DE10200436A1

DE10200436A1 - Vorrichtung zur sicheren Positionsüberwachung

Info

Publication number: DE10200436A1
Application number: DE10200436A
Authority: DE
Inventors: Martin Pohl; Alfons Baumgartner; Frieder Kohler; Bernhard Wastlhuber; Andreas Balleisen
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2002-01-09
Filing date: 2002-01-09
Publication date: 2003-07-17
Anticipated expiration: 2022-01-10
Also published as: DE10200436B4; US6912444B2; US20030130816A1

Abstract

Ein Positionsgeber (2) ist mit lediglich einer Eingangsschaltung (3) verbunden. Die Ausgänge (A, B, R, DA, DB, DR) der Eingangsschaltung (3) sind teilweise mit einer ersten und einer zweiten Zählerschaltung (4, 5) verbunden. Die erste Zählerschaltung (4) verwendet zum Zählen die digitalen Signale (DA, DB) der Eingangsschaltung (3), während die zweite Zählerschaltung (5) digitale Signale (DA', DB') aus den analogen Signalen (A, B) erzeugt und zum Zählen verwendet. Es ist so möglich, trotz einer nicht vollständig zweikanaligen Verarbeitung der Signale eines Positionsgebers (2) eine sichere Positionsüberwachung mit nur einem Positionsgeber (2) aufzubauen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur sicheren Positionsüberwachung nach Anspruch 1. Solche Vorrichtungen finden beispielsweise in Werkzeugmaschinensteuerungen Anwendung, bei denen die sichere Überwachung der Position eines Werkzeuges von größter Bedeutung ist.

Moderne Werkzeugmaschinen werden mittels Numerischer Steuerungen betrieben, die unter Abarbeitung eines vorgegebenen Teileprogramms selbsttätig vorher festgelegte Aktionen ausführen. Für die Ansteuerung der Antriebe der verschiedenen Achsen einer Werkzeugmaschine ist dabei die korrekte Erfassung der Position jedes Antriebs bzw. des vom Antrieb bewegten Maschinenteiles von großer Bedeutung. Da oft auch sicherheitsrelevante Funktionen mit diesen Positionen verknüpft sind (so dürfen etwa Werkzeuge einen vorher definierten Bewegungsraum nicht verlassen), ist es notwenig, die Positionserfassung sicher auszulegen. Für besonders kritische Anwendungen ist dabei oft eine zweikanalige Positionserfassung bzw. Positionsüberwachung gefordert. Dies bedeutet, daß die Signale von zwei separaten Positionsgebern getrennt voneinander verarbeitet werden und die resultierenden Positionen miteinander verglichen werden. Bei einer Abweichung der Positionen kann von einem Fehler in einem der beiden Positionserfassungskanäle ausgegangen werden. Es muß dann sofort ein sicherer Zustand, etwa durch einen erzwungenen Nothalt, hergestellt werden. Eine solche zweikanalige Positionsüberwachung ist etwa beschrieben in der EP 742505 A2. Die Ausgänge zweier Gebersysteme werden in jeweils unabhängigen Schaltungen ausgewertet und die Ergebnisse miteinander verglichen. In vielen Anwendungen stehen zwei Gebersysteme zur Verfügung, wenn etwa für die Drehzahlregelung und die Lageregelung eines Antriebs jeweils ein eigener Positionsgeber verwendet wird. Ist jedoch von Seiten der Regelung nur ein Positionsgeber notwendig, so bedeutet ein zweiter Positionsgeber für die zweikanalige Positionsüberwachung einen zusätzlichen Aufwand.

Es wurde daher bereits vorgeschlagen, Systeme mit nur einem Positionsgeber zu betreiben, und dabei die Signalauswertung so zu gestalten, daß dennoch eine sichere Positionsüberwachung möglich ist. In der DE 198 26 875 A1 ist ein Positionsgeber DG gezeigt, dessen Ausgangssignale an zwei unabhängige Prozessoren CPU1, CPU2 geleitet werden. Der hierzu notwendige Verkabelungsaufwand (Y - Verteilung der Signale des Positionsgebers) ist aber oft erheblich, insbesondere wenn (wie in Werkzeugmaschinen üblich) die Antriebe und die Steuerungselektronik weit voneinander entfernt liegen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur sicheren Positionsüberwachung anzugeben, die mit einem Positionsgeber auskommt und dabei wenig Aufwand beim Anschließen des Positionsgebers verursacht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Merkmalen, die in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.

Es wird nun vorgeschlagen, die Ausgangssignale eines Positionsgebers mit nur einer Eingangsschaltung zu verbinden, deren Ausgangssignale wiederum zwei Zählerschaltungen zugeführt sind. Da nun auch die Auswertung der Signale des Positionsgebers nicht mehr vollständig zweikanalig ist, müssen Maßnahmen getroffen werden, die verhindern, daß ein einzelner Fehler zu falschen Positionswerten führen kann. Dies wird erreicht, indem eine Funktion der Eingangsschaltung (die Bildung von digitalen Rechtecksignalen aus analogen sinusförmigen Signalen) nur für die Ansteuerung der ersten Zählerschaltung verwendet wird, für die zweite Zählerschaltung diese Funktionalität aber getrennt vorhanden ist. Daher werden der ersten Zählerschaltung analoge und digitale Signale zugeführt, der zweiten Zählerschaltung aber nur analoge Signale. Die in der zweiten Zählerschaltung zum Zählen benötigten digitalen Signale werden dort aus den analogen Signalen erzeugt.

Da der Positionsgeber nun lediglich mit einer Eingangsschaltung verbunden werden muß, ist der Aufwand beim Anschließen des Positionsgebers im Vergleich zum Stand der Technik verringert. Durch entsprechende Maßnahmen wird dennoch sichergestellt, daß ein einzelner Fehler nicht zu falschen Positionsmessungen führen kann, bzw. daß ein solcher Fehler erkannt werden kann.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Figuren. Dabei zeigt
Fig. 1 eine Vorrichtung zur sicheren Positionsüberwachung,
Fig. 2 verschiedene Signalformen.
In Fig. 1 erkennt man einen Antrieb 1, der beispielsweise über eine Spindel die lineare Positionierung eines Werkzeuges ermöglicht. Um den Antrieb 1 ansteuern und die Positionierung entsprechend eines Teileprogrammes regeln zu können, ist ein Positionsgeber 2 vorhanden, der mit der Welle des Antriebes verbunden ist. Die Ausgangssignale A+ und A- des Positionsgebers 2 sind in diesem Ausführungsbeispiel sinusförmige Signale mit jeweils umgekehrten Vorzeichen. Ebenso sind die Ausgangssignale B+ und B- des Positionsgebers 2 sinusförmige Signale mit jeweils umgekehrten Vorzeichen, deren Signalperiode der der Signale A+ und A- entspricht, die jedoch um ein Viertel der Signalperiode gegenüber den Signalen A+ bzw. A- phasenverschoben sind. R+ und R- bilden ein Referenzsignal des Positionsgebers 2, das in diesem Ausführungsbeispiel nur einmal pro Umdrehung der Achse des Positionsgebers 2 auftritt. Es gibt auch Positionsgeber 2 mit mehreren Referenzsignalen pro Umdrehung. R+ und R- bestehen etwa aus einem einzelnen Dreiecksimpuls mit jeweils umgekehrten Vorzeichen.
Diese sechs Ausgangssignale A+, A-, B+, B-, R+, R- des Positionsgebers 2 sind mit einer Eingangsschaltung 3 verbunden. Dort bilden Differenzverstärker zunächst analoge Signale A, B, R, die vom Potential der Ausgänge des Positionsgebers unabhängig sind. In Fig. 2 sind diese Signale dargestellt. Man erkennt, daß A und B weiter sinusförmig und um ein Viertel ihrer Signalperiode gegeneinander verschoben sind. Der Referenzimpuls R ist weiter ein Dreieckssignal, das nur einmal pro Umdrehung des Positionsgebers 2 vorkommt. Zusätzlich zu diesen Signalen A, B, R werden in Komparatoren digitale Signale DA, DB, DR erzeugt und am Ausgang der Eingangsschaltung 3 zur Verfügung gestellt. Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, sind DA und DB wieder um ein Viertel ihrer Periodenlänge gegeneinander verschobene Rechtecksignale. Der Referenzimpuls DR ist ein einzelner Rechteckimpuls, der nur einmal pro Umdrehung des Positionsgebers 2 vorkommt.
Die Eingangschaltung 3 enthält außerdem eine Überwachungsmöglichkeit für die Amplituden der Signale A+, A-, B+, B- des Positionsgebers 2. Liegt die Amplitude eines dieser Signale A+, A-, B+, B- außerhalb eines vorgebbaren Bereiches, so ist über einen Ausgang AMP der Eingangsschaltung 3 ein Alarm ausgebbar, der eine entsprechende Reaktion ermöglicht. So können Fehler wie Unterbrechung oder Erdschluß einer Verbindungsleitung zwischen Positionsgeber und Eingangsschaltung erkannt werden. Auch ein Ausfall im Positionsgeber selbst kann erkannt werden, wenn etwa die Lichtquelle eines optischen Meßsystems ausfällt.
Die Signale DA, DB, DR, A und B sind mit einer ersten Zählerschaltung 4 verbunden. Diese Zählerschaltung 4 enthält einen Zähler, der anhand der digitalen Signale DA und DB aufwärts bzw. abwärts zählt, je nach Phasenlage der Flanken von DA und DB. Diese Phasenlage ist abhängig von der Bewegungsrichtung des Positionsgebers 2. Der Zählerstand ist damit ein Maß für die Position des Antriebs bzw. für die Position des mit dem Antrieb bewegten Objektes. Dieser Zählerstand wird an einen ersten Prozessor 6 übergeben, der (zusammen mit einer Information über die Referenzimpulse DR) daraus eine grobe Position berechnen kann. Um eine genauere Positionsberechnung zu ermöglichen, kann der erste Prozessor 6 außerdem einen aus den analogen Signalen A und B interpolierten Wert von der Zählerschaltung 4 abfragen und so einen genaueren Positionswert P1 bestimmen.
Auch die erste Zählerschaltung 4 enthält eine Überwachungsmöglichkeit für die Amplitude der Signale A, B, um die Einhaltung eines vorgebbaren Amplitudenbereiches sicher zu stellen. Ein Ausgang AMP an der ersten Zählerschaltung 4 kann im Fehlerfall eine entsprechende Meldung ausgeben.
Um nun eine erhöhte Sicherheit durch eine diversitäre Signalauswertung zu gewährleisten, sind die Signale A, B über Entkoppelverstärker 8 an den Eingang einer zweiten Zählerschaltung 5 gelegt. Die Entkoppelverstärker 8 sorgen dabei dafür, daß sich Fehler im zweiten Kanal der Signalauswertung nicht auf den ersten Kanal auswirken können. So schließt ein Kurzschluß zwischen den Eingängen A, B der zweiten Zählerschaltung 5 nicht den Eingang A, B der ersten Zählerschaltung 4 kurz. In diesem Fall käme es zu unterschiedlichen Zählerständen in den Zählerschaltungen 4 und 5, was, wie weiter unten beschrieben, zu einem entsprechenden Alarm A führen würde.
Da auch die zweite Zählerschaltung 5 digitale (rechteckige) Signale für den Zähler benötigt, werden diese Signale DA' und DB' in eigenen Komparatorschaltungen aus den analogen Signalen A, B erzeugt. Vorteilhafterweise wird diese Komparatorschaltung nicht in der gleichen Art und Weise realisiert wie die Komparatorschaltung der Eingangsschaltung 3. Bei einer Realisierung der Erfindung mittels eines integrierten Schaltkreises (z. B. ASIC) sollten also unterschiedliche Schaltungslayouts verwendet werden, bei einer Realisierung in Software sollte unterschiedlicher Programmcode zum Einsatz kommen. Gleiches gilt auch für den Referenzimpuls DR', der aus dem analogen Signal R der Eingangsschaltung gebildet wird und zusammen mit dem Zählerstand der zweiten Zählerschaltung 5 in einem zweiten Prozessor 7 zur Positionsberechung herangezogen wird.
Die zweite Zählerschaltung 5 enthält wieder eine Überwachungsmöglichkeit für die Amplitude der Signale A, B, um die Einhaltung eines vorgebbaren Amplitudenbereiches sicher zu stellen. Ein Ausgang AMP an der zweiten Zählerschaltung 5 kann im Fehlerfall eine entsprechende Meldung ausgeben.
Sollten für die Zählerschaltungen 4 und 5 identische Schaltungen (z. B. ASICs) zum Einsatz kommen, bleiben die zur Bildung der digitalen Signale DA', DB' und DR' notwendigen Komparatoren der Zählerschaltung 5 in der Zählerschaltung 4 ungenutzt.
Der anhand der digitalen Signale DA', DB' ermittelte Zählerstand der Zählerschaltung 5 wird an einen zweiten Prozessor 7 übergeben, der (zusammen mit einer Information über die Referenzimpulse DR') daraus eine grobe Position berechnen kann. Um eine genauere Positionsberechnung zu ermöglichen, kann der zweite Prozessor 7 außerdem einen aus den analogen Signalen A und B interpolierten Wert von der Zählerschaltung 5 abfragen und so einen genaueren Positionswert P2 bestimmen. Die Zählerschaltungen 4, 5 können auch so ausgebildet sein, daß die Prozessoren 6, 7 genaue Positionswerte abfragen können.
Die Prozessoren 6 und 7 bilden oder erhalten also Positionswerte P1 und P2, die auf unterschiedlichen, zum Teil diversitär ausgelegten Signalwegen beruhen.
Über einen gemeinsamen Speicherbereich 9 tauschen die Prozessoren 6 und 7 die Positionswerte P1 und P2 aus. Jeder Prozessor 6, 7 vergleicht für sich die beiden Werte und gibt ein Alarmsignal A aus, wenn die Positionswerte P1, P2 nicht übereinstimmen (wobei z. B. aufgrund von Rundungsfehlern der Berechnungen Abweichungen in gewissen Grenzen noch erlaubt sein, d. h. als Übereinstimmung erkannt werden müssen). Auf das Alarmsignal A kann eine übergeordnete Steuerung beispielsweise mit einem Nothalt reagieren. Alternativ kann ein Vergleicher (ausgeführt als sicherer Komparator) die Positionswerte P1, P2 der Prozessoren 6, 7 auf Übereinstimmung prüfen und bei Nichtübereinstimmung einen Alarm A ausgeben.
Es ist somit sichergestellt, daß das Auftreten eines einzelnen Fehlers entweder über eine Amplitudenüberwachung (in der Eingangsschaltung 3 bzw. in einer der Zählerschaltungen 4, 5) oder über den Vergleich der Positionswerte P1, P2 erkannt und entsprechend reagiert wird.
Eine sehr flexible Numerische Steuerung, die verschiedenen Anforderungen gerecht werden kann, erhält man, wenn die Numerische Steuerung eine Schaltung zur sicheren Positionsüberwachung enthält, die zusätzlich zu der oben beschriebenen Schaltung eine zweite (der ersten Eingangschaltung 3 entsprechende) Eingangsschaltung enthält. Mittels eines Umschalters kann dann zwischen einem sicheren 1-Geber-Betrieb wie beschrieben und einem 2-Geber-Betrieb umgeschaltet werden. Dieser Umschalter muß lediglich die Verbindungen zwischen den Ausgängen der Eingangsschaltung 3 und der zweiten Zählerschaltung 5 trennen und die Ausgänge der zweiten Eingangsschaltung (die Eingangsseitig mit einem zweiten Positionsgeber verbunden ist) mit der zweiten Zählerschaltung 5 verbinden. Es können dabei von dieser zweiten Eingangsschaltung nur die analogen Signale genutzt werden, indem die digitalen Signale DA', DB' DR' weiterhin in der zweiten Zählerschaltung 5 erzeugt werden. So liegen zumindest teilweise diversitär aufgebaute Kanäle auch im 2-Geber-Betrieb vor. Es ist aber auch möglich, die in der zweiten Eingangsschaltung erzeugten digitalen Signale zu verwenden, so daß zwei völlig symmetrische Kanäle zur Positionsüberwachung vorliegen.
Die Erfindung eignet sich für alle Arten von rotatorischen und linearen Positionsgebern, die wenigstens zwei um ein Viertel ihrer Signalperiode verschobene sinusförmige Signale liefern. Die Positionsgeber müssen auch nicht direkt mit der Welle eines Antriebes verbunden sein, sondern können auch so befestigt sein, daß sie unmittelbar am zu positionierenden Objekt angreifen.

Claims

1. Vorrichtung zur sicheren Positionsüberwachung mit einem Positionsgeber (2), dessen Ausgangssignale (A+, A-, B+, B-, R+, R-) mit einer Eingangsschaltung (3) verbunden sind, deren Ausgangssignale (A, B, DA, DB, DR) teilweise mit einer ersten Zählerschaltung (4) verbunden sind, und deren Ausgangssignale (A, B, R) zusätzlich teilweise mit einer zweiten Zählerschaltung (5) verbunden sind, wobei in der zweiten Zählerschaltung (5) die zum Zählen notwendigen Signale (DA', DB', DR') aus den Ausgangssignalen (A, B, R) der Eingangsschaltung (2) erzeugbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einem ersten Prozessor (6), der einen ersten Positionswert (P1) anhand des Zählerstandes der ersten Zählerschaltung (4) bildet, und einem zweiten Prozessor (7), der einen zweiten Positionswert (P2) anhand des Zählerstandes der zweiten Zählerschaltung (5) bildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei jedem Prozessor (6, 7) der Positionswert (P1, P2) des jeweils anderen Prozessors (6, 7) zugeführt ist, und wobei von jedem Prozessor ein Alarmsignal A ausgebbar ist, falls die Positionswerte (P1, P2) nicht übereinstimmen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Eingangsschaltung (3) eine Schaltung zur Überwachung der Amplituden der Ausgangssignale (A+, A-, B+, B-) des Positionsgebers (2) enthält, durch die bei Abweichung dieser Amplituden von einem vorgegebenen Bereich ein Alarmsignal (AMP) erzeugbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zählerschaltungen (4, 5) Schaltungen zur Überwachung der Amplituden der Ausgangssignale (A, B) der Eingangsschaltung (3) enthält, durch die bei Abweichung dieser Amplituden von einem vorgegebenen Bereich ein Alarmsignal (AMP) erzeugbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausgangssignale (A, B) der Eingangsschaltung (3) über Entkoppelverstärker (8) mit der zweiten Zählerschaltung (5) verbunden sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signale (A, B) sinusförmig sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signale (DA, DB, DA', DB') Rechtecksignale sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalpaare (A, B), (DA, DB), (DA', DB') jeweils um ein Viertel ihrer Signalperiode gegeneinander verschoben sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer zweiten Eingangsschaltung 3, die zwischen einem sicheren 1-Geber-Betrieb und einem sicheren 2-Geber-Betrieb umschaltbar ist.

11. Numerische Steuerung zum Steuern einer Werkzeugmaschine, mit einer Vorrichtung zur sicheren Positionsüberwachung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.