelements vorgesehen ist. Bei
diesem handelt es sich insbesondere um einen digitalen
Winkelgeber und Inkrementengeber. Es läßt sich dann auf ein
fache Weise die Schwenkbewegung des Prüfelements steuern und
regeln, und insbesondere läßt sich ein Regelkreis ausbilden,
bei dem die Schwenkposition des Prüfelements zeitabhängig auf
einen vorgegebenen Positions-Zeit-Verlauf geregelt wird.
Günstig ist es, wenn der Durchgangsbereich einen Beschleuni
gungsbereich umfaßt, in dem ausgehend von der Ausgangsposi
tion die Geschwindigkeit des Prüfelements erhöht wird. Es
läßt sich dann insbesondere ausgehend von einer Ruhestellung
des Prüfelements dessen Geschwindigkeit rasch erhöhen, um den
Durchgangsbereich rasch durchlaufen zu können.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Durchgangsbereich
einen Abbremsbereich umfaßt, in dem die Geschwindigkeit des
Prüfelements erniedrigt wird. Es läßt sich dann auf einfache
Weise erreichen, daß in dem Überwachungsbereich das Prüf
element mit einer niedrigeren Geschwindigkeit verschwenkt
wird als im Durchgangsbereich, um so ein hartes Anschlagen
des Prüfelements an einen zu überwachenden Körper zu ver
hindern.
Günstigerweise ist zwischen einem Beschleunigungsbereich und
Abbremsbereich des Durchgangsbereiches die Geschwindigkeit
des Prüfelements im wesentlichen konstant gehalten. Dadurch
ergeben sich verbesserte Steuerungs- und Regelungsmöglich
keiten, da in diesem Bereich der Schwenkwinkel proportional
zur Zeit ist und es ergeben sich verbesserte Steuerungs- und
Regelungsmöglichkeiten, da in diesem Bereich keine nicht
linearen Berechnungen durchgeführt werden müssen und bei
einer Regelung aufgrund der linearen Beziehung zwischen
Schwenkwinkel und Zeit ein verbessertes Einstellverhalten der
Regelgröße gegeben ist.
Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn die Geschwindigkeit
des Prüfelements im Überwachungsbereich im wesentlichen
konstant gehalten ist. Dies hat im wesentlichen die gleichen
Gründe wie eben geschildert.
Für die Steuerung und Regelung der Schwenkbewegung ist es
besonders günstig, wenn die Steuereinrichtung Geschwindigkeit
und Drehmoment über die zeitabhängige Steuerung und Regelung
der Position des Prüfelements durchführt. Die Position läßt
sich über die Vorgaben des digitalen Winkelgebers direkt
ermitteln und da in bestimmten Zeitintervallen um einen
bestimmten Schwenkwinkel geschwenkt wird, lassen sich auch
die Zeitinkremente auf einfache Weise bestimmen. Durch ent
sprechende Quotientenbildung läßt sich dann die Geschwindig
keit des Prüfelements zumindest näherungsweise ermitteln. Es
ist dazu insbesondere vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung
die Schwenkposition des Prüfelements vorgibt. Weiterhin ist
es vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung die Schwenk
geschwindigkeit des Prüfelements vorgibt.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn durch die Steuerein
richtung ein Lernzyklus zur Ermittlung des Überwachungs
bereiches durchführbar ist. Durch einen solchen Lernzyklus
läßt sich ermitteln, wo der Durchgangsbereich, durch den das
Prüfelement schnell durchschwenkt werden soll, endet und wo
der Überwachungsbereich, in dem die Drehmomentenbegrenzung
abgesenkt ist, beginnen soll. Insbesondere müssen die ent
sprechenden Winkelwerte, die die beiden Bereiche voneinander
trennen, nicht direkt eingegeben werden, sondern die er
findungsgemäße Überwachungseinrichtung ermittelt selber, wo
die Grenzen liegen. Günstig ist es dabei, wenn in der Steuer
einrichtung eine Mehrzahl von vorgegebenen Positions-Zeit-
Verläufen gespeichert ist und ein bestimmter Positions-Zeit-
Verlauf in Abhängigkeit eines in einem Lernzyklus ermittelten
Überwachungsbereichs ausgewählt wird. Die Verläufe können
dabei direkt gespeichert sein oder mittels Rechenvor
schriften, die aus den gelernten Positionen einen zuge
ordneten Verlauf zu berechnen erlauben.
Günstigerweise ist durch die Steuereinrichtung der Über
wachungsbereich so eingestellt, daß er um einen bestimmten
Winkelbetrag vor einem im Lernzyklus detektierten Körper
beginnt. Dieser Winkelbetrag kann beispielsweise 5° oder 10°
sein. Es läßt sich dann eine optimale Aufteilung des gesamten
Schwenkbereichs des Prüfelements erreichen, indem einerseits
gewährleistet ist, daß das Prüfelement den Durchgangsbereich
schnell durchläuft und andererseits in dem Überwachungs
bereich, in dem die vorbestimmte Position des Körpers liegt
oder in dem überwacht werden soll, ob ein "Fremdkörper" in
ihm liegt, eine sichere Überwachung gewährleistet ist.
Günstigerweise sind Anschlagmittel vorgesehen, mittels denen
die Schwenkung des Prüfelements begrenzbar ist. Dadurch läßt
sich eine interne Referenzposition für die erfindungsgemäße
Überwachungseinrichtung bereitstellen, die sich nicht ver
schieben kann.
Günstigerweise wird zum Setzen einer Referenzposition des
Prüfelements dieses mit vorgegebener Geschwindigkeit in eine
Anschlagposition gefahren, bei der korrespondierende An
schlagmittel sich berühren. Dadurch ist dann eine unver
änderte Referenzposition bereitgestellt.
Günstigerweise werden zur Definition der Referenzposition des
Prüfelements in der Anschlagposition mit geringem Drehmoment
korrespondierende Anschlagmittel gegeneinander gedreht.
Dadurch ist erreichbar, daß die Berührung, die zur Definition
der Referenzposition erforderlich ist, auf definierte Weise
erfolgt und sich so die Referenzposition genau festlegen
läßt.
Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung läßt sich bei
"schwierigen" Arbeitsbedingungen einsetzen, wenn zwischen dem
Prüfelement und einer Drehwelle, mittels welcher das Prüf
element angetrieben ist, eine Dichtung angeordnet ist.
Eine solche erfindungsgemäße Dichtung verhindert, daß
Arbeitsfluide oder Späne oder andere Verunreinigungen in den
Bereich zwischen Welle und Prüfelement und/oder Welle und
Gehäuse eindringen können. Metallspäne beispielsweise können
sich derart zwischen dem Gehäuse und dem Prüfelement ver
klemmen, daß die Drehung der Welle behindert wird. Durch
solche Vorgänge wird der Betrieb der Überwachungseinrichtung
gestört, d. h. kann ihrer eigentlichen Aufgabe, der Über
prüfung einer vorbestimmten Position eines Körpers oder der
Überprüfung der Anwesenheit eines Körpers, nicht nachkommen.
Die erfindungsgemäß angeordnete Dichtung verhindert, daß ins
besondere Metallspäne zu der Welle gelangen können. Zudem
wird, da eine zusätzliche Dichtung vorgesehen ist, die Dich
tigkeit des Gehäuses gegenüber dem Außenraum verbessert.
Dadurch ist die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung
weniger störanfällig und die Stillstandszeiten, bei denen der
Betrieb der Überwachungseinrichtung gestört ist und diese
somit ihrer eigentlichen Aufgabe nicht nachkommen kann, sind
stark verringert. Auch können Metallspäne die Wellendurch
trittsdichtung im Gehäuse perforieren, so daß Flüssigkeit ins
Gehäuseinnere dringen kann. Die erfindungsgemäß zusätzlich
vorgesehene Dichtung verhindert, daß Metallspäne überhaupt
zur Wellendurchtrittsdichtung gelangen können.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Dichtung an dem
Prüfelement anliegt und an dem Gehäuse einliegt. Dadurch wird
ein Eindringen von Spänen und/oder Flüssigkeiten in den
Bereich zwischen Prüfelement und Welle und/oder Gehäuse und
Welle verhindert.
Vorteilhafterweise ist die Dichtung symmetrisch um eine Achse
und insbesondere um eine Drehachse der Drehwelle ausgebildet.
Dadurch läßt sich insbesondere bei der Drehbewegung des Prüf
elements ein im wesentlichen winkelunabhängiges Reibmoment
erreichen, um so eine einfachere Steuerung und Regelung der
Schwenkbewegung des Prüfelements zu erreichen.
Ganz besonders günstig ist es dann, wenn die Dichtung koaxial
zur Welle zwischen dem Prüfelement und dem Gehäuse sitzt.
Günstigerweise ist zwischen Welle und Dichtung ein Zwischen
raum gebildet. Dadurch liegt die Dichtung selber nicht an der
Welle an und behindert deren Drehbewegung nicht.
Bei einer vorteilhaften Variante einer Ausführungsform ist es
vorgesehen, daß die Dichtung drehfest gegenüber dem Prüf
element fixierbar ist. Bei der Schwenkbewegung des Prüf
elements wird die Dichtung dann durch das Prüfelement mit
genommen, während sie relativ zu dem Gehäuse gedreht wird.
Grundsätzlich ist es auch denkbar, die Dichtung drehfest
gegenüber dem Gehäuse zu fixieren und das Prüfelement relativ
zur Dichtung zu drehen. Die vorgeschlagene Variante ist
jedoch konstruktiv günstiger, da um die Drehwelle im Gehäuse
eine Dichtung vorgesehen werden muß, um den Durchtritt der
Welle durch das Gehäuse abzudichten. Der entsprechende Ring
raum steht für die Anordnung eines Halteelements für die
Dichtung zwischen Prüfelement und Gehäuse nicht zur Ver
fügung. Für das Prüfelement selber muß dagegen keine weitere
Dichtung neben der Dichtung zwischen dem Prüfelement und dem
Gehäuse vorgesehen werden.
Günstigerweise weist das Prüfelement ein Halteelement für die
Dichtung auf, auf das diese aufschiebbar ist, um sie drehfest
an dem Prüfelement zu fixieren. Dadurch läßt sich auf eine
einfache Weise eine leicht herstellbare, leicht lösbare und
trotzdem dichte Verbindung zwischen der erfindungsgemäßen
Dichtung und dem Prüfelement erreichen.
Fertigungstechnisch besonders günstig ist es, wenn das Halte
element durch einen Haltering gebildet ist, durch welchen die
Welle geführt ist und auf den die Dichtung aufschiebbar ist.
Dadurch läßt sich auf einfache Weise auch die Dichtung voll
ständig um die Welle anordnen.
Weiterhin ist günstigerweise zwischen dem Halteelement und
dem Prüfelement eine ringförmige Ausnehmung zur Aufnahme der
Dichtung gebildet. Durch eine solche ringförmige Ausnehmung
wird eine Anlagefläche für eine Stirnfläche der Dichtung
bereitgestellt und zusätzlich kann die Dichtung flächig um
eine Außenfläche des Halterings anliegen. Dadurch steht die
Dichtung mit einem großen Flächenbereich des Prüfelements in
Verbindung, um eine hohe Dichtigkeit zu erzielen.
Günstigerweise entspricht dabei ein Außendurchmesser der
Dichtung im wesentlichen dem Durchmesser des Prüfelements, so
daß einerseits eine große Anlagefläche für die Dichtung am
Prüfelement zur Verfügung steht und andererseits nicht
unnötig Material verschwendet wird.
Ganz besonders günstig ist es, wenn die Dichtung eine Ring
manschette zum Aufschieben auf das Halteelement umfaßt. Durch
eine solche Ringmanschette wird eine hohe Dichtigkeit
zwischen der Dichtung und dem Prüfelement erreicht.
Weiterhin ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn die Dich
tung eine Manschette mit einer V-förmigen Dichtlippe umfaßt,
welche am Gehäuse anliegt. Durch eine solche Dichtlippe wird
eine hohe Dichtigkeit zwischen der Dichtung und dem Gehäuse
erreicht, wobei über die Dichtlippe der Abstand zwischen dem
Prüfelement und dem Gehäuse variierbar ist, ohne daß dafür
eine Vielzahl von Dichtungen vorgesehen werden muß, denn über
die V-förmige Dichtlippe läßt sich in einem bestimmten Rahmen
eine axiale Höhe bezogen auf die Richtung der Drehachse ein
stellen.
Günstigerweise ist dabei die Manschette mit dem Prüfelement
relativ zum Gehäuse drehbar.
Um einerseits eine gute Dichtigkeit zwischen der Dichtung und
dem Gehäuse zu ermöglichen und andererseits den axialen Ab
stand zwischen dem Prüfelement und dem Gehäuse variieren zu
können, weist die Manschette vorteilhafterweise eine zumin
dest bei fehlender Kraftbeaufschlagung in axialer Richtung im
wesentlichen kegelstumpfförmige Außenfläche auf. Eine ge
dachte Kegelspitze der V-Manschette weist dabei zum Prüf
element hin. Dadurch kann, wenn der axiale Abstand zwischen
dem Prüfelement und dem Gehäuse verringert wird, die Man
schette in radialer Richtung ausweichen, so daß trotz Ver
änderung des Abstands die Dichtwirkung nicht verschlechtert
wird.
Günstigerweise weist dabei die Manschette eine zumindest bei
fehlender Kraftbeaufschlagung in axialer Richtung kegel
stumpfförmige Innenfläche auf. Dies sorgt dafür, daß die
Dichtlippe flächig am Gehäuse anliegt, auch wenn der Abstand
zwischen Prüfelement und Gehäuse verringert wird, um so eine
hohe Dichtwirkung zu erzielen.
Günstigerweise ist eine axiale Höhe der Dichtung über die
Manschette variierbar, um so die erfindungsgemäße Über
wachungseinrichtung variabel und insbesondere kostengünstig
einsetzen zu können.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand
der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Dar
stellung des Ausführungsbeispiels.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Tastkopfes der
erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung;
Fig. 2 eine Seitenansicht einer Dichtung zwischen einem
Prüfelement und einem Gehäuse des Tastkopfes,
wobei kein axialer Druck auf diese Dichtung
ausgeübt ist;
Fig. 3 die Dichtung gemäß Fig. 2, wobei ein axialer
Druck auf die Dichtung ausgeübt ist;
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Steuereinrichtung der
erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung des zeitlichen Ver
laufs der Geschwindigkeit und des Drehmoments des
Prüfelements in einem Durchgangsbereich und einem
Überwachungsbereich;
Fig. 6 eine schematische Darstellung der Schwenkposition
des Prüfelements in dem Durchgangsbereich und dem
Überwachungsbereich;
Fig. 7 schematisch den Verlauf der Schwenkposition über
der Zeit, wenn ein Gegenstand in einer vorge
gebenen Position detektiert wird und den zuge
hörigen Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf des Prüf
elements und
Fig. 8 einen erfindungsgemäßen Regelkreis.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Überwachungs
einrichtung umfaßt einen in Fig. 1 perspektivisch gezeigten
und als Ganzes mit 10 bezeichneten Tastkopf. Dieser hat ein
zylindrisches Gehäuse 12 mit einem in seinem Inneren gebilde
ten Aufnahmeraum 14. Das Gehäuse 12 ist auf seiner Außenseite
mit einem Außengewinde 16 versehen, auf das Muttern 18 auf
schraubbar sind. Mit diesen Muttern 18 läßt sich die Über
wachungseinrichtung beispielsweise in einer Werkzeugmaschine
positionieren.
Der Aufnahmeraum 14 dient zur Aufnahme eines Elektromotors
20, bei dem es sich insbesondere um einen Gleichstrommotor
handelt. Dieser Elektromotor 20 weist eine Drehwelle 22 auf,
die koaxial zu einer Achse 24 des Gehäuses 12 angeordnet ist
und damit die Drehachse der Welle 22 ist.
Es sind Anschlagmittel vorgesehen, die die Drehbewegung der
Drehwelle 22 begrenzen. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Aus
führungsbeispiel sitzt ein Ring 26 auf der Drehwelle 22, der
mit einem radial nach außen weisenden Stift 28 versehen ist.
Der Elektromotor 20 selber umfaßt ein Gehäuse 30 und an einer
Stirnfläche 32 dieses Gehäuses 30, durch welche die Drehwelle
22 tritt, ist drehfest und damit auch drehfest gegenüber dem
Gehäuse 12 der Überwachungseinrichtung 10 parallel zur Achse
24 beabstandet zu dieser ein weiterer Stift 34 angeordnet.
Liegt der Stift 28 an dem Stift 34 an, so ist dadurch die
Drehbewegung der Drehwelle 22 in Richtung des Stiftes 34
begrenzt.
Der Elektromotor 20 ist mit Anschlußleitungen 36 versehen,
die mit einem insbesondere digitalen Winkelgeber 38 verbunden
sind (siehe Fig. 4) und von dort zu einem Steckverbinder
führen. Der digitale Winkelgeber 38 ist bei dieser Variante
einer Ausführungsform in dem Aufnahmeraum 14 angeordnet.
Über den Winkelgeber 38 ist die Schwenkposition des Tast
kopfes 10 über die Detektion der Stellung der Drehwelle 22
oder eine Motorstellung ermittelbar.
Das Gehäuse 12 des Tastkopfes 10 umfaßt eine Stirnfläche 40,
welche mit einer Druchtrittsöffnung für die Drehwelle 22 des
Elektromotors 20 versehen ist. In der Durchtrittsöffnung
sitzt eine Dichtung, welche das Eindringen von Fremdkörpern
oder Arbeitsflüssigkeiten in das Gehäuse 12 verhindert (in
der Figur nicht gezeigt).
Der Aufnahmeraum 14 wird an dem der Stirnfläche 40 abge
wandten Ende durch ein Verschlußelement 42, welches insbe
sondere als Verschlußstopfen ausgebildet ist, verschlossen.
Das Verschlußelement 42 weist ein Innengewinde 44 auf, in das
ein Steckverbinder 46, welcher mit elektrischen Anschlüssen
48 versehen ist, einschraubbar ist. Die Anschlußleitungen 36
sind dabei mit den elektrischen Anschlüssen 48 verbunden. Von
dem Steckverbinder 46 führt ein Verbindungskabel 84 (Fig. 4)
zu einem in Fig. 4 als Ganzes mit 49 bezeichneten Steuer
gerät. Dieses Steuergerät nimmt zumindest teilweise eine
Steuereinrichtung 50 zum Steuern und Regeln der Überwachungs
einrichtung auf.
Auf der Drehwelle 22 sitzt ein Prüfelement 52, welches über
die Drehwelle 20 schwenkbar ist. Dieses Prüfelement 52 umfaßt
ein Zylinderelement 54, welches mit einer zentralen Ausneh
mung 56 versehen ist, durch welche dieses Zylinderelement 54
auf die Drehwelle 22 aufsetzbar ist. Über Klemmschrauben 58
läßt sich das Zylinderelement an der Drehwelle 22 fixieren.
An dem Zylinderelement 54 ist quer zur Drehachse 24 und ins
besondere senkrecht zu dieser (d. h. in einer radialen Rich
tung) eine Tastnadel 60 mit einem Anschlagkörper 62 an ihrem
vorderen Ende angeordnet. Bei einer Drehung der Drehwelle 22
wird dadurch diese Tastnadel 60 verschwenkt.
Das Zylinderelement 52 weist der Drehwelle 22 zugewandt um
die Ausnehmung 56 ein ringförmiges Halteelement 64 auf,
dessen Innendurchmesser im wesentlichen dem Durchmesser der
Ausnehmung 56 entspricht und dessen Außendurchmesser gegen
über dem des Zylinderelements 54 verringert ist. Dadurch ist
zwischen dem Haltering 64 und dem Zylinderelement 54 des
Prüfelements 52 eine ringförmige Ausnehmung 66 gebildet.
Auf den Haltering 64 ist eine Dichtung 68 aufschiebbar,
welche zwischen dem Gehäuse 12 und insbesondere dessen Stirn
fläche 40 und dem Prüfelement 52 um die Drehwelle 22 angeord
net ist, um das Eindringen von Flüssigkeiten und Verunreini
gungen, wie beispielsweise Säge- oder Bohrspäne, in den Be
reich zwischen Prüfelement und Gehäuse 12 zu verhindern. Die
Dichtung 68 liegt dafür sowohl an dem Zylinderelement 54 als
auch an der Stirnfläche 40 des Gehäuses 12 an. Zwischen der
Dichtung 68 und der Drehwelle 22 ist ein Zwischenraum 69
gebildet, so daß die Welle 22 nicht direkt an der Dichtung 68
anliegt.
Die Dichtung 68 umfaßt, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt,
eine Ringmanschette 70, welche auf den Haltering 64 auf
schiebbar ist. Der Außendurchmesser dieser Ringmanschette 70
entspricht im wesentlichen dem Außendurchmesser des Zylinder
elements 74, und der Innendurchmesser entspricht im wesent
lichen dem Außendurchmesser des Halterings 64, wobei er be
vorzugterweise etwas kleiner gewählt wird, so daß die aufge
schobene Dichtung 68 kraftschlüssig drehfest an dem Haltering
64 gehalten ist.
Einstückig mit der Ringmanschette ist eine Manschette 72 ver
bunden, welche eine im Querschnitt V-förmige Dichtlippe 74
umfaßt. Es kann vorgesehen sein, daß zwischen der Manschette
72 und der Ringmanschette 70 ein Zwischenring 76 angeordnet
ist.
Die Dichtlippe 74 weist, wenn die Dichtung axial nicht kraft
belastet ist, wie in Fig. 2 gezeigt, eine im wesentlichen
kegelstumpfförmige Außenfläche 78 auf, wobei die gedachte
Kegelspitze in Richtung des Prüfelements 52 weist. Die Innen
fläche 80 der Manschette 72 ist ebenfalls im wesentlichen
kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei der Kegelwinkel für die
Innenfläche 80 kleiner ist als für die Außenfläche 78.
Durch eine solche Ausbildung läßt sich gewährleisten, daß die
Dichtungswirkung zwischen dem Prüfelement 52 und dem Gehäuse
12 auch bei verschiedenen Abständen zwischen diesem Prüf
element 12 und der Stirnfläche 40 des Gehäuses 12 erreicht
ist. Wie in Fig. 3 gezeigt, läßt sich bei axialer Kraftaus
übung (d. h. bei Verschieben des Prüfelements 52 auf die
Stirnfläche 40 des Gehäuses 12 zu) die Manschette 72 zu
sammendrücken und dadurch weicht die Dichtlippe 74 nach außen
aus. Da diese an der Stirnfläche 40 anliegend bleibt, bleibt
die Dichtwirkung erhalten, auch wenn der Abstand zwischen
Prüfelement 52 und Gehäuse 12 variiert wird. Durch die kegel
stumpfförmige Ausbildung der Innenfläche 80 bleibt die Dich
tung 68 über einen von der Innenfläche 80 umfaßten Endbereich
an der Stirnfläche 40 anliegend.
Bei einer Schwenkbewegung des Prüfelements relativ zum Ge
häuse 12 dreht sich die Dichtung 68, die über den Haltering
64 drehfest an dem Prüfelement 52 gehalten ist, relativ zu
dem Gehäuse 12. Die Drehwelle 22 liegt vollständig in einem
von der Ringmanschette 70 und der Manschette 72 umfaßten
Innenraum 82 der Dichtung 68. Dies bedeutet, daß die Dreh
welle 22 durch die Dichtung 68 gegenüber dem Außenraum ab
geschlossen ist.
Das Steuergerät 49 ist, wie in Fig. 4 gezeigt, über das Ver
bindungskabel 84 mit dem Tastkopf 10 verbunden. Über dieses
Verbindungskabel 84 wird der Elektromotor 20 mit elektrischer
Energie versorgt. Weiterhin gibt die Steuereinrichtung 50 Steue
rungs- und Regelungssignale an den Elektromotor 20.
Die Steuereinrichtung 50 umfaßt eine Stromversorgung 86,
welche Anschlüsse 88a, 88b für eine Energiequelle aufweist.
Beispielsweise ist es vorgesehen, zwischen den Anschlüssen
88a und 88b eine Spannung von 24 V anzulegen. Zwischen der
Stromversorgung und einem Mikrocontroller 90 ist ein EMV-
Filter 92 angeordnet, um elektromagnetische Störungen
abzufangen bzw. auszugleichen.
Weiterhin ist ein Schalter und insbesondere Drehschalter 94
für einen Schwenkwinkel des Prüfelements 52 vorgesehen,
welcher mit einem Eingang des Mikrocontrollers 90 verbunden
ist. (In Fig. 4 sind Eingänge des Mikrocontrollers 90 mit
Pfeilen zu diesem und Ausgänge mit Pfeilen weg von diesem
angedeutet.) Über diesen Drehschalter läßt sich ein Schwenk
winkel des Prüfelements 52 vorgeben.
Ein weiterer Eingang des Mikrocontrollers 90 ist mit einem
Umschalter 96 versehen, mittels dem zwischen einer Werkzeug
überwachungsoperation zur Überprüfung einer vorbestimmten
Position eines Körpers oder einer Freiraumüberwachungs
operation zur Überprüfung der Anwesenheit eines Körpers
schaltbar ist.
Über einen weiteren Umschalter 98 läßt sich eine Schwenk
richtung im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn
schalten.
Der Mikrocontroller 90 ist ferner mit einem nicht flüchtigen
Speicher 100, beispielsweise einem EEPROM verbunden, in
welchem insbesondere bestimmte Schwenkstellungen des Prüf
elements 52 speicherbar sind, so daß der Mikrocontroller bei
der Operation der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung
darauf zurückgreifen kann.
Ein Ausgang des Mikrocontrollers 90 ist mit einem Motor
treiber 102 für den Elektromotor 20 verbunden. Dabei sitzt
zwischen dem Motortreiber 102 und dem Elektromotor 20 ein
EMV-Filter 104 zum Abfangen bzw. Ausgleichen von elektro
magnetischen Verzerrungen. Über das Verbindungskabel 84 ist
der Elektromotor 20 mit dem EMV-Filter 104 verbunden.
Der digitale Winkelgeber 38 ist über dieses EMV-Filter 104
mit einem Meßumformer 106 verbunden, welcher wiederum über
ein Filter 108 mit dem Mikrocontroller 90 verbunden ist.
Dadurch kann der Mikrocontroller 90 die Signale des digitalen
Winkelgebers 38, die an den Elektromotor 20 übermittelt
werden, auswerten und insbesondere dadurch die momentane
Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung des Prüfelements
52 ermitteln.
Der Mikrocontroller 90 weist einen Eingang 110 "Start" auf,
bei dessen Signalbeaufschlagung die Überwachungsoperation in
Gang gesetzt wird. Zwischen diesem Eingang 110 und dem Mikro
controller ist dabei ein Eingangsschutz 112 angeordnet, um
Eingangssignale, die zu einer Zerstörung des Mikrocontrollers
führen können, abzufangen.
Weiterhin ist ein Eingang 114 "Lernen" beispielsweise über
einen Taster vorgesehen, welcher ebenfalls über den Eingangs
schutz 112 mit dem Mikrocontroller 90 verbunden ist. Bei
Signalbeaufschlagung dieses Eingangs 114 wird ein Lernzyklus
in Gang gesetzt, bei dem das Prüfelement 52 die vorbestimmte
Position eines Körpers (Werkzeugüberwachung) lernt.
Der Mikrocontroller 90 weist weiterhin drei Ausgänge 116,
118, 120 auf, die mit einem Ausgangstreiber 122 verbunden
sind, an dem die Ausgangssignale der Überwachungseinrichtung
abgreifbar sind. An einem ersten Ausgang 124 "OK" dieses Aus
gangstreibers 122 ist dabei ein Signal abgreifbar, das an
zeigt, daß der Überwachungsvorgang ordnungsgemäß durchgeführt
wurde und keine Störungen festgestellt wurden (d. h. bei der
Werkzeugüberwachung der Körper an seiner vorbestimmten Posi
tion detektiert wurde oder bei der Freiraumüberwachung kein
Körper im Überwachungsbereich detektiert wurde).
An einem zweiten Ausgang 126 "nOK" ist ein Signal abgreifbar,
das anzeigt, daß der Überwachungsvorgang ordnungsgemäß ver
laufen ist, jedoch eine Störung detektiert wurde, d. h. daß
entweder der Körper nicht in seiner vorbestimmten Position
ist (Werkzeugüberwachung) oder die Anwesenheit eines Körpers
im Überwachungsbereich detektiert wurde
(Freiraumüberwachung).
Der Ausgangstreiber 122 weist einen dritten Ausgang 128
"FAULT" auf, der anzeigt, daß der Überwachungsvorgang nicht
ordnungsgemäß erfolgt ist. Die Ursache dafür kann beispiels
weise sein, daß Verunreinigungen wie Späne zu einer Störung
der Drehbewegung der Welle 22 geführt haben. Es können auch
eine Vielzahl von anderen Gründen zu einer Störung der Über
wachungsoperation führen.
Um das Überwachungsergebnis auch optisch anzuzeigen, weist
der Mikrocontroller 90 einen Ausgang 130 auf, der mit einer
LED 132 verbunden ist, die grün leuchtet, wenn der Über
wachungsvorgang erfolgreich abgelaufen ist und keine
Störungen detektiert wurden. Es ist ein weiterer Anschluß 134
vorgesehen, der mit einer LED 136 verbunden ist, die ein
rotes Licht abgibt, wenn der Überwachungsvorgang erfolgreich
abgelaufen ist, jedoch eine Störung in dem Sinne detektiert
wurde, daß der Körper nicht an seiner vorbestimmten Position
ist (Werkzeugüberwachung) oder daß in dem Überwachungsbereich
ein Körper anwesend ist (Freiraumüberwachung). Ein Anschluß
138 ist mit einer LED 140 verbunden, die ein optisches Signal
(beispielsweise gelbes Licht) abgibt, wenn durch die Steuer
einrichtung 50 festgestellt wird, daß ein Fehler während des
Überwachungsvorgangs aufgetreten ist.
Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung umfaßt einen
Regelkreis, welcher in Fig. 8 als Ganzes mit 200 bezeichnet
ist. Dieser Regelkreis 200 ist in die Steuereinrichtung 50
integriert. Der Regelkreis 200 umfaßt dabei eine Positions
regeleinrichtung 202, welche an einem ersten Eingang 204 ein
Ist-Positionssignal des Prüfelements 52 von dem digitalen
Winkelgeber 38 empfängt. Der digitale Winkelgeber 38 bestimmt
dabei die Position der Drehwelle 22 oder direkt eine Motor
position.
Die Positionsregeleinrichtung 202 weist einen zweiten Eingang
206 auf, über den ein Soll-Schwenkpositionssignal zugeführt
wird. Dieses Soll-Schwenkpositionssignal zu einem vorge
gebenen Zeitpunkt wird dabei insbesondere aus einem vorge
gebenen Schwenkpositions-Zeit-Verlauf ermittelt, welcher in
der Steuereinrichtung 50 eingespeichert ist, beispielsweise
indem entsprechende Positionsdaten in ihrer Zeitabhängigkeit
eingespeichert sind und/oder eine Rechenvorschrift einge
speichert ist, wie die vorgegebene Schwenkposition zu einem
bestimmten Zeitpunkt zu ermitteln ist.
Ferner umfaßt die Positionsregeleinrichtung 202 einen
Differenzbildner 208, welcher eine Differenz zwischen Soll-
Schwenkposition und Ist-Schwenkposition bildet. Dieses
Differenzsignal wird dann einem PD-Regler (proportional plus
derivative controller) 210 zugeführt, welcher ein Summen
signal aus einem der genannten Differenz proportionalen
Signal und einem einem Differentialquotienten über der Zeit
proportionalen Signal liefert. Das dadurch gebildete Stell
größensignal wird dann einem Stellgrößenbegrenzer 212 bereit
gestellt.
Der Regelkreis 200 umfaßt ferner eine Drehmomentregel
einrichtung 214, welche an einem ersten Eingang 216 ein Ist-
Stromsignal des Motortreibers 102 empfängt, welches die
Information enthält, mit welchem Motorstrom der Motor 20 be
aufschlagt ist. Da der Motorstrom proportional zum Drehmoment
des Stroms ist, enthält das Ist-Stromsignal die Information
über das Drehmoment des Motors 20 und damit des Prüfelements
52.
An einem zweiten Eingang 218 empfängt die Drehmomentregel
einrichtung 214 einen Soll-Stromwert und insbesondere einen
Maximal-Stromwert, welcher das maximal erlaubte Drehmoment
charakterisiert, um auf diese Weise eine Drehmomentbegrenzung
auszubilden. Die Drehmomentregeleinrichtung 214 umfaßt ferner
einen Differenzbildner 220, welcher eine Differenz zwischen
dem Ist-Stromwert und dem Soll-Maximalstromwert bildet. Ein
entsprechend gebildetes Differenzsignal wird einem P-Regler
(proportional controller) bei 122 bereitgestellt, der ein
dieser Differenz proportionales Stellgrößensignal bildet.
Dieses Stellgrößensignal wird ebenfalls dem Stellgrößen
begrenzer 212 bereitgestellt.
Der Stellgrößenbegrenzer 212 verarbeitet das Stellgrößen
signal des PD-Reglers 210 und das Stellgrößensignal des
P-Reglers 222 und erzeugt ein Stellgrößensignal, welches
einem Eingang 224 des Motortreibers 102 bereitgestellt ist,
welches im wesentlichen dem Signal des PD-Reglers 210 ent
spricht, aber "drehmomentbegrenzt" ist, d. h. so eingestellt
wird, daß ein mittels des an dem Eingang 224 bereitgestellten
Stellgrößensignals erzeugtes Motordrehmoment stets unterhalb
des vorgegebenen maximalen Motordrehmoments liegt.
Der Motortreiber 102 stellt ein pulsweitenmoduliertes Signal
bereit, welches in Abhängigkeit von der an seinem Eingang 224
abgreifbaren Stellgröße gebildet ist und mit welchem der
Elektromotor 20 angesteuert wird, um das Prüfelement 52 in
seiner Schwenkbewegung gemäß einem vorgegebenen Schwenk
positions-Zeit-Verlauf zu regeln und das Drehmoment unterhalb
eines maximalen vorgegebenen Drehmoments zu halten.
Der Betrieb der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung
läuft wie folgt:
Nach Einschalten der Steuereinrichtung 50 wird die Drehwelle langsam gedreht, bis die Anschlagmittel 28 und 34 aneinander liegen, d. h. die Stifte 28 und 34 aneinander stoßen. Dadurch wird eine Referenzposition gesetzt. Es wird dann mit einem geringen Drehmoment der Stift 28 gegen den Stift 34 gedrückt, um so nochmals die Nullposition zu setzen. Der Mikro controller 90 liest dann die Stellungen der Schalter 94, 96 und 98. Bei einer fälschen oder ungeeigneten Schalterstellung des Drehschalters 94 (beispielsweise Schwenkwinkel 0°) wird der Schritt des Drückens mit geringem Drehmoment des Stiftes 28 gegen den Stift 34 und ein Einlesen der Schalterstellungen wiederholt. Bei einer geeigneten Stellung des Drehschalters 94 wird geprüft, ob über den Schalter 96 der Modus Werkzeug überwachung (Detektion eines Körpers an einer vorbestimmten Position) oder der Modus Freiraumüberwachung (Detektion eines Körpers in einem Überwachungsbereich) über den Schalter 96 eingestellt ist. Im Falle, daß der Modus "Freiraumüberwachung" eingestellt ist, wird ein entsprechen der Starteingang abgefragt. Im Falle, daß der Modus "Werkzeugüberwachung" eingestellt ist, wird der Eingang 114 "Lernen" abgefragt und gegebenenfalls ein Lernvorgang durch geführt. Bei erfolgreichem Lernvorgang wird dann der Eingang 110 "Start" für die Werkzeugüberwachung abgefragt und ent sprechend eine Werkzeugüberwachungsoperation durchgeführt. Ergibt die Abfrage, daß der Lernvorgang nicht erfolgreich war, wird in den Schritt, bei dem die Stifte 28 und 34 mit geringem Drehmoment gegeneinander gedrückt werden, um die Referenzposition zu setzen, gesprungen und die entsprechenden oben erwähnten nachfolgenden Schritte werden abgearbeitet.
Nach Einschalten der Steuereinrichtung 50 wird die Drehwelle langsam gedreht, bis die Anschlagmittel 28 und 34 aneinander liegen, d. h. die Stifte 28 und 34 aneinander stoßen. Dadurch wird eine Referenzposition gesetzt. Es wird dann mit einem geringen Drehmoment der Stift 28 gegen den Stift 34 gedrückt, um so nochmals die Nullposition zu setzen. Der Mikro controller 90 liest dann die Stellungen der Schalter 94, 96 und 98. Bei einer fälschen oder ungeeigneten Schalterstellung des Drehschalters 94 (beispielsweise Schwenkwinkel 0°) wird der Schritt des Drückens mit geringem Drehmoment des Stiftes 28 gegen den Stift 34 und ein Einlesen der Schalterstellungen wiederholt. Bei einer geeigneten Stellung des Drehschalters 94 wird geprüft, ob über den Schalter 96 der Modus Werkzeug überwachung (Detektion eines Körpers an einer vorbestimmten Position) oder der Modus Freiraumüberwachung (Detektion eines Körpers in einem Überwachungsbereich) über den Schalter 96 eingestellt ist. Im Falle, daß der Modus "Freiraumüberwachung" eingestellt ist, wird ein entsprechen der Starteingang abgefragt. Im Falle, daß der Modus "Werkzeugüberwachung" eingestellt ist, wird der Eingang 114 "Lernen" abgefragt und gegebenenfalls ein Lernvorgang durch geführt. Bei erfolgreichem Lernvorgang wird dann der Eingang 110 "Start" für die Werkzeugüberwachung abgefragt und ent sprechend eine Werkzeugüberwachungsoperation durchgeführt. Ergibt die Abfrage, daß der Lernvorgang nicht erfolgreich war, wird in den Schritt, bei dem die Stifte 28 und 34 mit geringem Drehmoment gegeneinander gedrückt werden, um die Referenzposition zu setzen, gesprungen und die entsprechenden oben erwähnten nachfolgenden Schritte werden abgearbeitet.
Ein Lernzyklus läuft wie folgt ab:
Der Mikrocontroller 90 prüft zuerst, ob der Eingang 114 "Lernen" aktiv ist. Im positiven Falle wird dann nochmals der über den Drehschalter 94 eingestellte Schwenkwinkel geprüft. Ist als Schwenkwinkel 0° eingestellt, so ist kein Lernen möglich. Es wird dann die Hindernisposition 0° in dem Speicher 100 gespeichert und das Prüfelement langsam in seine Ausgangsposition (Referenzposition) zurückgeschwenkt.
Der Mikrocontroller 90 prüft zuerst, ob der Eingang 114 "Lernen" aktiv ist. Im positiven Falle wird dann nochmals der über den Drehschalter 94 eingestellte Schwenkwinkel geprüft. Ist als Schwenkwinkel 0° eingestellt, so ist kein Lernen möglich. Es wird dann die Hindernisposition 0° in dem Speicher 100 gespeichert und das Prüfelement langsam in seine Ausgangsposition (Referenzposition) zurückgeschwenkt.
Bei einer Schwenkwinkeleinstellung ungleich 0° wird dann das
Prüfelement mit langsamer Geschwindigkeit auf den über den
Drehschalter 94 eingestellten Winkel verschwenkt, und unter
Zwischenschaltung eines Zeitverzögerungsschrittes wird ge
prüft, ob das Prüfelement mit der Tastnadel 60 einen Posi
tionsschalter erreicht hat, der das Ende eines Überwachungs
bereiches anzeigt. Wird detektiert, daß dieser Positions
schalter erreicht ist, dann bedeutet dies, daß kein Hindernis
im eingestellten Bereich war und damit auch keine Hindernis
position gelernt werden konnte. Es wird dann als Hindernis
position Null in dem Speicher 100 gespeichert und das Prüf
element langsam in die Referenzposition zurückgeschwenkt.
Wird bei der Prüfung, ob das Prüfelement 52 den Positions
schalter erreicht hat, festgestellt, daß das Prüfelement
außerhalb eines zulässigen Bereiches verschwenkt wurde (aus
diesem Grund wird der Zeitverzögerungsschritt zwischenge
schaltet), dann bedeutet dies, daß das Hindernis außerhalb
des zulässigen Bereichs liegt. Es wird dann die Hindernis
position Null in dem Speicher 100 gespeichert und das Prüf
element 52 langsam auf die Referenzposition zurückgeschwenkt.
Im positiven Falle, daß das Prüfelement 52 im zulässigen
Bereich liegt, war der Lernvorgang erfolgreich und die
momentane Position des Prüfelements 52 stellt die Hindernis
position dar, d. h. die vorbestimmte Position des Körpers. Es
wird danach ebenfalls das Prüfelement 52 langsam in die
Referenzposition zurückgeschwenkt.
Die Werkzeugüberwachung läuft nun wie folgt ab:
Es wird zuerst geprüft, ob der Eingang 110 "Start" aktiv ist. Es werden dann alle LEDs 132, 136 und 140 und die Ausgänge 124, 126 und 128 ausgeschaltet. Daraufhin wird geprüft, ob als gelernte Position in dem Speicher 100 0° gespeichert ist. Ist dies der Fall, dann bedeutet dies, daß keine Abtastung möglich ist, da die Position nicht erfolgreich gelernt wurde und deshalb keine Abtastung durchgeführt wird. Die Ausgänge 126 "nOK" und 128 "Fault" werden signalbeaufschlagt.
Es wird zuerst geprüft, ob der Eingang 110 "Start" aktiv ist. Es werden dann alle LEDs 132, 136 und 140 und die Ausgänge 124, 126 und 128 ausgeschaltet. Daraufhin wird geprüft, ob als gelernte Position in dem Speicher 100 0° gespeichert ist. Ist dies der Fall, dann bedeutet dies, daß keine Abtastung möglich ist, da die Position nicht erfolgreich gelernt wurde und deshalb keine Abtastung durchgeführt wird. Die Ausgänge 126 "nOK" und 128 "Fault" werden signalbeaufschlagt.
Im Falle, daß eine gelernte Position ungleich 0° ermittelt
wurde, wird das Prüfelement 52 durch einen Durchgangsbereich
142 (Fig. 5 und 6) geschwenkt und geprüft, ob eine be
stimmte Höchstzeit abgelaufen ist. Im Falle, daß diese
Höchstzeit abgelaufen ist, werden die LEDs 136 und 140 einge
schaltet, das Prüfelement 52 mit hoher Geschwindigkeit auf
seine Referenzposition zurückgefahren und die Ausgänge 126
und 128 signalbeaufschlagt. Das Ablaufen des Zeitlimits kann
insbesondere dadurch verursacht sein, daß Wickelspäne die
Bewegung der Tastnadel 60 behindern oder blockieren.
Im Falle, daß registriert wird, daß das Zeitlimit noch nicht
abgelaufen ist, wird das Prüfelement in einen Überwachungs
bereich 144 verschwenkt. Es wird dann nochmals geprüft, ob
ein Zeitlimit abgelaufen ist. Ist dies der Fall, dann ist
eine Störung der Überwachungseinrichtung eingetreten und ent
sprechend werden wieder die LEDs 136 und 140 eingeschaltet
und die Ausgänge 126 und 128 signalbeaufschlagt. Ist dieses
Zeitlimit nicht abgelaufen, dann wird der ganze Überwachungs
bereich durchfahren und am Ende des Überwachungsbereiches
geprüft, ob sich das Prüfelement noch im zulässigen Schwenk
winkelbereich befindet. Ist dies nicht der Fall, dann ist
dies darauf zurückzuführen, daß sich ein Körper nicht im
Überwachungsbereich befindet. Es wird dann die LED 136 "NOK"
eingeschaltet, das Prüfelement 52 mit hoher Geschwindigkeit
in seine Referenzposition zurückverschwenkt und der Ausgang
126 "nOK" signalbeaufschlagt. Der Ausgang 128 "FAULT" wird
nicht signalbeaufschlagt, da der Überwachungsvorgang ord
nungsgemäß erfolgt ist, aber kein Körper im Überwachungs
bereich 144 detektiert wurde.
Im Falle, daß sich das Prüfelement 52 in einem zulässigen
Schwenkwinkelbereich befindet, wird die LED 132 eingeschaltet
und der Ausgang 124 "OK" signalbeaufschlagt, wobei die Aus
gänge 126 und 128 nicht signalbeaufschlagt werden.
Das Durchfahren des Durchgangsbereichs 142 und des Über
wachungsbereichs 144 wird unten stehend näher erläutert.
Wurde über den Umschalter 96 die Freiraumüberwachung einge
stellt, d. h. die Überprüfung, ob ein Körper in dem Über
wachungsbereich anwesend ist, dann wird wiederum zuerst
geprüft, ob der Eingang "START" 110 aktiv ist. Im positiven
Falle werden die LEDs 132, 136 und 140 und die Ausgänge 124,
126 und 128 ausgeschaltet. Ist die über den Drehschalter ein
gestellte Schwenkwinkelposition 0°, dann ist keine Über
wachung möglich und die LEDs 132, 136 und 140 bleiben aus
geschaltet. Es wird dann das Prüfelement 52 auf seine
Referenzposition zurückverschwenkt, sofern es dort nicht
bereits ist und der Ausgang 128 "FAULT" signalbeaufschlagt.
Ist die eingestellte Position verschieden von 0°, dann durch
fährt das Prüfelement 52 den Durchgangsbereich 142 und den
Überwachungsbereich 144, wie unten näher erläutert, und es
wird geprüft, ob das Prüfelement 52 noch im zulässigen Be
reich ist. Ist dies nicht der Fall, dann bedeutet dies, daß
ein Körper im Überwachungsbereich 144 anwesend ist und die
LED 132 "OK" bleibt ausgeschaltet, während die LED 136 "nOK"
eingeschaltet wird. Es wird dann das Prüfelement in seine
Referenzposition zurückverschwenkt, und der Ausgang 126 "nOK"
signalbeaufschlagt, während die beiden anderen Ausgänge 124
und 128 keine Signalbeaufschlagung erhalten.
Ist dagegen das Prüfelement 52 im zulässigen Bereich, dann
bedeutet dies, daß im Überwachungsbereich 144 kein Körper
anwesend war. Es wird daher die LED 132 eingeschaltet, das
Prüfelement in seine Referenzposition zurückverschwenkt und
der Ausgang 124 "OK" signalbeaufschlagt, während die Ausgänge
126 und 128 nicht signalbeaufschlagt werden.
Die Steuerungseinrichtung 50 steuert und regelt über den
Mikrocontroller 90 und den digitalen Winkelgeber 38 die Posi
tion, Schwenkgeschwindigkeit und das Drehmoment des Prüf
elements 52 mit der Tastnadel 60. Dazu wird der Motorstrom
des Elektromotors 20 gesteuert und geregelt, um dessen
Drehmoment zu steuern und zu regeln, und es wird die
Spannungsbeaufschlagung des Elektromotors 20 gesteuert und
geregelt, um mittels des digitalen Winkelgebers 38 die
Drehung der Drehwelle 22 zu steuern und zu regeln. Es kann
dabei insbesondere vorgesehen sein, daß der Mikrocontroller
90 ein pulsweitenmoduliertes Signal erzeugt, welches sowohl
Informationen über die Positionssteuerung/-regelung als auch
Momentensteuerung/-regelung enthält.
Der Durchgangsbereich 142 dient im wesentlichen dazu, das
Prüfelement 52 ausgehend von einer Ausgangsposition
(Referenzposition) schnell in den Überwachungsbereich 144 zu
bringen. Der eigentliche Detektionsvorgang zur Überprüfung
der vorbestimmten Position eines Körpers oder der Überprüfung
der Anwesenheit eines Körpers findet in dem Überwachungs
bereich 144 statt.
Das Drehmoment des Elektromotors 20, mit dem dieser über die
Drehwelle 22 auf das Prüfelement 52 wirkt, ist durch die
Strombeaufschlagung dieses Gleichstrommotors bestimmt. Der
Mikrocontroller 90 stellt die Strombeaufschlagung so ein, daß
das maximal mögliche Drehmoment 146, welches das Drehmoment
des Prüfelements 52 begrenzt und welches in Fig. 5 mit ge
strichelten Linien skizziert ist, im Überwachungsbereich 144
gegenüber dem Durchgangsbereich 142 abgesenkt ist. Dadurch
läßt sich verhindern, daß die Tastnadel 60 des Prüfelements
52 mit hohem Drehmoment an einen zu detektierenden Körper
anschlägt oder eine entsprechend hohe Kraft auf diesen aus
übt, wenn er im Schwenkweg der Tastnadel 60 steht.
In Fig. 5 ist schematisch ein Geschwindigkeitsverlauf 148
für die Schwenkgeschwindigkeit des Prüfelements 52 gezeigt.
Ausgehend von der Referenzposition 150 umfaßt der Durchgangs
bereich 142 einen Beschleunigungsbereich 152, in dem das
Prüfelement beschleunigt wird, d. h. dessen Geschwindigkeit
von Null aus bis zu einem im wesentlichen konstanten Wert
erhöht wird. In einem auf diesen Beschleunigungsbereich
folgenden Bereich 154 wird die Geschwindigkeit im wesent
lichen konstant gehalten, und in einem Abbremsbereich 156
wird die Geschwindigkeit auf einen niedrigeren Wert als dem
in dem Bereich 154 verringert, d. h. das Prüfelement 52 wird
abgebremst. An den Abbremsbereich 156 schließt sich der Über
wachungsbereich 144 an. Der Übergang 158 zwischen dem Ab
bremsbereich 156 und dem Überwachungsbereich 144 liegt dabei
bei einer vorgegebenen Winkelposition vor der vorbestimmten
Position des Körpers (bei der Werkzeugüberwachung), bei
spielsweise um einen Winkelbereich von 10° vor dieser vor
bestimmten Position.
Die Drehmomentbegrenzung wird beim Übergang vom Abbrems
bereich 156 in den Überwachungsbereich 144 erniedrigt und
bevorzugterweise in einem kleinen Zeitabstand nach dem Über
gang 158. Dadurch ist gewährleistet, daß ein genügend großes
Drehmoment vorhanden ist, um das Prüfelement 52 in dem Über
wachungsbereich 144 mit einer im wesentlichen konstanten
niedrigeren Geschwindigkeit zu verschwenken; andererseits
wird dadurch auch gewährleistet, daß im wesentlichen im
größten Teil des Überwachungsbereichs 144 das maximal mög
liche Drehmoment 146 gegenüber demjenigen im Durchgangs
bereich 142 abgesenkt ist.
Das Prüfelement 52 durchschwenkt den Überwachungsbereich 144
vollständig mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit,
wie durch das Kurvenstück 160 in Fig. 5 angedeutet, wenn
kein Körper im Überwachungsbereich 144 liegt. Ist das Ende
162 des Überwachungsbereiches 144 erreicht, dann schwenkt das
Prüfelement 52 schnell zurück in die Referenzposition 150,
wobei das Prüfelement zur Umkehrung der Drehrichtung abge
bremst und in die Gegenrichtung beschleunigt wird.
Liegt ein Körper im Überwachungsbereich 144, dann wird inner
halb kurzer Zeit das Prüfelement 52 von seiner im wesent
lichen konstanten Geschwindigkeit 164 auf Null abgebremst,
wie es in dem Kurvenstück 166 angedeutet ist. Danach kann das
Prüfelement 52 schnell in die Referenzposition 150 zurück
schwenken.
Der Drehmomentverlauf ist in Fig. 5 über die Kurve 168 dar
gestellt. In dem Beschleunigungsbereich 152 wird ein hohes
Drehmoment ausgeübt, welches unterhalb des maximalen Dreh
moments 146 liegt, um ausgehend von der Referenzposition 150
das Prüfelement auf eine konstante Geschwindigkeit zu be
schleunigen. Dieses Drehmoment ist dabei höher als das über
die Dichtung 68 ausgeübte Reibmoment, um eine Nettobeschleu
nigung zu erreichen.
Beim Übergang in den Bereich 154 wird das Motordrehmoment
erniedrigt, indem der Motorstrom entsprechend erniedrigt
wird, um eine konstante Geschwindigkeit des Prüfelements 52
zu erreichen. Das Drehmoment entspricht dann im wesentlichen
dem Reibmoment. In dem Abbremsbereich 156 wird das Drehmoment
umgekehrt, um eben das Prüfelement 52 abzubremsen. Die Um
kehrung erfolgt im wesentlichen nur in dem Abbremsbereich
156. Beim Übergang 148 wird das Drehmoment wieder erhöht und
bei einem Wert festgehalten, der etwas niedriger ist als der
im Bereich 154.
Erreicht das Prüfelement 52 den Körper, dann steigt das
Drehmoment an, da der Mikrocontroller 90 eine Verlangsamung
des Prüfelements registriert und dies auszugleichen versucht.
Dieser Anstieg, welcher in Fig. 5 mit 170 angedeutet ist,
ist unter anderem darauf zurückzuführen, daß die Steuerungs-
und Regelungsvorgänge nicht instantan erfolgen, sondern eine
gewisse Einschwingzeit benötigen. Durch das erfindungsgemäße
Vorsehen einer Drehmomentbegrenzung, wobei diese in dem Über
wachungsbereich 144 abgesenkt ist, wird jedoch verhindert,
daß das Drehmoment des Prüfelements 52 trotz des Anstiegs 170
über seinen maximal erlaubten Wert hinausgeht.
In Verbindung mit dem Abfall 166 der Geschwindigkeit auf Null
und/oder des Anstiegs des Drehmoments wird dann von dem
Mikrocontroller 90 ein Steuerungs- und Regelungssignal aus
gegeben, gemäß dem die Drehmomentrichtung umgekehrt wird, um
das Prüfelement 52 schnell in die Referenzposition 150
zurückzuschwenken.
In dem Falle, daß in dem Überwachungsbereich 144 kein Körper
vorhanden ist, an den die Tastnadel 60 anschlagen kann, wird
das konstante Drehmoment bis zum Ende 162 des Überwachungs
bereiches aufrechterhalten, um eine im wesentlichen konstante
Geschwindigkeit des Prüfelements 52 zu erzielen, und am Ende
162 des Überwachungsbereiches wird das Drehmoment umgekehrt,
um das Prüfelement 52 schnell wieder zurück in die Referenz
position 150 zu führen (dies ist in Fig. 5 nicht gezeigt).
In Fig. 6 ist schematisch der Schwenkweg 172 des Prüf
elements 52 über der Zeit ausgehend von der Referenzposition
150 gezeigt. In dem Beschleunigungsbereich 152 steigt der
Schwenkwinkel ausgehend von seiner Referenzstellung
(Nullstellung) nichtlinear an und im Bereich 154 steigt der
Schwenkwinkel im wesentlichen aufgrund der konstanten Ge
schwindigkeit linear an. Im Abbremsbereich 156 ist der An
stieg aufgrund der Abbremsung langsamer als linear und geht
dann schließlich im Überwachungsbereich in einen weiteren
linearen Anstieg über, der allerdings langsamer ist als in
dem Bereich 154. Ist beim Schwenkwinkel 174 der Körper er
reicht, dann ändert sich dieser Schwenkwinkel zeitlich nicht
mehr, so lange die Schwenkrichtung nicht umgekehrt wird.
Diese Umkehrung ist mit dem Kurvenstück 176 angedeutet.
Im Falle, daß die Tastnadel 60 nicht an einen Körper anlegt,
durchläuft das Prüfelement 52 den ganzen Überwachungsbereich
144 und an dessen Ende 162 kehrt sich die Schwenkbewegung um
und der Schwenkwinkel verkleinert sich wieder. Das Wegzeit
diagramm bei dem Rückschwenken verläuft entsprechend, um die
Referenzposition 150 wieder zu erreichen.
Durch den digitalen Winkelgeber 38, bei dem es sich um einen
Inkrementengeber handelt, läßt sich der Drehwinkel in einem
bestimmten Zeitintervall (Zeitinkrement) vorgeben. Dem Mikro
controller ist dadurch jederzeit die Schwenkposition des
Prüfelements 52 bekannt sowie zumindest näherungsweise die
momentane Geschwindigkeit als Differentialquotient zwischen
entsprechenden Wegintervallen und Zeitintervallen. Über den
Motorstrom läßt sich das Drehmoment bestimmen.
Vorgegebene Steuerungs- und Regelungskurven für Position,
Geschwindigkeit und Drehmoment lassen sich beispielsweise in
diskreter Form in Tabellen in dem Speicher 100 speichern. Der
Mikrocontroller 90 vergleicht die tatsächlichen Werte mit den
gespeicherten Werten. Bei Abweichungen davon wird der Motor
treiber 102 entsprechend so gesteuert und geregelt, daß die
Schwenkbewegung des Prüfelements 52 dicht beim vorgebbaren
Kurvenverlauf liegt. Die in Fig. 5 und 6 gezeigten Kurven
verläufe entsprechen diesen in Tabellenform vorgegebenen
Kurvenverläufen, d. h. sie stellen die Regelgrößen dar.
Die Schwenkposition des Prüfelements ist erfindungsgemäß
mittels des Regelkreises 200 so gesteuert, daß sie einem
vorgegebenen Positions-Zeit-Verlauf folgt (innerhalb der
Regelgenauigkeit). In Fig. 7 ist beispielhaft ein vorge
gebener Schwenkpositions-Zeit-Verlauf 226 gezeigt, bei dem
ausgehend von der Ausgangsposition 150 eine Hindernisposition
228 erreicht wird. Diese Hindernisposition 228 wurde insbesondere
zuvor in einem Lernzyklus gelernt. Bei dem Kurvenverlauf 226
detektiert das Prüfelement 52 an der Hindernisposition 228
einen Gegenstand, d. h. die Geschwindigkeit des Prüfelements
fällt im Bereich der Hindernisposition 228 auf Null ab, wie
es in einem Bereich 230 eines Geschwindigkeits-Zeit-Diagramms
232 für das Prüfelement 52 für den Schwenkpositions-Zeit-Ver
lauf 226 gezeigt ist. Die Hindernisposition 228 gibt damit
den maximalen Schwenkwinkel für das Prüfelement 52 an und
damit auch die Umkehrposition. Die Hindernisposition 228 wird
dabei zu einem Zeitpunkt 234 erreicht. Dadurch, daß die
Schwenkbewegung des Prüfelements 52 gemäß dem Schwenk
positions-Zeit-Verlauf 226 über den Regelkreis 200 geregelt
ist, ist der Zeitpunkt 234 festgelegt, zu welchem das Prüf
element die Hindernisposition 228 erreicht. Dieser Zeitpunkt
ist aufgrund der erfindungsgemäßen Steuerung und Regelung der
Schwenkbewegung des Prüfelements 52 unabhängig von der
"Vorgeschichte" des Prüfelements 52 auf seiner Bewegung von
der Ausgangsposition 150 zu der Hindernisposition 228, sofern
noch die Funktionsfähigkeit der erfindungsgemäßen Über
wachungseinrichtung gewährleistet ist. Auch wenn beispiels
weise vergrößerte Reibmomente für die Schwenkbewegung des
Prüfelements 52 vorliegen, beeinflußt dieses im Rahmen der
Regelgenauigkeit nicht die Schwenkposition des Prüfelements
über der Zeit, da der Regelkreis 200 die Bewegung des Prüf
elements 52 auf den Schwenkpositions-Zeit-Verlauf 226 ein
regelt.
Die Kurve 226 entspricht dem vorgegebenen Schwenkpositions-
Zeit-Verlauf des Prüfelements 52, welcher in der Steuer
einrichtung 50 gespeichert ist. Er entspricht auch der tat
sächlichen Schwenkposition des Prüfelements über der Zeit,
wobei die Regelgenauigkeit dann insbesondere kleiner ist als
die Strichstärke in Fig. 7.
Da zu jedem Zeitpunkt innerhalb der Regelgenauigkeit die
Schwenkposition des Prüfelements 52 bekannt ist, ist um
gekehrt zu jeder Schwenkposition des Prüfelements bekannt,
welche Zeit seit dem Start des Prüfelements 52 ausgehend von
der Ausgangsposition 150 oder auch von irgendeiner anderen
Position vergangen ist. Über den Schwenkpositions-Zeit-Ver
lauf 226 ist daher die Zeit fest vorgegeben, die das Prüf
element 52 ausgehend von einer ersten Position in eine zweite
Position benötigt. Dadurch ist sichergestellt, daß ein Prüf
vorgang stets - unabhängig von der "Vorgeschichte" - inner
halb eines vorgegebenen Zeitintervalls durchgeführt wird.
Ausgehend von der Hindernisposition 228, welche bei dem
Kurvenverlauf 226 die Umkehrposition darstellt, kehrt des
Prüfelement 52 in seine Ausgangsposition 150 zurück. Auch
diese Schwenkbewegung ist über den Regelkreis 200 gesteuert
und geregelt, so daß insbesondere auch die Zeit fest vorge
geben ist, welche das Prüfelement 52 von dem Zeitpunkt 234
zur Rückkehr in den Ausgangspunkt 150 benötigt.
In Fig. 7 ist eine weitere Kurve für einen vorgegebenen
Schwenkpositions-Zeit-Verlauf 236 gezeigt, gemäß dem das
Prüfelement 52 an der Hindernisposition 228 kein Hindernis
detektiert und noch einen vorgegebenen Überwachungsbereich
238 durchläuft, welcher an einer Umkehrposition 240 endet.
Die Umkehrposition 240 wird dabei aufgrund der Einregelung
auf den Schwenkpositions-Zeit-Verlauf 236 zu einem definier
ten vorgegebenen Zeitpunkt 242 erreicht. Danach kehrt das
Prüfelement 52 in seine Ausgangsposition 150 (Nullposition)
zurück. Ebenfalls in Fig. 7 gezeigt ist das zu dem Schwenk
positions-Zeit-Verlauf 236 zugehörige Geschwindigkeits-Zeit-
Diagramm 244.
Bei dem in Fig. 7 gezeigten Beispiel für Schwenkpositions-
Zeit-Verläufe 226, 244 hängen diese ab von der Hindernis
position 228 (Umkehrposition beim Anschlagen an einen Gegen
stand) bzw. der Umkehrposition 240 (Ende des Überwachungs
bereichs 238, wenn an keinen Gegenstand angeschlagen wird)
ab. Ist beispielsweise als Ergebnis eines Lernzyklus eine
andere Hindernisposition und/oder ein anderes Überwachungs
bereichsende vorgegeben, dann wird entsprechend auch der
Schwenkpositions-Zeit-Verlauf an diese Positionen angepaßt.
Diese Anpassung erfolgt durch die Steuereinrichtung 50 ins
besondere nach Abschluß eines Lernzyklusvorgangs zum Lernen
einer Hindernisposition bzw. zum Lernen eines Überwachungs
bereichs. Es ist damit ein Teil des Lernzyklus, daß die
Steuereinrichtung 50 "lernt", welcher Schwenkpositions-Zeit-
Verlauf vorzugeben ist. Solche Verläufe können beispielsweise
in Tabellenform fest eingespeichert sein. Es kann auch vor
gesehen sein, daß ein Rechenalgorithmus solche Verläufe in
Abhängigkeit der gelernten Positionen berechnet.
Claims (52)
1. Überwachungseinrichtung zur Überprüfung einer vor
bestimmten Position eines Körpers oder zur Überprüfung
der Anwesenheit eines Körpers, umfassend ein schwenkbar
angeordnetes Prüfelement (52), einen Motor (20) zum
Antrieb des Prüfelements (52) und eine Steuereinrichtung
(50) zur Steuerung und Regelung der Schwenkbewegung des
Prüfelements (52),
dadurch gekennzeichnet, daß die
Steuereinrichtung (50) die Schwenkposition des Prüf
elements (52) in Abhängigkeit der Zeit vorgibt und daß
zu jedem Zeitpunkt der Schwenkbewegung des Prüfelements
(52) dessen Schwenkposition relativ zu einer
Ausgangsposition (150) bekannt ist.
2. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Schwenkbewegung des Prüfelements (52)
gemäß einem vorgegebenen Positions-Zeit-Verlauf (226;
236) gesteuert und geregelt ist.
3. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Regelgröße der Steuerung und
Regelung der Schwenkbewegung des Prüfelements (52) die
Schwenkposition des Prüfelements (52) zu einem vorge
gebenen Zeitpunkt ist.
4. Überwachungseinrichtung nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit, welche
das Prüfelement (52) für eine Schwenkbewegung von einer
ersten Schwenkposition in eine zweite Schwenkposition
benötigt, vorgegeben ist.
5. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Zeit, welche das Prüfelement (52) für
seine Schwenkbewegung ausgehend von einer Ausgangs
position (150) bis zum Erreichen einer Prüfposition
(228) benötigt, fest vorgegeben ist.
6. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zeit, welche das Prüfelement
(52) für seine Schwenkbewegung ausgehend von einer Aus
gangsposition (150) bis zum Erreichen einer Umkehr
position (228; 240) benötigt, fest vorgegeben ist.
7. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis
6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit, welche das
Prüfelement (52) für seine Schwenkbewegung von einer
Umkehrposition (228; 240) bis zum Erreichen der Aus
gangsposition (150) benötigt, fest vorgegeben ist.
8. Überwachungseinrichtung nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene
Positions-Zeit-Verlauf (226; 236) in der Steuereinrich
tung gespeichert ist.
9. Überwachungseinrichtung nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stellgröße
der Steuereinrichtung (50) ein Zeitinkrement ist.
10. Überwachungseinrichtung nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stellgröße
ein Schwenkpositionsinkrement oder Schwenkpositions
dekrement ist.
11. Überwachungseinrichtung nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stellgröße
in Abhängigkeit von einem vorgegebenen maximalen Dreh
moment des Prüfelements (52) gebildet wird.
12. Überwachungseinrichtung nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größen von
Wegintervallen und/oder Zeitinkrementen für die
Steuerung und Regelung der Schwenkposition des Prüf
elements (52) an den vorgegebenen Positions-Zeit-Verlauf
(226; 236) angepaßt sind.
13. Überwachungseinrichtung nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer
einrichtung (50) eine Positionsregeleinrichtung (202)
aufweist, welche eine Ist-Schwenkposition zu einem
bestimmten Zeitpunkt mit einer Soll-Schwenkposition
vergleicht und in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses
ein Stellgrößensignal erzeugt.
14. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die Positionsregeleinrichtung (202)
einen PD-Regler (210) umfaßt.
15. Überwachungseinrichtung nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer
einrichtung (50) eine Drehmomentregeleinrichtung (214)
aufweist, welche einen Ist-Motorstrom mit einem Soll-
Motorstrom vergleicht und in Abhängigkeit des Ver
gleichsergebnisses ein Stellgrößensignal erzeugt.
16. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 15, dadurch
gekennzeichnet, daß die Drehmomentregeleinrichtung (214)
einen P-Regler (222) umfaßt.
17. Überwachungseinrichtung nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Motortreiber
(102) vorgesehen ist, welcher den Motor (20) in Ab
hängigkeit von einer oder mehreren Stellgrößen steuert.
18. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 17, dadurch
gekennzeichnet, daß der Motortreiber (102) ein puls
weitenmoduliertes Signal zur Steuerung des Motors (20)
bereitstellt.
19. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis
16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stellgrößenbegrenzer
(212) vorgesehen ist, welcher von der Positionsregel
einrichtung (202) und der Drehmomentregeleinrichtung
(214) gelieferte Stellgrößensignale zur Erzeugung eines
drehmomentbegrenzten Stellgrößensignals zugeführt
werden.
20. Überwachungseinrichtung nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Prüfelement
ausgehend von einer Ausgangsposition (150) durch einen
Durchgangsbereich (142) in einen Überwachungsbereich
(144), in welchem die vorbestimmte Position des Körpers
liegt oder in dem die Anwesenheit eines Körpers über
wacht werden soll, schwenkbar ist und daß die Steuer
einrichtung (50) das Drehmoment des Prüfelements (52) so
begrenzt, daß das maximal mögliche Drehmoment im
Überwachungsbereich (144) gegenüber dem Durchgangs
bereich (142) abgesenkt ist.
21. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 20, dadurch
gekennzeichnet, daß der Motor (20) ein Gleichstrommotor
ist und durch die Steuereinrichtung (50) die Stromzufuhr
zum Motor (20) begrenzbar ist.
22. Überwachungseinrichtung nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer
einrichtung (50) die Schwenkbewegung des Prüfelements
(52) über eine kombinierte Positions-, Geschwindigkeits-
und Drehmomenten-Steuerung und -Regelung kontrolliert.
23. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis
22, dadurch gekennzeichnet, daß beim Übergang des Prüf
elements (52) vom Durchgangsbereich (142) in den Über
wachungsbereich (144) dessen Geschwindigkeit erniedrig
bar ist.
24. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 23, dadurch
gekennzeichnet, daß die Absenkung der Drehmoment
begrenzung nach Erniedrigung der Geschwindigkeit des
Prüfelements (52) erfolgt.
25. Überwachungseinrichtung nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Winkelgeber
(38) zur Erfassung der Position des Prüfelements (52)
vorgesehen ist.
26. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis
25, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgangsbereich
(142) einen Beschleunigungsbereich (152) umfaßt, in dem
ausgehend von der Ausgangsposition (150) die Ge
schwindigkeit des Prüfelements (52) erhöht wird.
27. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis
26, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgangsbereich
(142) einen Abbremsbereich (156) umfaßt, in dem die
Geschwindigkeit des Prüfelements (52) erniedrigt wird.
28. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis
27, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Be
schleunigungsbereich (152) und einem Abbremsbereich
(156) des Durchgangsbereiches (142) die Geschwindigkeit
des Prüfelements (52) im wesentlichen konstant gehalten
ist.
29. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis
28, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des
Prüfelements (52) im Überwachungsbereich (144) im
wesentlichen konstant gehalten ist.
30. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis
29, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Steuer
einrichtung (50) ein Lernzyklus zur Ermittlung des Über
wachungsbereiches (144) durchführbar ist.
31. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 30, dadurch
gekennzeichnet, daß in der Steuereinrichtung (50) eine
Mehrzahl von vorgegebenen Positions-Zeit-Verläufen
gespeichert ist und ein bestimmter Positions-Zeit-
Verlauf in Abhängigkeit eines in einem Lernzyklus
ermittelten Überwachungsbereichs ausgewählt wird.
32. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 30 oder 31,
dadurch gekennzeichnet, daß durch die Steuereinrichtung
(50) der Überwachungsbereich (144) so eingestellt ist,
daß er um einen bestimmten Winkelbetrag vor einer im
Lernzyklus detektierten Position des Körpers beginnt.
33. Überwachungseinrichtung nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Anschlagmittel
(28, 34) vorgesehen sind, mittels denen die Schwenk
bewegung des Prüfelements (52) begrenzbar ist.
34. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 33, dadurch
gekennzeichnet, daß zum Setzen einer Referenzposition
(150) des Prüfelements (52) dieses mit vorgegebener
Geschwindigkeit in eine Anschlagposition gefahren wird,
bei der korrespondierende Anschlagmittel (28, 34) sich
berühren.
35. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 34, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Definition der Referenzposition
(150) des Prüfelements (52) in der Anschlagposition mit
geringem Drehmoment korrespondierende Anschlagmittel
(28, 34) gegeneinander gedreht werden.
36. Überwachungseinrichtung nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem
Prüfelement (52) und einem Gehäuse (12) zur Aufnahme des
Motors (20) um eine Drehwelle (22), mittels welchem das
Prüfelement (52) angetrieben ist, eine Dichtung (68)
angeordnet ist.
37. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 36, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dichtung (68) an dem Prüfelement
(52) anliegt und an dem Gehäuse (12) anliegt.
38. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 36 oder 37,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (68) symme
trisch um eine Achse (24) ausgebildet ist.
39. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 36 bis
38, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (68)
koaxial zur Welle (22) zwischen dem Prüfelement (52) und
dem Gehäuse (12) sitzt.
40. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 36 bis
39, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Welle (22) und
Dichtung (68) ein Zwischenraum (69) gebildet ist.
41. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 36 bis
40, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (68) dreh
fest gegenüber dem Prüfelement (52) fixierbar ist.
42. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 41, dadurch
gekennzeichnet, daß das Prüfelement (52) ein Halte
element (64) für die Dichtung (68) aufweist, auf das
diese aufschiebbar ist, um sie drehfest an dem Prüf
element (52) zu fixieren.
43. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 42, dadurch
gekennzeichnet, daß das Halteelement (64) durch einen
Haltering gebildet ist, durch welchen die Welle (22)
geführt ist und auf den die Dichtung (68) aufschiebbar
ist.
44. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 42 oder 43,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Halteelement
(64) und dem Prüfelement (52) eine ringförmige Aus
nehmung (66) zur Aufnahme der Dichtung (68) gebildet
ist.
45. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 36 bis
44, dadurch gekennzeichnet, daß ein Außendurchmesser der
Dichtung (68) im wesentlichen dem Durchmesser des Prüf
elements (52) entspricht.
46. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 36 bis
45, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (68) eine
Ringmanschette (70) zum Aufschieben auf das Prüfelement
(52) umfaßt.
47. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 36 bis
46, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (68) eine
Manschette (72) mit einer V-förmigen Dichtlippe (74)
umfaßt, welche am Gehäuse (12) anliegt.
48. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 47, dadurch
gekennzeichnet, daß die Manschette (72) mit dem Prüf
element (52) relativ zum Gehäuse (52) drehbar ist.
49. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 47 oder 48,
dadurch gekennzeichnet, daß die Manschette (72) eine
zumindest bei fehlender Kraftbeaufschlagung in axialer
Richtung im wesentlichen kegelstumpfförmige Außenfläche
(78) aufweist.
50. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 49, dadurch
gekennzeichnet, daß eine gedachte Kegelspitze der
Manschette (72) zum Prüfelement (52) hin weist.
51. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 49 oder 50,
dadurch gekennzeichnet, daß die Manschette (70) eine
zumindest bei fehlender Kraftbeaufschlagung in axialer
Richtung kegelstumpfförmige Innenfläche (80) aufweist.
52. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 47 bis
51, dadurch gekennzeichnet, daß eine axiale Höhe der
Dichtung (68) über die Manschette (70) variierbar ist.
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