DE10360052B4

DE10360052B4 - Sicherheitsschaltgerät für Resolver

Info

Publication number: DE10360052B4
Application number: DE2003160052
Authority: DE
Inventors: Dirar Najib
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2023-12-23
Also published as: DE10360052A1

Abstract

Sicherheitsüberwachungsgerät (10) für eine Maschine (1), zu der gehören:
– eine Achse (5),
– ein Antrieb (12) für die Achse (5), der Energie aus einer Energieversorgung erhalten kann,
– ein Resolver (11) zum Überwachen der Position der Achse (5), der zwei voneinander getrennte Ausgangswicklungen (16, 17) aufweist,
– ein Arbeitsraum (3), in dem die Achse (5) wirksam ist und der über eine gesicherte Zugangsöffnung (4) zugänglich ist, wobei sich die Zugangsöffnung (4) in einem unzugänglichen oder überwachten Zustand oder einem zugänglichen oder nicht überwachten Zustand befinden kann,
wobei das Sicherheitsüberwachungsgerät (10) zwei funktionsgleiche Kanäle (19, 20) enthält und zu jedem Kanal (19, 20) gehören:
ein Satz von Eingängen (21, 22), der an die jeweils zugehörige Wicklung (16, 17) des Resolvers (11) angeschlossen ist,
eine Demodulatoranordnung (23), die an ihrem Ausgang ein der Position der Achse (5) entsprechendes Signal (26) abgibt,
eine Logigkeinrichtung...

Description

Aus Gründen des Unfallschutzes sind moderne Werkzeugmaschinen zumindest in gefährlichen Bereichen gekapselt, durch Zäune geschützt oder durch Lichtschranken überwacht. Hierdurch soll verhindert werden, dass Personen in Bereiche kommen, in denen Verletzungsgefahren bestehen, sei es durch schnelllaufende Teile, unvorhersehbare Bewegungen der Maschine oder dergleichen. Gleichwohl gibt es Betriebszustände, in denen Zugang zum Arbeitsraum der Maschine bestehen muss, beispielsweise zum Einrichten, Werkzeugwechsel und Ähnliches.
Wenn der Arbeitsraum hierzu ungeschützt sein muss, muss gewährleistet sein, dass die betreffende Achse oder die im Arbeitsraum wirksamen Achsen, stillgesetzt sind und auch stillgesetzt bleiben. Jedwede Bewegung der Achse, die ein vorbestimmtes Maß überschreitet, muss zu einem Abschal ten der gesamten Maschine führen, um eine Gefährdung der Bediener auszuschließen. Hierzu werden so genannte Sicherheitsschaltgeräte verwendet, die häufig von der allgemeinen Maschinensteuerung unabhängig sind. Solche Sicherheitsschaltgeräte sind beispielsweise aus der DE 38 19 994 A1 oder der DE 38 37 218 A1 bekannt.
Die Stillstandserkennung lässt sich relativ einfach realisieren, wenn zur Überwachung der Achsenbewegung Inkrementalgeber verwendet werden. Inkrementalgeber sind diskret arbeitende Erfassungseinrichtungen, die digitale Signale abgeben. Sie weisen üblicherweise eine sehr feine Teilung auf. Bereits nach einem kurzen Wegstück der Achse oder einem geringen Drehwinkel ändert sich das Ausgangssignal des Inkremetalgebers. Inkrementalgeber haben allerdings den Nachteil verhältnismäßig teuer zu sein.
Aus Kostengründen verwendet man auch in zunehmenden Maße Resolver, wenn es darum geht, die Drehzahl und die Position zu überwachen. Bei Resolvern handelt es sich, grob gesagt, um Drehtransformatoren, die mit einem Trägersignal gespeist werden. An ihren Ausgängen liefern die Resolver das Trägersignal, das abhängig vom Drehwinkel amplitudenmoduliert ist. Die aktuelle Modulationsamplitude entspricht der momentanen Winkelstellung der Achse oder des Antriebs für die Achse.
An die beiden Ausgangswicklungen des Resolvers wird eine Elektronik angeschlossen. Diese Elektronik umfasst einen Synchron-Demodulator um das Trägersignal zu beseitigen, damit nur noch das Modulationssignal einschließlich Vorzeichen übrig bleibt. Das Modulationssignal entspricht dem Sinus und dem Kosinus. Mit Hilfe einer vektoriellen Addition kann die Winkelposition des Resolvers berechnet werden.
Die Elektronik hierfür ist jedoch relativ kostenaufwändig. Sie ist für ein Sicherheitssüberwachungsgerät nicht ausreichend sicher, da sie nicht zweikanalig und nicht diversitär aufgebaut ist.
Aus der DE 199 37 737 C2 eine Lösung bekannt, wie der Resolver auf ordnungsgemäßes Arbeiten überprüft werden kann. Hierzu wird abweichend von den üblichen Lösungen mit phasenrichtiger Demodulation eine einfache Hüllkurvendemodulation verwendet. Dadurch geht die Information über den Quadranten, in dem sich die Winkelposition befindet, verloren.
Die erhaltenen Signale, die dem Momentanwert der Hüllkurve entsprechen, werden vektoriell addiert. Das erhaltene Ergebnis wird digitalisiert und es wird nachgesehen, ob der digitalisierte Wert in ein Toleranzfeld fällt. Diese Toleranzfelder sind längs eines Kreisbogens in einem Viertelquadranten angeordnet. Eine Stillstandserkennung ist nicht vorgesehen.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein Sicherheitsschaltgerät für Maschinen zu schaffen, bei denen der Stillstand einer Achse mit Hilfe eines Resolvers überwacht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Sicherheitsüberwachungsgerät mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Das neue Sicherheitsüberwachungsgerät ist zur Überwachung von Maschinen geeignet, die eine Achse aufweisen, die mit Hilfe eines Resolvers kontrolliert wird.
Das Sicherheitsüberwachungsgerät weist zwei funktionsgleiche Kanäle auf, die jedoch hinsichtlich der Hard- und der Software diversitär aufgebaut sind. Zu jedem Kanal gehört ein Satz von Eingängen. An jeden Kanal ist lediglich eine der beiden Wicklungen des Resolvers angeschlossen, d. h. jeder Kanal ist mit seiner eigenen Resolverwicklung galvanisch verbunden. Die beiden Kanäle sind so elektrisch voneinander isoliert, damit kein Fehler in dem einen Kanal in den anderen Kanal verschleppt werden kann. Hierdurch wird ein sehr hohes Maß an Sicherheit erreicht.
Die Sicherheit wird auch dadurch gesteigert, dass das Signal, das dem Sicherheitsüberwachungsgerät durch den Resolver zugeführt wird, ein reines Wechselstromsignal ist. Kurzschlüsse und dergleichen können kein Signal vortäuschen. Das Fehlen des Wechselstromsignals ist ein sicheres Zeichen für den Ausfall des Resolvers und damit ein sicheres Zeichen für das Sicherheitsüberwachungsgerät die Maschine still zu setzen bzw. in den sicheren Zustand überzugehen.
Jeder Kanal enthält eine eigene Demodulatoreinrichtung, die an ihrem Ausgang ein der Position der Achse entsprechendes Signal abgibt. Dieses Signal gelangt in eine Logikeinrichtung, die das von der Demodulatoranordnung kommende Signal auswertet und hieraus ein digitales Signal mit wenigstens zwei Zuständen erzeugt.
Das Signal kann dann dazu verwendet werden Ver- oder Entriegelungen an der Maschine vorzunehmen, oder die Stromversorgung zur Maschine oder zu wesentlichen Teilen der Maschine abzuschalten.
Das aus der Demodulatoranordnung erhaltene Signal kann entweder als solches in diskreten Bauelementen weiterverarbeitet werden oder es wird in einzelne Abtastwerte zerlegt, wenn eine Weiterverarbeitung in einem Mikroprozessor oder Mikrocomputer vorgesehen ist.
Mit Hilfe der neuen Anordnung lässt sich leicht überwachen, ob die Achse, ausgehend vom Stillstand, eine unzulässige Bewegung vollführt. Hierzu genügt es, wenn zwei Abtastwerte miteinander verglichen werden. Entsprechend dem Vergleich wird ein digitales Ausgangssignal erzeugt. Das Ausgangssignal nimmt den einen Zustand ein, wenn die beiden Abtastwerte sich weniger als ein vorbestimmtes Maß unterscheiden, während es den anderen Zustand einnimmt, wenn diese Bedingung verletzt ist.
Beim Vergleich der beiden Abtastwerte wird ein aktueller Abtastwert verwendet, während der andere Abtastwert gleichsam einen Referenzwert bildet, der zu einem anderen, zeitlich zurückliegenden Zeitpunkt genommen wurde. Dieser andere Zeitpunkt kann das Öffnen der Schutztür, das Batätigen eines entsprechenden Anforderungsschalters oder Ähnliches sein.
Die Anordnung kann auch ohne Weiteres verwendet werden, um zu erkennen, ob die Achse zur Ruhe bzw. zum Stillstand gekommen ist. Hierzu gibt es verschiedene Möglichkeiten. Die eine Möglichkeit besteht darin, mit Hilfe des Signals, das aus der Demodulatoranordnung kommt, einen Schmitttrigger anzusteuern. Dieser liefert an seinem Ausgang Rechteckimpulse mit der Frequenz des Signals, wie es aus der Demodulatoranordnung kommt. Der zeitliche Abstand von Flanken mit gleichem Vorzeichen wird gemessen, wobei der Stillstand definiert wird, wenn innerhalb einer be stimmten Torzeit keine weitere Impulsflanke kommt.
Die andere Möglichkeit besteht darin, mit Hilfe des Signals, wie es aus der Demodulatoranordnung kommt, ein retriggerbares Monoflop zu triggern. Diese Schaltungsanordnung lässt sich auch ohne Weiteres softwaremäßig nachbilden. Sobald der Stillstand erkannt ist, wird ein digitales Ausgangssignal erzeugt, das zwei Zustände kennt, von denen einer der stillstehenden Achse und der andere der bewegten Achse entspricht.
Schließlich ist es möglich mit Hilfe der Signale, wie sie aus dem Demodulator kommen, die Drehzahl der Achse bzw. Geschwindigkeit der Achse zu ermitteln. Hierzu wird die Frequenz des Signals am Ausgang des Demodulators in einer aus dem Stand der Technik bekannten Weise gemessen.
Die Überwachung auf Überschreiten der maximal zulässigen Maschinendrehzahl oder Achsgeschwindigkeit lässt sich erreichen, indem dieses Signal mit einem vordefinierten Grenzwert verglichen wird. Entsprechend dem Ausgang dieses Vergleiches kann wiederum ein digitales binäres Signal erzeugt werden.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung spielt die Phasenlage der Signale in den Kanälen keine Rolle. Es genügt deswegen, wenn der Demodulator nach dem Prinzip des Hüllkurvendemodulators arbeitet.
Dem Gleichrichter wird ein Tiefpass nachgeschaltet, um die Trägerfrequenz, die dem eigentlichen Modulationssignal überlagert ist, zu eliminieren.
Die Grenzfrequenz des Tiefpasses ist geeignet gewählt, um auch hochfrequente Modulationssignale, die der maximalen Achsengeschwindigkeit entsprechen, weitgehend unvermindert durchzulassen. Im Übrigen sind Weiterbildungen der Erfindung Gegenstand von Unteransprüchen.
Beim Durchlesen der Figurenbeschreibung wird klar, dass eine Reihe von Abwandlungen möglich sind. Insbesondere sieht der Fachmann, dass die einzelnen Funktionen sowohl digital mit Hilfe eines Mikroprozessors, als auch mit Hilfe von diskreten Bauelementen erfüllt werden können. Für welche der Lösungen sich der Fachmann entscheidet hängt von den jeweiligen Umgebungsbedingungen ab.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt; es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Bearbeitungsmaschine mit der zugehörigen Steuerung,
2 den prinzipiellen Aufbau eines Resolvers,
3 ein stark vereinfachtes Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Sicherheitsüberwachungsgerätes,
4 das vereinfachte Blockdiagramm der Logikeinrichtung nach 3,
5 ein Flussdiagramm eines Programms zur Stillstandserkennung und
6 ein Flussdiagramm zur Stillstandsüberwachung.
1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine Bearbeitungsmaschine in Gestalt einer Drehmaschine 1, die ein Gehäuse 2 aufweist, das die zu der Bearbeitungsmaschine 1 gehörenden Antriebssysteme und sonstigen Zusatzaggregate umschließt. Das Gehäuse 2 bildet einen Arbeitsraum 3, der über eine Zugangsöffnung 4 von außen zugänglich ist. In dem Arbeitsraum 3 ist als Beispiel für eine Arbeitsspindel bzw. Achse ein Drehbankfutter 5 zu erkennen.
Der Support, beziehungsweise die übrigen Werkzeuge, sind von dem Gehäuse 2 abgedeckt und deswegen nicht zu erkennen. Die Zugangsöffnung 4 kann durch eine Schutzhaube 6 verschlossen werden, die an dem Gehäuse 2 hin und her verschieblich gelagert ist. Im geschlossenen Zustand verhindert die Schutzhaube 6 sowohl ein Herausschleudern von Spänen als auch ein versehentliches Hineingreifen in den Arbeitsraum 3.
Die Steuerung der Bearbeitungsmaschine 1 geschieht mittels einer abgesetzt angeordneten Steuereinrichtung 7, die als speicherprogrammierbare Steuerung, abgekürzt SPS, ausgeführt ist. Von der Steuereinrichtung 7 ist deren Bedienschirm 8 zu erkennen sowie eine Reihe Bedienungstasten 9.
Zwischen der Steuereinrichtung 7 und den einzelnen Steuer- und Schaltgruppen für die Achsen und Spindeln der Bearbeitungsmaschine 1 sitzt ein Sicherheitsüberwachungsgerät 10, wie dies in 3 stark schematisiert angedeutet ist, um jede Achse zu überwachen. In der Beschreibung wird exemplarisch die Überwachung der Achse 5 erläutert.
Um die Position des Drehbankfutters 5, beispielsweise für Fräsarbeiten zu kennen, muss die Steuerung wissen, in welcher Drehwinkelstellung sich das Drehbankfutter 5 befin det. Zur Erfassung der Drehwinkelstellung werden beispielsweise Resolver 11 verwendet, wie sie prinzipiell in 2 dargestellt sind.
Ein Resolver 11 weist eine eine Antriebswelle 12 koaxial umgebende Primärwicklung 13 auf. Die Primärwicklung 13 wird mit einer Wechselspannung von ca. 10 kHz gespeist. Auf der Welle 12 sitzt eine Sekundärwicklung 14, die mit der Primärwicklung 13 magnetisch gekoppelt ist. Die beiden Wicklungen 13 und 14 bilden einen Drehtransformator um ohne Schleifkontakte die in die Primärwicklung 13 eingespeiste Wechselspannung einer ebenfalls drehfest auf der Achse 12 sitzenden Wicklung 15 ein zu speisen. Die Wicklung 15 ist auf der Welle 5 so angeordnet, dass sie ein Radialfeld erzeugt. Dieses Radialfeld wird mit Hilfe zweier ortsfester Sekundärwicklungen 16 und 17 erfasst. Die beiden Wicklungen 16 und 17 sind um 90° gegeneinander versetzt was bedeutet, dass die Amplitude des zugeführten 10 kHz-Signals abhängig von der Drehwinkelstellung der speisenden Spule 15, schwankt. Mit anderen Worten, an der einen Wicklung, beispielsweise der Wicklung 16, wird ein Amplitudensignal abgenommen, das vereinbarungsgemäß in der Amplitude dem Sinus folgt, während das an der Sekundärwicklung 17 erhaltene Signal den Kosinus repräsentiert.
Derartige Resolver 11 sind aus dem Stand der Technik bekannt; es ist auch bekannt, wie das an den beiden Sekundärwicklungen 16 und 17 abgegriffene Signal zur Erfassung der Drehwinkelstellung synchron demoduliert wird. Vom Ausgang einer solchen Schaltung werden zwei Signale erhalten, deren Amplitude starr mit der Drehwinkelstellung der Welle 12 verknüpft ist.
In 3 ist bei 18 schematisch das Ausgangssignal dargestellt, wie es an den Wicklungen 16 oder 17 abgegriffen wird. Es ist zu erkennen, dass es sich um ein 100% amplitudenmoduliertes Signal handelt, dessen Träger von dem in die Primärwicklung 13 eingespeisten Signal gebildet wird. Beim Nulldurchgang der Kurve tritt ein 180° Phasensprung im Trägersignal auf, der entsteht, weil die Wicklung 15 um 180° gedreht gegenüber der Wicklung 16 bzw. der Wicklung 17 positioniert ist. Durch die phasenrichtige Synchrondemodulation kann hieraus die positive und negative Halbwelle abgeleitet werden.
Die üblichen Demodulatoren für Resolver wären für Sicherheitsüberwachungsgeräte wegen der Einkanaligkeit nicht sicher genug.
Das neue Sicherheitsüberwachungsgerät 10 ist, wie in 3 gezeigt, zweikanalig aufgebaut und enthält einen Kanal 19 sowie einen Kanal 20, die hinsichtlich der zu erbringenden Funktion identisch sind. Zur Erhöhung der Sicherheit sind jedoch die beiden Kanäle 19 und 20 in der Hardware und auch in der Software diversitär aufgebaut. Unter diesen Umständen genügt es, wenn zur Erläuterung der Erfindung im Weiteren lediglich der Aufbau des Kanals 20 im Einzelnen erklärt ist. Die Ausführungen gelten sinngemäß für den Kanal 19.
Der Kanal 20 weist zwei Eingangsanschlüsse 21 und 22 auf, die beispielsweise mit der Wicklung 17 galvanisch verbunden sind. Die korrespondierenden Anschlüsse 21' und 22' des Kanals 19 sind an die Wicklung 16 angeschlossen, so dass jeder der beiden Kanäle sein eigenes Wechselspannungssignal erhält. Die eingespeisten Wechselspannungssignale sind galvanisch voneinander getrennt, womit Gleichspannungsfehler nicht von einem Kanal in den anderen Kanal verschleppt werden können und dort Fehler erzeugen können. Auf diese Weise bekommt jeder der beiden Kanäle 19, 20 ein Signal, wie es qualtitativ bei 18 dargestellt ist. Der einzige Unterschied besteht darin, dass diese beiden Signale um 90°, bezogen auf das Hüllkurvensignal, gegeneinander verschoben sind.
Das eingespeiste Signal wird in einem Demodulator 23 demoduliert. Der Demodulator 23 arbeitet nach dem Hüllkurvenprinzip und setzt sich aus einem Einweggleichrichter 24 und einem nachgeschalteten Tiefpass 25 zusammen. Aufgrund der Hüllkurvendemodulation geht die Phaseninformation im Träger verloren und es entsteht im Ausgang des Tiefpasses 25 ein gleichgerichtetes Signal, das, wie bei 26 schematisch angedeutet ist, nur noch zwischen Null und der maximalen positiven Spannung hin und her schwankt. Es ähnelt in seinem Verlauf dem Signal am Ausgang eines Vollwellengleichrichters mit jeweils lückenlos aufeinanderfolgen Sinusbögen. Der Tiefpass 25 ist so dimensioniert, dass er lediglich das Trägerfrequenzsignal unterdrückt, während das Hüllkurvensignal weitgehend unvermindert durchgelassen wird.
Für das Sicherheitsschaltgerät genügt diese Signalinformation, da mit dem Sicherheitsschaltgerät 10 lediglich der Stillstand, die Maximaldrehzahl oder die Schleichdrehzahl überwacht werden müssen. Der Rotationswinkel als exaktes Maß, bzw. die entsprechende Achsenposition, spielt bei einem Sicherheitsüberwachungsgerät keine Rolle.
Das am Ausgang des Demodulators 23 erhaltene Hüllkurvensignal 26 wird in einer nachgeschalteten Logikeinheit 27 verarbeitet. Die Logikeinheit 27 weist den Ausgangsanschluss 28 auf, der gegebenenfalls auch mehrpolig sein kann und über den ein Signal abgegeben wird, das eine Not-AUS-Steuerung der Maschine 1 steuert. Ein zweiter Ausgangsanschluss 29 der ebenfalls mehrpolig sein kann, dient dazu, zu signalisieren, ob sich die Maschine 1 in einem Zustand befindet, in dem gefahrlos die Haube 6 geöffnet werden kann. Es handelt sich um ein Freigabesignal für die Türverriegelung. Dieses Signal wird mit dem entsprechenden Signalwert abgegeben, wenn sich die Achse im Stillstand befindet.
Ferner weist die Logikeinheit 27 schematisch angedeutete Eingänge 30 und 31 auf. Der Eingang 30 dient dazu, beispielsweise der Logikeinheit 27 mitzuteilen, welche zulässige Drehzahl nicht überschritten werden darf. Dies kann eine Schleichdrehzahl sein, die bei geöffneter Haube 6 zulässig ist, wenn der Bediener einen solchen Schleichvorgang zum Prüfen des Maschinenprozesses angefordert hat. Der andere Eingang 31 kann dazu verwendet werden beispielsweise eine maximal zulässige höchste Maschinendrehzahl festzulegen.
Wie bei Sicherheitsschaltgeräten üblich, wird ein Not-AUS über die Leitung 28 angefordert, wenn das Sicherheitsüberwachungsgerät 10 feststellt, dass entweder die zulässige Maximalgeschwindigkeit für die betreffende Achse überschritten wurde oder im Schleichbetrieb die maximal zulässige Drehzahl für den Schleichbetrieb der Achse überschritten wurde oder wenn sich die Achse überhaupt bewegt hat, obwohl die Tür 6 geöffnet, jedoch die Taste zur Anforderung einer Schleichbewegung nicht betätigt wurde.
Das Signal auf der Leitung 29 wird von dem Sicherheitsüberwachungsgerät 10 erzeugt, wenn die betreffende überwachte Achse zum Stillstand gekommen ist. Wenn dieses Signal abgegeben wird, kann der Benutzer die Tür öffnen, weil die Türverriegelung freigegeben ist, die ansonsten bei sich bewegender Achse gegen ein Öffnen verriegelt ist. Die hierzu erforderlichen Funktionsblöcke, die soft- oder hardwaremäßig realisiert werden können, sind in dem Blockdiagramm nach 4 gezeigt.
Die Logikeinheit 27 weist einen Eingang 33 auf, der an den Ausgang des Tiefpasses 25 angeschlossen ist. Das hier ankommende analoge Signal, entsprechend einem vollwellen-gleichgerichteten Wechselstromsignal, gelangt in einen Funktionsblock 34. Der Funktionsblock 34 weist eine Schmitttriggercharakteristik auf und erzeugt aus dem vollwellen-gleichgerichteten Signal eine Impulsfolge mit der Frequenz des Signals 26. Dies bedeutet, dass zwei aufeinander folgende positive Flanken des recheckigen Impulssignals einen zeitlichen Abstand aufweisen, der der doppelten Drehzahl des Resolvers 11 entspricht.
In einem nachgeschalteten Block 35 wird diese Periodendauer, d. h. der Kehrwert der doppelten Drehzahl gemessen und mit einem Grenzwert verglichen. Der Grenzwert wird aus einer Tabelle 36 über eine Leitung 37 der Mess- und Vergleichsschaltung 35 zugeführt. Welcher Maximalwert für den Vergleich herangezogen wird, wird über den bereits erwähnten Eingang 31 gesteuert, der an den Tabellenauswahlblock 36 angeschlossen ist. Wenn der Benutzer einen Schleichbetrieb angefordert hat, liefert die Tabelleneinrichtung 36 einen Grenzwert entsprechend der maximal zulässigen Schleichgeschwindigkeit, andernfalls einen Grenzwert entsprechend der maximalen zulässigen Arbeitsgeschwindigkeit der betreffenden Achse.
Entsprechend dem Ausgang des Vergleiches liefert der Schaltungsblock 35 ein Signal an den Ausgang 28, über dem beispielsweise ein Not-AUS-Relais 38 geschaltet wird.
Das Signal aus dem Eingang 33 wird zusätzlich einem Analogdigitalwandler 39 zugeführt, der das kontinuierliche analoge Signal 26 in eine Abfolge von Sampling-Werten zerlegt. Der Analogdigitalwandler 39 liefert an seinem Ausgang 40 eine Abfolge von Digitalsignalen, wobei der digitale Wert der momentanen Amplitude, und damit der momentanen Winkelstellung des Resolvers 11 entspricht. Zufolge der Art der Demodulierung und Auswertung des Analogdigitalwanders 39 ist dieses Signal jedoch mehrdeutig, da die dieselbe Amplitude in vier Quadranten des Resolvers 11 auftritt.
Die Samplingwerte, die am Ausgang 40 bereit stehen, gelangen in einen Schaltungsblock 41, der ähnlich einem retriggerbaren Monoflop arbeitet. Er dient dazu, festzustellen, ob die Achse, die überwacht wird, zum Stillstand gekommen ist oder nicht. Sie wird dann als stillstehend angesehen, wenn die in den Schaltungsblock 41 gelangenden Samplingwerte über einen vorbestimmten Zeitraum konstante Werte zeigen. Der Schaltungsblock 41 liefert an seinem Ausgang ein digitales Ausgangssignal, das diesen erkannten Zustand reflektiert. Es wird von dem Schaltungsblock 41 an den Ausgang 29 weitergeleitet und kann von dort aus beispielsweise dazu verwendet werden die Schutzhaube 3 zu entriegeln. Der Bediener kann hierauf bei Bedarf den Arbeitsraum 3 öffnen um Zugang zu bekommen.
Wenn der Bediener nach dem Stillstand der Achse und dem Erkennen dieses Zustands die Schutzhaube 6 geöffnet hat, darf sich auf keinen Fall mehr die überwachte Achse in Gang setzen. Sollte sich die Achse beginnen zu bewegen, kann die Bewegung eine gefährliche, unfallträchtige Situation heraufbeschwören. Der Stillstand der überwachten Achse muss deswegen unbedingt über das Sicherheitsschaltgerät 10 gewährleistet sein. Hierzu enthält das Sicherheitsschaltgerät einen Komparatorblock 42, der ebenfalls die Samplingwerte aus dem Ausgang 40 des Analogdigitalwandlers 39 erhält. In dem Komparatorblock 42 wird ein noch näher erläuterter Vergleich mit den zugeführten Samplingwerten durchgeführt. Bei Verletzen der Stillstandsbedingung liefert der Komparatorblock 42 an seinem Ausgang 43 ein Signal ab, das ebenfalls zu dem Ausgang 28 gelangt und sofort zu einer Betätigung des Not-AUS-Systems führt.
Ob dieses Signal weitergeschaltet wird, bzw. generiert wird, oder ob der Komparatorblock in der geeigneten Weise arbeitet, wird über den Eingang 30 festgelegt. Hierüber kommt ein Signal, das dem Sicherheitsüberwachungsgerät 10 mitteilt, dass die Schutzhaube 6 tatsächlich geöffnet wurde. Bei geöffneter Tür ist dennoch eine Schleichbewegung der Achse möglich, wenn dies der Benutzer angefordert hat. Es besteht deswegen eine weitere Verbindung zwischen dem Komparatorblock 42 und dem Eingang 31. Wenn der Benutzer die Schleichbewegung über eine entsprechende Zustimmtaste freigibt, wird die Stillstandsüberwachung, obwohl durch die offene Schutzhaube 6 initialisiert, abgeschaltet.
5 zeigt ein Flussdiagramm für ein Programm, wie es im Schaltungsblock 41 verwendet werden kann, um den Stillstand der überwachten Achse zu erkennen. Das Programm beginnt an einem Start- oder Einsprungpunkt A und führt danach in einem Abfrageblock bei 44 die Prüfung durch, ob eine vor dem Ansprung des Unterprogramms gesetzte Uhr T abgelaufen ist. Wenn die Uhr abgelaufen ist, verzweigt das Programm 44 in einen Ast 45, an den sich eine Programmfolge anschließt, die ein entsprechendes Signal für den Ausgang 29 erzeugt.
Sollte die Uhr nicht abgelaufen sein, fährt das Programm zu einem Abfrageblock 46 fort, in dem geprüft wird, ob der aktuell empfangene Samplingwert größer als eine vorgebene Grenze G ist oder nicht. Diese Grenze kann willkürlich auf den halben Wert der Maximalamplitude des vollwellen-gleichgerichteten Signals 26 gesetzt werden. Ist der Samplingwert S_t größer als die Grenze, fährt das Programm mit einem Abfrageblock 47 fort. Hier wird überprüft ob ein gesetztes Flag 1 ist. Flag auf 1 gesetzt bedeutet, dass beim vorhergehenden Durchlauf bereits festgestellt wurde, dass S_t größer als der Grenzwert war. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, wird in einem Anweisungsblock 48 die Uhr um 1 vermindert und unterhalb des Startpunktes A zurückgekehrt.
War hingegen das Flag nicht auf eins gesetzt und überschreitet nunmehr der aktuelle Samplingwert S_t die Grenze G das erste Mal oder erneut, fährt das Programm mit Anweisungsblock 49 fort. In dem Anweisungsblock 49 wird das Flag auf 1 gesetzt, die Uhr auf ihren Anfangswert t und der Grenzwert G zum Erzeugen einer Hysterese um einen Wert Δ vergrößert. Nach dem Ausführen dieses Anweisungsblocks 49 kehrt das Programm an den Anfang des Anfrageblocks 44 zurück.
Eine sinngemäße Prüfung wird auch für den Fall durch geführt, dass der Samplingwert S_t kleiner als der Grenzwert gewesen ist, so dass anschließend in einem Abfrageblock 51 die Hilfe des Flags F überprüft wird, ob der vorausgehende Samplingwert S_t ebenfalls kleiner als der Grenzwert war. Falls dies zutrifft fährt das Programm mit dem Anweisungsblock 48 fort. Falls nein, wird das Flag F nunmehr erst malig auf Null gesetzt, die Uhr auf ihren Startwert t und der Grenzwert G wird um Δ vermindert.
Das Rücksetzen der Uhr T auf den Wert t in dem Anweisungsblock 49 bzw. 52, verhindert ein allmähliches Zurücklaufen der Uhr selbst dann, wenn bei langsam laufender Achse mehrfach hintereinander der rechte oder linke Zweig nach dem Abfrageblock 46 durchlaufen wird. Jeder Wechsel nach der Abprüfung in dem Abfrageblock 46 setzt die Uhr auf den Startwert t zurück.
Sobald die zu überwachende Achse zum Stillstand gekommen ist, wird sich der Samplingwert S_t nicht mehr ändern. Er bleibt fortan konstant.
Zur Stillstandsüberwachung, d. h. zur Überprüfung, ob die Achse die Bedingung ”Achse in Ruhe” auch tatsächlich einhält, wird dieser Wert S_t verwendet.
In dem Komparatorblock 42 läuft ein verhältnismäßig einfaches Programm ab, das 6 veranschaulicht. Sobald am Ausgang der Funktionsblocks 41 das Signal erscheint, das den Stillstand signalisiert, wird bei 53 der momentane Samplingwert S_t in die Variable Ref übernommen. Diese Übernahme kann auch mit dem Öffnen der Schutzhaube erfolgen. Mit diesem Referenzwert werden die weiteren Samplingwerte S_t, wie sie von dem Ausgang 40 erhalten werden, verglichen. Dazu wird gemäß der Darstellung in 6 in dem Anweisungsblock 54 die Differenz zwischen dem Referenzwert und dem Wert von S_t gebildet.
Da das Signal wie es aus dem Funktionsblock 39 kommt ein gewisses Signalrauschen widerspiegeln können, ist die gebildete Differenz nicht notwendigerweise immer exakt Null. Um Fehlsteuerungen zu vermeiden wird deswegen der Betrag dieser Differenz bei 55 mit einem Schwellwert Q verglichen. Wenn der Schwellwert Q überschritten wird, wird dies von dem Sicherheitsüberwachungsgerät 10 dahingehend interpretiert, dass sich die Achse, die überwacht wird, in unzulässiger Weise bewegt hat. Der Komparatorblock 42 erzeugt, entsprechend an dem Ausgang 43 ein Signal, das zum sofortigen Not-AUS des entsprechenden Maschinenteils führt. Liegt die Differenz unterhalb des Schwellwertes Q, wird die Differenz als zulässiges Rauschen interpretiert und das Sicherheitsüberwachungsgerät 10 nimmt keinen Eingriff auf die Energieversorgung der Maschine 1 vor.
Die beschriebene Anordnung eignet sich vom Prinzip her auch als Interface zwischen einem Resolver und einem Sicherheitsüberwachungsgerät, an dessen Eingänge ein Inkrementalgeber angeschlossen wird. Inkrementalgeber liefern von Haus aus eine sehr hohe Datenrate.
Um eine solche Adaption vorzunehmen, könnte auch mit dem Signal, wie es aus dem Komparatorblock 42 über die Leitung kommt, ein Oszillator von ca. 2 kHz eingeschaltet werden, dessen Ausgangssignal in den Eingang des Blocks 35 eingespeist wird. In jedem Falle würde dann eine unzulässige Drehzahl gemessen werden, die den Block 35 veranlasst, ein Ausgangsignal an dem Ausgang 28 zu erzeugen, das ein Not-AUS signalisiert.
Ein Sicherheitsüberwachungsgerät weist zwei diversitär aufgebaute Kanäle auf. Jeder Kanal ist eingangsseitig mit einer Ausgangswicklung eines Resolvers verbunden und enthält eingangsseitig einen Hüllkurvendemodulator. Zur Drehzahlüberwachung wird dieses Signal in eine Rechteckfolge umgewandelt und der Abstand zwischen aufeinander folgenden Flanken mit gleichem Vorzeichen gemessen. Um die Bedingung zu überprüfen, dass die Achse im Stillstand bleibt, wird das am Ausgang des Demodulators erhaltene analoge Signal mit hoher Frequenz gesampelt, die aktuell gemessenen Samplingwerte werden mit jenem Samplingwert verglichen, der beim Öffnen der Schutzhaube erfasst wurde. Dadurch können auch kleine Änderungen der Achse erfasst werden, um die Maschine abzuschalten.

Claims

Sicherheitsüberwachungsgerät (10) für eine Maschine (1), zu der gehören: – eine Achse (5), – ein Antrieb (12) für die Achse (5), der Energie aus einer Energieversorgung erhalten kann, – ein Resolver (11) zum Überwachen der Position der Achse (5), der zwei voneinander getrennte Ausgangswicklungen (16, 17) aufweist, – ein Arbeitsraum (3), in dem die Achse (5) wirksam ist und der über eine gesicherte Zugangsöffnung (4) zugänglich ist, wobei sich die Zugangsöffnung (4) in einem unzugänglichen oder überwachten Zustand oder einem zugänglichen oder nicht überwachten Zustand befinden kann, wobei das Sicherheitsüberwachungsgerät (10) zwei funktionsgleiche Kanäle (19, 20) enthält und zu jedem Kanal (19, 20) gehören: ein Satz von Eingängen (21, 22), der an die jeweils zugehörige Wicklung (16, 17) des Resolvers (11) angeschlossen ist, eine Demodulatoranordnung (23), die an ihrem Ausgang ein der Position der Achse (5) entsprechendes Signal (26) abgibt, eine Logigkeinrichtung (27), – die aus dem aus der Demodulatoranordnung (23) erhaltenen Signal (26) Abtastwerte (S_t) erzeugt, – die die beiden Abtastwerte (S_t) miteinander vergleicht und – die entsprechend dem Vergleich ein binäres Ausgangssignal (28, 43) erzeugt, das den einen Zustand einnimmt, wenn die beiden Abtastwerte (S_t) sich weniger als ein vorbestimmtes Maß (Q) unterscheiden, und das den anderen Zustand einnimmt, wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist.
Sicherheitsüberwachungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikeinrichtung (27) dazu eingerichtet ist, die Achse (5) dahingehend zu überwachen, dass die Achse (5) im Stillstand verharrt.
Sicherheitsüberwachungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vergleich der beiden Abtastwerte (S_t) einer der beiden Abtastwerte (S_t) ein aktueller Abtastwert (S_t) ist, während der andere Abtastwert (Ref) ein Abtastwert ist, der im Wesentlichen zeitgleich mit einer Bedingung an der Maschine (1) erfasst wird, wobei die Bedingung eine Zustandsänderung der Maschine (1) ist, die nicht die Achse (5) betrifft oder die in dem Intervall zwischen der Zustandänderung und dem Zeitpunkt liegt, an dem der Stillstand der Achse (5) erkannt zu werden beginnt.
Sicherheitsüberwachungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikeinrichtung (27) dazu eingerichtet ist, den Eintritt des Stillstands der Achse (5) zu erkennen.
Sicherheitsüberwachungsgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikeinrichtung (27) dazu eingerichtet ist, die Abtastwerte (S_t) mit einem vorgegebenen festen Schwellwert (G) zu vergleichen und ein binäres Ausgangssignal (29) zu erzeugen, das den einen Zustand annimmt, wenn die Abtastwerte (S_t) über eine vorgegebene Zeitspanne ununterbrochen über oder ununterbrochen unter dem Grenzwert (G) liegen, oder das Ausgangssignal mit dem anderen digitalen Zustand zu erzeugen, wenn innerhalb der Zeitspanne wenigstens ein Abtastsignal (S_t) auftritt, das auf der anderen Seite der Schwelle (G) liegt, wie die übrigen vorausgehenden Abtastwerte (S_t).
Sicherheitsüberwachungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Demodulatoranordnung (23) nach dem Prinzip der Hüllkurvendemodulation arbeitet.
Sicherheitsüberwachungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Demodulatoranordnung (23) von einem Gleichrichter (24) mit nachgeschaltetem Tiefpass (25) gebildet ist.
Sicherheitsüberwachungsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (24) ein Einweggleichrichter ist.
Sicherheitsüberwachungsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfrequenz des Tiefpasses (25) derart gewählt ist, dass in dem Ausgangssignal (26) des Demodulators (23) das Trägersignal des Resolvers (11) unterdrückt ist, während die höchste zu erwartende Modulationsfrequenz ohne oder mit nur geringer Abschwächung durchgelassen wird.
Sicherheitsüberwachungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Abtastwerte (S_t), bezogen auf das an dem Ausgang der Demodulatoranordnung (23) erhaltene Signal (26) das Abtasttheorem erfüllt.
Sicherheitsüberwachungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikeinrichtung (27) zum Überwachen der maximal zulässigen Drehzahl der Maschine (1) eingerichtet ist.
Sicherheitsüberwachungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikeinrichtung (27) einen Frequenzzähler (35) enthält, der an den Ausgang (23) der Demodulatoranordnung (23) angeschlossen ist, um das erhaltene Frequenzsignal mit einem von außen programmierbaren Grenzwert (36) zu vergleichen.
Sicherheitsüberwachungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikeinrichtung (27) dazu eingerichtet ist, eine Signalkomponente abzutasten, die der Bewegungsgeschwindigkeit der Achse (5) proportional ist.
Sicherheitsüberwachungsgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikeinrichtung (27) dazu eingerichtet ist, die der Bewegungsgeschwindigkeit proportionale Signalkomponente mit einem Grenzwert (36) zu vergleichen und die ein Ausgangssignal (28) erzeugt, wenn die der Bewegungsgeschwindigkeit proportionale Signalkomponente den Grenzwert (36) übersteigt.
Sicherheitsüberwachungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikeinrichtung (27) zwischen der Betriebsart der Auswertung der Signalkomponente, die die Position der Achse (5) repräsentiert, und der Auswertung der Signalkomponente die die Bewegungsgeschwindigkeit repräsentiert, umschaltbar ist.
Sicherheitsüberwachungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzkomparator (35) enthalten ist, in den ein vorgegebenes Frequenzsignal ein gespeist wird, wenn das Ausgangssignal (28) erzeugt wird, das angibt, dass die zwei Abtastwerte (S_t) sich voneinander um mehr als den Grenzwert (S) unterscheiden.
Sicherheitsüberwachungsgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz einen Wert aufweist, der größer ist als derjenige Wert, der bei einer maximal zulässigen Bewegungsgeschwindigkeit der Achse (5) auftritt.
Sicherheitsüberwachungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (19, 20) hinsichtlich der Prozessorhardware und/oder der Prozessorperipherie und/oder der Software diversitär aufgebaut sind.