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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der
absoluten Winkelposition über einen Auswertebereich mit
mehreren Umdrehungen eines drehbar gelagerten Bauteils.
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In
Druckmaschinen und Maschinen der Druckweiterverarbeitung sind Stellantriebe
vorhanden, welche drehbare Bauteile absolut winkelgenau positionieren
müssen. Dabei kann es sich z. B. um die Registerverstellung
in einer Offsetdruckmaschine handeln. Aber auch andere Positioniervorgänge
in einer Druckmaschine können über eine entsprechende Anordnung
vorgenommen werden. Um das korrekte Verfahren des zu positionierenden
Bauteils über mehrere Umdrehungen hinweg durch die entsprechenden
Antriebsmotoren vornehmen zu können, muss zur Bildung einer
Regelschleife die Position des rotierenden Bauteils absolut erfasst
werden. Für diesen Zweck sind üblicherweise Multiturn-Drehgeber
im Einsatz. Diese Multiturn-Drehgeber sitzen auf der Welle des rotierend
angetriebenen Bauteils und erfassen so die Winkelposition über
mehrere Umdrehungen hinweg. Allerdings sind Multiturn-Drehgeber meistens
entsprechend teuer, so dass Hilfskonstruktionen eingesetzt werden.
Derartige Hilfskonstruktionen sind z. B. Differenzengetriebe mit
wenigstens zwei Zahnrädern, wie sie aus der Patentanmeldung
DE 198 21 467 A1 bekannt
sind. Hier werden zwei oder mehrere Zahnräder hintereinander
geschaltet, welche jeweils über eine unterschiedliche Anzahl
von Zähnen verfügen. Aus der Winkelstellung der
Zahnräder zueinander lässt sich dann erkennen,
wie oft sich eine Welle bereits gedreht hat, wodurch die Anzahl
der Umdrehungen gezählt aber kein absoluter Drehwinkel
erfasst wird. Die Anmeldung sagt auch nichts darüber aus,
wie die unterschiedliche Anzahl der Zähne des Differenzgetriebes
elektrisch ausgewertet wird.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Erfassung
von Winkelpositionen eines drehbar gelagerten Bauteils zu schaffen,
welche über einen Auswertebereich eine absolute Auswertung
der Winkelposition des drehbar gelagerten Bauteils erlaubt.
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Die
vorliegende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
Patentanspruch 1 gelöst, vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind den Unteransprüchen und Zeichnungen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß weist das drehbar gelagerte Bauteil
wenigstens ein Zahnrad oder eine Schnecke auf, welche mit wenigstens
zwei Zahnrädern mit einer unterschiedlichen Anzahl von
Zähnen gekoppelt sind, wobei die wenigstens zwei Zahnräder
mit zwei Winkelsensoren gekoppelt sind. Des Weiteren ist eine Auswertevorrichtung
vorhanden, welche die Differenz der Amplituden der Ausgangssignale
der Winkelsensoren erfasst und daraus die absolute Winkelposition
des drehbar gelagerten Bauteils berechnet. Aufgrund der unterschiedlichen
Anzahl von Zähnen besteht zwischen den Ausgangssignalen
der Winkelsensoren solange eine Differenz der Amplituden, bis aufgrund des
erreichten kleinsten gemeinsamen Vielfachen der mit einer unterschiedlichen
Anzahl von Zähnen ausgestatteten Zahnräder der
Ausgangszustand wieder erreicht ist und die Differenz zu Null wird.
Dieser Bereich des kleinesten gemeinsamen Vielfachen wird der Auswertebereich
genannt, in dem der Drehgeber nicht nur den relativen Winkel, sondern
auch den absoluten Drehwinkel über die maximal vorgegebene
Anzahl von Umdrehungen misst. Die Differenz der Amplituden der Ausgangssignale
kann dazu genutzt werden, den Winkelbereich des Drehgebers über
mehrere Umdrehungen hinweg zu erweitern, ohne dass teure hochauflösende
Winkelsensoren erforderlich sind. Als Winkelsensoren kommt insbesondere
der Einsatz von Sinus/Cosinus-Drehgebern in Frage. Sobald die Winkelsensoren
in Betrieb genommen werden, liegen dann die unterschiedlichen Amplituden
an, und es kann von der Amplitudendifferenz nach Betrag und Vorzeichen
auf die absolute Winkellage in dem Auswertebereich geschlossen werden, so
dass vorteilhafter Weise die Position sofort nach dem Einschalten
ermittelt werden kann und keine Referenzfahrt des drehbaren Bauteils
wie bei Multiturn-Drehgebern nötig ist.
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In
einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich
die wenigstens zwei Zahnräder in der Anzahl der Zähne
um genau einen Zahn unterscheiden. Eine solche Differenz in der
Anzahl der Zähne führt zu einem besonders hohen
kleinsten gemeinsamen Vielfachen, so dass der Winkelbereich entsprechend
erhöht wird, so lässt sich die Winkelposition
auch über mehrere Umdrehungen hinweg, z. B. 0° bis
1080°, eindeutig bestimmen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
das drehbar gelagerte Bauteil zwei Zahnräder auf seiner
Drehachse aufweist, welche jeweils mit einem der zwei Zahnräder der
Winkelsensoren gekoppelt sind. Durch eine geschickte Wahl der Anzahl
der Zähne auf den vier Zahnrädern kann der Auswertebereich
ebenfalls erhöht werden, wobei die Anzahl der Zähne
bei jedem Zahnrad aufgrund der zwei vorhandenen, mit unterschiedlicher
Zahnanzahl ausgestatteten Zahnräder auf der Drehachse des
Bauteils gering gehalten werden kann.
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Vorteilhafterweise
ist das drehbar gelagerte Bauteil die Antriebswelle eines Elektromotors
oder Getriebes. In diesem Fall muss der Elektromotor oder das Getriebe
nicht selbst einen hochauflösenden Drehgeber aufweisen,
sondern die Drehzahlerfassung kann über einen ohnehin auf
der Antriebswelle vorhandenen erfindungsgemäßen
Drehgeber geschehen. Zwischen Elektromotor und Antriebswelle kann
zudem ein Übersetzungsgetriebe, insbesondere in Form eines
Planetengetriebes, angeordnet sein, wie dies bei Getriebemotoren
der Fall ist.
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Vorteilhafterweise
ist vorgesehen, dass die Auswertevorrichtung über eine
digitale Schnittstelle mit einer Steuerung einer Maschine verbunden
ist. Das Vorsehen einer digitalen Schnittstelle an der Auswertevorrichtung
macht ein besonders einfaches Einbinden z. B. über eine
serielle RS 485-Schnittstelle oder eine Ethernet-Verbindung in die
Steuerungselektronik einer Maschine möglich. Die digitale
Datenübertragung zwischen Auswertevorrichtung und Maschinensteuerung
verfügt über eine besonders hohe Datensicherheit,
da hier eine entsprechende Codierung und Verschlüsselung
der Daten möglich ist, um so Übertragungsfehler
eindeutig erkennen zu können.
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Jeder
Winkelgeber kann aus einem am Zahnrad angebrachten Magneten und
einem Hallsensor mit Auswerteelektronik bestehen. Der Hallsensor
und die Auswerteelektronik können in einem Auswertechip
untergebracht sein. Der Auswertechip und der Magnet auf dem Zahnrad
können wiederum in einem Gehäuse montiert sein.
Dies ergibt einen besonders kompakten Winkelsensor, weil der Auswertechip
sehr flach sein kann.
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In
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die
Winkelgeber jeweils einen analogen Ausgang aufweisen und dass die analogen
Ausgänge der Winkelgeber an eine Maschinensteuerung angeschlossen
sind. Bei dieser Ausführungsform können die analogen
Ausgänge der Winkelgeber direkt an entsprechende Analogschnittstellen
einer Maschinensteuerung angeschlossen werden, so dass diese nicht über
eine entsprechende digitale Schnittstelle verfügen muss. Weiterhin
ist die Übertragung der analogen Signale sehr schnell.
Nachteilig erweist sich jedoch die schlechtere Datensicherheit aufgrund
der analogen Übertragung, welche gegenüber elektromagnetischen
Einflüssen von außen anfällig ist, da
hier keine Fehlerüberprüfung des Signals stattfinden
kann. Des Weiteren muss die Auswerteelektronik zur Auswertung der
analogen Sensorsignale der Winkelgeber in der Maschinensteuerung
vorhanden sein.
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In
einer weiteren Ausführung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Winkelgeber analoge Ausgänge aufweisen, welche über
einen Schalter abwechselnd an eine gemeinsame analoge Übertragungsleitung
schaltbar sind, und dass die gemeinsame analoge Übertragungsleitung
an eine Maschinensteuerung angeschlossen ist. Bei dieser Variante
gibt es nur eine Übertragungsleitung zwischen Winkelgeber
und Maschinensteuerung, wobei über einen Halbleiterschalter
abwechselnd der eine Winkelgeber und dann der andere Winkelgeber
an die Maschinensteuerung geschaltet werden. In diesem Fall ist nur
eine insbesondere gegenüber elektromagnetischen Einflüssen
abgeschirmte analoge Leitung notwendig, weil nämlich die
Umschaltung zwischen den Signalen der beiden Winkelgeber einfach
zu realisieren ist. Auf Grund der Umschaltung eignet sich diese Lösung
allerdings nur zur Erfassung der Winkelposition bei Stillstand des
zu erfassenden drehbaren Bauteils.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Figuren näher
beschrieben und erläutert.
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Es
zeigen:
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1 zeigt
eine Antriebswelle mit einem Zahnrad und zwei mit Winkelgebern gekoppelten Zahnrädern,
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2 zeigt
die zugehörige Auswerteelektronik zu der Konfiguration
in 1,
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2a zeigt
die analogen Ausgangssignale der Winkelgeber in 2,
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3 zeigt
eine Ausführungsform mit zwei unterschiedlichen Zahnrädern
auf der Antriebswelle und zwei mit Winkelgebern gekoppelten Zahnrädern,
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3a zeigt
die analogen Ausgangssignale der Winkelgeber in 3,
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4 zeigt
die Bilder der Zahnräder zu der Ausführungsform
in 3,
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5 zeigt
einen Elektromotor mit angeflanschtem Planetengetriebe mit zwei
Winkelsensoren, welche über zwei unterschiedliche Zahnräder auf
einer Antriebswelle gekoppelt sind,
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6 zeigt
eine Auswertung von zwei Winkelsensoren mit separater analoger Übertragung
zur Maschinenelektronik,
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7 zeigt
eine analoge Signalübertragung von zwei Winkelsensoren über
eine gemeinsame analoge Leitung zur Maschinensteuerung,
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8 eine
weitere Ansicht der Ausführungsform gemäß 3 und
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9 eine
Ausführungsform mit einer Schnecke als Abtriebsmittel auf
der Welle des drehbaren Bauteils.
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In 1 ist
das grundsätzliche Prinzip der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Auf einer Antriebswelle 1 ist ein Antriebszahnrad 4 angeordnet, welches
zwei Sensorzahnräder 2, 3 antreibt. Jedes der
beiden Sensorzahnräder 2, 3 ist jeweils
mit einem Winkelsensor 13, 14 gekoppelt. Im Ausführungsbeispiel
in 1 weist das erste Sensorzahnrad 2 genau
einen Zahn weniger auf als das weitere Sensorzahnrad 3.
Aus diesem Grund dreht sich der mit dem ersten Sensorzahnrad 2 gekoppelte
erste Winkelsensor 13 schneller als der mit dem zweiten
Sensorzahnrad 3 gekoppelte zweite Winkelsensor 14.
Daraus ergibt sich eine Differenz der Amplituden der analogen Ausgangssignale
der Winkelsensoren 13, 14. Die Winkelsensoren 13, 14 sind
bevorzugt als Sinus/Cosinus-Drehgeber ausgestaltet. Dementsprechend sind
dann die Amplituden der Sinus-/Cosinus-Signale der Drehgeber 13, 14 so
lange unterschiedlich, bis nach mehreren Umdrehungen das kleinste
gemeinsame Vielfache der Anzahl der Zähne des ersten und zweiten
Sensorzahnrades 2, 3 erreicht ist. In diesem Bereich
kommt jede Amplitudendifferenz mit ihrem Betrag und Vorzeichen nur
einmal vor, so dass eine entsprechende Winkelstellung eindeutig
zugeordnet werden kann. Dieser Bereich ist der vorgegebene Bereich,
in dem die Anordnung als Absolutwertgeber arbeitet, weil hier die
Winkelposition des drehbaren Bauteils 1 eindeutig erfasst
werden kann.
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In 2 ist
der Aufbau der Auswertung der Phasendifferenz zwischen den Winkelsensoren 13, 14 gezeigt.
Ein Elektromotor 5 ist über ein Planetengetriebe 9 mit
einer Antriebswelle 1 verbunden. Auf der Antriebswelle 1 befindet
sich wie in 1 ein Antriebszahnrad 4,
welches mit zwei Sensorzahnrädern 2, 3 mechanisch
gekoppelt ist. Die beiden Sensorzahnräder 2, 3 sind
wiederum jeweils mit einem Winkelsensor 13, 14 gekoppelt.
Die analogen Ausgangssignale der Winkelsensoren 13, 14 werden
dabei einer Auswerteelektronik 6 zugeführt, welche
die Phasendifferenz in entsprechende digitale Signale umwandelt.
Dabei können der Elektromotor 5, das Getriebe 9,
die Winkelsensoren 13, 14 und die Auswerteelektronik 6 in
einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein, wobei die
Auswerteelektronik 6 nach außen hin eine digitale
Schnittstelle aufweist. Diese digitale Schnittstelle ist in einer
bevorzugten Ausführungsform eine serielle RS 485-Schnittstelle, über
die die Auswerteelektronik 6 mit einer Maschinensteuerung 7 in
Verbindung steht. Die Maschinensteuerung 7 steuert sämtliche
Antriebe in der dazugehörigen Maschine, z. B. in einer
Druckmaschine 15. Dazu zählt auch der Hauptantriebsmotor,
welcher die Druckwerke antreibt, sowie alle erforderlichen Nebenaggregate
und Hilfsantriebe. Selbstverständlich kann die Maschinensteuerung 7 mit
der Auswerteelektronik 6 auch über andere digitale
Schnittstellen wie z. B. Ethernet oder andere Bus-Systeme verbunden
sein.
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In 2a ist
beispielhaft die Differenz der Amplituden der analogen Ausgangssignale
der Winkelsensoren 13, 14 gezeigt.
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In 3 ist
die Auswerteelektronik für eine Variante mit zwei Zahnrädern 4, 4a auf
der Antriebswelle 1 gezeigt. Auch hier ist eine digitale
Schnittstelle 8 zwischen der Auswerteelektronik 6 und
der Maschinensteuerung 7 vorgesehen.
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3a zeigt
die zugehörige Differenz der Amplituden der analogen Ausgangssignale
der beiden Winkelsensoren 13, 14. 8 beschreibt
die Winkelsensoren 13, 14 näher. Beide
Winkelsensoren 13, 14 bestehen aus Magneten 17,
welche von Hallsensoren in einem Auswertechip 16 abgetastet
werden. Bei dieser Ausführungsform ist die Auswerteelektronik 6 bereist
in den Auswertechips 16 integriert, so dass die Auswertechips 16 ein
digitales Ausgangssignal bereitstellen.
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In 4 ist
die zu den 3, 3a gehörige
Ausführungsform mit zwei Antriebszahnrädern 4, 4a auf
der Antriebswelle 1 näher beschrieben. Die beiden
auf der Antriebswelle 1 angeordneten Zahnräder 4, 4a weisen
ebenfalls eine um 1 verschiedene Anzahl von Zähnen auf.
Das Gleiche gilt für die beiden Sensorzahnräder 2, 3.
Bevorzugterweise unterscheiden sich die Zahnzahlen aller vier Zahnräder 2, 3, 4, 4a genau
um einen Zahn; z. B. weist das Zahnrad 4 dreizehn Zähne
auf, das Zahnrad 4a zwölf Zähne, das
Zahnrad 3 elf Zähne und das Zahnrad 2 zehn Zähne.
Auf diese Art und Weise reicht schon eine relativ geringe Anzahl
von Zähnen aus, um eine entsprechend hohe Anzahl von Umdrehungen
eindeutig erfassen zu können. Aufgrund der geringeren Anzahl von
Zähnen kann die gesamte Zahnradanordnung entsprechend klein
bauen.
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In 5 ist
die Zahnradanordnung aus 4 in Verbindung mit einem Elektroantriebsmotor 5 und
einem Planetengetriebe 9 abgebildet. Der Elektromotor 5 ist
direkt an das Planetengetriebe 9 angeflanscht, wobei sich
auf der Antriebswelle 1 des Planetengetriebes 9 zwei
Zahnräder 4, 4a befinden, welche sich
wiederum mit den Sensorzahnrädern 2, 3 im
Eingriff befinden. Die zugehörigen Winkelsensoren 13, 14 sind
in 5 nicht abgebildet, können aber in dem
die Zahnräder umgebenden Gehäuse untergebracht
sein. Die Antriebswelle 1 kann in einer Druckmaschine 15 angeordnet
sein und dort Stellantriebsglieder verstellen. Dabei kann es sich
z. B. um die Registerverstellung in einer Offsetdruckmaschine handeln.
Aber auch andere Positioniervorgänge in einer Druckmaschine 15 können über
eine entsprechende Anordnung gemäß 5 vorgenommen werden.
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In 6 ist
eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung der analogen Signale der
Winkelsensoren 13, 14 dargestellt, bei der die
Maschinensteuerung 7 über analoge Anschlüsse
verfügt. Dabei sind zwei analoge Leitungen 10 vorgesehen, über
die jeweils die analogen Ausgangssignale der Winkelsensoren 13, 14 an
die analogen Anschlüsse der Maschinensteuerung 7 übertragen
werden. Die Maschinensteuerung 7 verfügt über
entsprechende Analog-Digital-Wandler, so dass ein direkter Anschluss der
analogen Ausgangssignale der Winkelsensoren 13, 14 an
die Maschinensteuerung 7 möglich ist. Dies bedeutet
eine besonders schnelle Übertragung der analogen Signale
der Winkelsensoren 13, 14 an die Maschinensteuerung 7.
Allerdings muss dann in der Maschinensteuerung 7 die entsprechende
Auswerteelektronik zur Auswertung der analogen Signale vorhanden
sein.
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In
einer alternativen Ausführungsform gemäß 7 ist
nur eine analoge Leitung 11 zwischen den Winkelsensoren 13, 14 und
der Maschinensteuerung 7 vorhanden. Die beiden Winkelsensoren 13, 14 sind
dabei über einen Halbleiterschalter 12 an die eine
analoge Leitung 11 angeschlossen, so dass immer abwechselnd
ein Signal der Sensoren 13, 14 über die
eine analoge Leitung 11 an die Maschinensteuerung 7 übertragen
wird. Das hat den Vorteil, dass nur eine abgeschirmte analoge Leitung 11 notwendig
ist. Die Umschaltung über den Halbleiterschalter 12 ist
relativ einfach zu realisieren. Auch in diesem Fall muss die Auswerteelektronik
zur Auswertung der analogen Signale der Winkelgeber 13, 14 in
der Steuerungselektronik 7 enthalten sein.
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In
der Ausführungsform in 9 wird das erste
Zahnrad durch eine Schnecke 18 ersetzt, welche eine der
Zahnanzahl des Zahnrads 4 vergleichbare Steigung aufweist.
Grundsätzlich kann bei einem Zahnradpaar 4, 2 oder 4, 3 oder 4a, 2 ein
Zahnrad immer durch eine Schnecke ersetzt werden.
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- 1
- Antriebswelle
- 2
- Erstes
Sensorzahnrad
- 3
- Zweites
Sensorzahnrad
- 4
- Antriebszahnrad
- 4a
- Weiteres
Antriebszahnrad
- 5
- Elektromotor
- 6
- Auswertelektronik
- 7
- Steuerungselektronik
- 8
- Digitale
Schnittstelle
- 9
- Planetengetriebe
- 10
- Zwei
analoge Leitungen
- 11
- Eine
analoge Leitung
- 12
- Schalter
- 13
- Sensor
erster Drehgeber
- 14
- Sensor
zweiter Drehgeber
- 15
- Druckmaschine
- 16
- Auswertechip
- 17
- Magnet
- 18
- Schnecke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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