DE19604968C2 - Verfahren zum Prüfen von inkrementalen Meßsystemen und Prüfgerät zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen von inkrementalen Meßsystemen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Prüfgerät zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem nebengeordneten Anspruch 4.

Inkrementale Drehgeber werden für die Lageregelung bei Positionierantrieben verwendet. Mit ihnen werden die Istwerte der Wellenbewegung des Antriebes erzeugt, die für die Regelung benötigt werden. Um die Quelle von auftretenden Fehlern, insbesondere von Maßschwankungen bei auf CNC-Maschinen hergestellten Werkstücken, zu ermitteln, ist es wichtig, zuerst die einwandfreie Funktion der Drehgeber zu prüfen. Dabei ist es unter Umständen wünschenswert, die Funktionsfähigkeit der Drehgeber zu testen, ohne sie ausbauen zu müssen.

In der DE 31 22 702 C2 sind ein Verfahren zur Ermitt­ lung von Tastverhältnis und/oder Phasenwinkel von pe­ riodischen elektrischen Rechtecksignalen, insbesondere bei digitalen elektrischen Positionsmeßeinrichtungen, und Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens sowie zur Anwendung des Verfahrens beschrieben.

Das bekannte Verfahren verwendet das Phasenwinkelmeß­ prinzip. Es wird davon ausgegangen, daß die Ausgangs­ rechtecksignale von zwei Gebern im fehlerfreien Zu­ stand um den Phasenwinkel 90° elektrisch versetzt sind. Bei Verschmutzung oder Ausfall eines Gebers schwankt der Phasenwinkel deutlich um 90°. Diese Phasenwinkel- Schwankung wird durch eine Anzeigeeinheit angezeigt.

Bei der Anwendung in elektrischen Positionsmeßein­ richtungen wird eine Teilung auf der Meßeinrichtung von einer relativ zur Positionsmeßeinrichtung beweg­ lichen Abtasteinheit abgetastet. Die in der Abtast­ einheit gewonnenen elektrischen Analogsignale werden einer Auswerte-/Anzeigeeinheit zur Anzeige der Werte der vollen Signalperioden zugeführt. Von den gewon­ nenen elektrischen Analogsignalen wird zur Untertei­ lung der vollen Signalperioden ein Analogsignal digi­ talisiert und einem Rechner zur Berechnung von Inter­ polationswerten zugeleitet. Das Verfahren ist für eine schnelle und zuverlässige Diagnose von Drehgebern un­ geeignet, es ist zu kostspielig und aufwendig.

Das Phasenwinkel-Meßgerät PWM 7 der Dr. Johannes Hei­ denhain GmbH (Betriebsanleitung "Meßsystem-Diagnose- Set", Stand 8/94) zum Prüfen und Einstellen der elek­ trischen Ausgangssignale von Längenmeßsystemen und Drehgebern, ist nach den beschriebenen Gegebenheiten aufgebaut und erlaubt nur mit unzureichender Genauig­ keit und Zuverlässigkeit die Testung von inkrementalen Meßsystemen. Die Verwendung von Zeigerinstrumenten (Ablesefehler) und die zulässige Toleranz der Anzeigen erlauben keine fehlerfreie Diagnose der Meßsysteme.

Aus der DE 33 18 351 C2 ist eine Schaltungsanordnung für eine drehzahl- und drehrichtungsabhängige Auswer­ teschaltung vorbekannt, mit der die Richtungsauswer­ tung dadurch erfolgt, daß das reale, über eine Periode gelieferte Bitmuster eingelesen und mit dem Referenz­ muster verglichen wird. Wenn die Bitfolge dem Referenz­ muster "Rechtsdrehung" entspricht, wird nach einer ab­ geschlossenen Periode der Zählerstand z. B. um die Wer­ tigkeit "eins" erhöht. Wenn die Bitfolge dem Referenz­ muster "Linksdrehung" entspricht, wird nach einer ab­ geschlossenen Periode der Zählerstand z. B. um die Wer­ tigkeit "eins" erniedrigt. Es wird demzufolge mit einem Referenzmuster verglichen. Um die Drehrichtung zu ermitteln, muß eine ganze Periode abgewartet werden.

Aus der DE 33 48 056 C2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem anhand des Phasenwinkels Rückschlüsse über den Verschmutzungsgrad eines inkrementalen Meßsystems gezogen werden können. Dieses Verfahren weist die voranstehend bereits abgehandelten Nachteile auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren und ein Prüfgerät zu entwickeln, mit denen eine einfache und zuverlässige sowie schnelle Diagnose der Funktionsfähigkeit von inkrementalen Meßsystemen gewährleistet ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merk­ malen des Anspruches 1 und des nebengeordneten Anspruches 4. Zwischen zwei Referenzsignalen eines inkrementalen Meßsystems wird die Strichzahl exakt ermittelt, die als Impulszahl auf jeder Winkelmeß­ einrichtung angegeben ist. Das erste Referenzsignal ist das Startsignal und löst den Zähl- bzw. den Prüf­ vorgang aus. Das erste Referenzsignal entspricht der Nullgradstellung der Winkelmeßeinrichtung oder der Nullmarke der Wegmeßeinrichtung.

Wenn bei der Winkelmeßeinrichtung diese Stellung oder Marke erneut durchlaufen wird, zum Beispiel bei der Winkelmeßeinrichtung nach einer vollständigen Umdreh­ ung von 360°, wird der Zählvorgang und damit die Prü­ fung angehalten bzw. beendet. Das Wegmeßsystem erhält das zweite Referenzsignal (Stoppsignal) durch eine weitere Referenzmarke, die nach einer definierten Länge angeordnet ist.

Das inkrementale Meßsystem kann im eingebauten Zustand einfach und zuverlässig geprüft werden, indem das Prüf­ gerät in den Regelkreis der laufenden Maschine einge­ schleift wird. Bei der Überprüfung eines inkrementalen Längenmeßsystems sind zwei Referenzmarken im Verfahr­ bereich der zu überprüfenden Achse notwendig. Abwei­ chungen zwischen der Soll-Strichzahl und der Ist- Strichzahl signalisieren einen Fehler.

Im ausgebauten Zustand wird das inkrementale Meßsystem durch das Prüfgerät eingespeist und die zurückgeführ­ ten Signale werden pro Umdrehung oder zwischen zwei Referenzmarken gezählt. Eine Soll-/Istwert-Differenz zeigt wiederum einen Fehler an.

Das Prüfgerät kann überall dort eingesetzt werden, wo die Steuerung von Maschinen mit inkrementalen Meß­ systemen arbeitet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles eines Prüfgerätes für eine NC-gesteuerte Werkzeugmaschine näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Prüfgerätes und

Fig. 2 die Ausführungsform einer Flip-Flop- Schaltung im Prüfgerät nach Fig. 1.

Das erfindungsgemäße Prüfgerät 1 nach Fig. 1 ist zur Prüfung von inkrementalen Meßsystemen, insbesondere von Drehgebern 7, im ausgebauten oder im eingebauten Zustand vorgesehen, um den Drehgeber 7 als Fehlerur­ sache zu identifizieren oder auszuschließen.

Das Prüfgerät 1 wird in den Signalweg zwischen dem Drehgeber 7 und dem nicht dargestellten Lageregelkreis der NC-Steuerung eingeschleift und die zu überprüfende Achse wird über die Betriebsart "Referenzpunkt anfahren" in ihre Ausgangsstellung gebracht.

Es wird zwischen indirekter und direkter Wegmessung durch den inkrementalen Drehgeber 7 unterschieden.

Bei der indirekten Wegmessung wird die Achse bezüglich des Werkstücks in "Minusrichtung" gefahren. Der erst­ malige Durchlauf der Referenzmarke startet den Prüf­ vorgang. Über eine nicht dargestellte passive Schnitt­ stelle werden die einlaufenden Impulse vom Prüfgerät abgegriffen, gezählt und unverfälscht der NC-Steuerung zugeführt. Nach einer vollen Umdrehung wird die Refe­ renzmarke des inkrementalen Drehgebers 7 zum zweiten Mal durchlaufen und der Zählvorgang wird gestoppt. Die Soll-Istwert-Differenz der Impulszahl des inkrementa­ len Drehgebers 7 zeigt an, daß er defekt ist.

Bei der direkten Wegmessung durch ein inkrementales Längenmeßsystem wird der Prüfvorgang durch eine zweite Referenzmarke, die sich in einem definierten Abstand zur ersten Referenzmarke befindet, beendet. Im Gegen­ satz zum Stand der Technik sind eine exakte Ermittlung der Impulszahl/Strichzahl und eine zuverlässige Dia­ gnose bezüglich des Meßsystems gewährleistet.

Beim Testen einzelner Drehgeber 7 werden die Impulse gezählt, die zwischen zwei Referenzsignalen des Dreh­ gebers 7 erzeugt werden. Mit dem Prüfgerät 1 können die Betriebsarten "ständig zählen" und "zählen von Nullmarke zu Nullmarke - eine Umdrehung zählen" gewählt werden. Als Maß für eine Umdrehung wird das interne Referenzsignal des Drehgebers 7 verwendet. Das Vorhandensein des Referenzsignals wird über eine LED optisch angezeigt.

Entsprechend der Darstellung in der Fig. 1 besteht das Prüfgerät nach der Erfindung aus einer Interface- und einer Betriebsart-Baugruppe 2 bzw. 3, einem Dekoder 4, einem Zähler 5 und einem Display 6.

Die Interface-Baugruppe 2 dient der Aasschaltung des Testgerätes an ein inkrementales Meßsystem, z. B. an den Drehgeber 7 und ist in bekannter Weise aufgebaut. Die vom inkrementalen Meßsystem gelieferten Signale werden in der Interface-Baugruppe 2 verstärkt und über ein Mehrleitersystem der Betriebsart-Baugruppen 3 und dem Dekoder 4 des Prüfgerätes 1 zugeführt. Die Ein­ gangsbeschaltung ist so ausgeführt, daß bei einem Leitungsbruch keine undefinierten Signale intern weiterverarbeitet werden.

In der Betriebsart-Baugruppe 3 erfolgt die wahlweise Umschaltung zwischen den Betriebsarten "Impulse des Meßsystems werden ständig gezählt" und "Impulse des Meßsystems werden von Nullmarke zu Nullmarke gezählt - eine Umdrehung zählen".

Die Umschaltung der Betriebsart erfolgt beispielsweise durch einen nicht dargestellten Kippschalter. In der Schalter-Stellung "ständig zählen" wird die Freigabe für den Zähler 5 eingeschaltet. Dadurch werden sämt­ liche Rechtecksignale des inkrementalen Meßsystems (Drehgeber 7) unabhängig von einer Nullmarke gezählt.

In der Schalter-Stellung "Zählen von Nullmarke zu Nullmarke" wird der Zähler 5 gesperrt. Beim ersten positiven Flankenanstieg des Nullmarkenimpulses schaltet der invertierende Ausgang einer ersten Flip- Flop-Schaltung FF1 (Fig. 2) von einem High- auf einen Low-Pegel und aktiviert mit dem Low-Pegel den Zähler 5. Beim zweiten positiven Flankenanstieg des Nullmar­ kenimpulses kippt der invertierende Ausgang der Flip- Flop-Schaltung FF1 vom Low-Pegel auf einen High-Pegel und inaktiviert den Zähler 5. Gleichzeitig sperrt die Schaltung FF1 erneute Nullmarkenimpulse. Die Schaltung FF1 kann nur über einen Reset-Impuls erneut aktiviert werden.

Der Dekoder 4 dient der Drehrichtungsauswertung des Drehgebers 1, nämlich ob sich dieser "vorwärts" oder "rückwärts" bewegt.

Die Drehrichtung des inkrementalen Drehgebers 7 muß korrekt erkannt werden. Dazu werden vier Signalzu­ stände des Drehgebers 7 benutzt.

Die Schaltung des Dekoders 4 ist so ausgeführt, daß aus dem logischen Verknüpfungsergebnis der Rechteck­ eingangssignale die Bewegungsrichtung des Drehgebers 1 (Fig. 1) definiert wird. Die Auswertung erbringt für eine vollständige Periode der Drehgebersignale vier Impulse. Es wird aber nur ein Impuls pro Periode für die Zählung benötigt. Die vier Impulse werden daher der Teilerschaltung innerhalb des Dekoders 4 zuge­ führt, geviertelt und entsprechend der Bewegungs­ richtung entweder dem +m-Eingang oder dem -m-Eingang des Zählers 5 zugeordnet.

Der Zähler 5 und das Display 6 ermitteln und zeigen den Zählstand auf einem LED-Siebensegmente-Display 6 an. Der programmierbare synchrone Dezimal-Zähler 5 ermittelt die Anzahl der binären Eingangsimpulse und gibt den Zählstand dezimal an einen BCD-zu-Siebenseg­ ment-Umwandler weiter, der die Signale entsprechend der verwendeten Anzeige am Display 6 codiert.

Bezugszeichenliste

1

Prüfgerät

2

Interface-Baugruppe

3

Betriebsart-Baugruppe

4

Dekoder

5

Zähler

6

Display

7

Drehgeber

8

Mehrleiterverbindung
FF1Flip-Flop
FF2Flip-Flop
E1Signal
+mEingang
-mEingang

Claims (4)

1. Verfahren zum Prüfen von inkrementalen Meßsystemen, insbesondere von Positionsmeßeinrichtungen wie inkrementale Drehgeber, unter Verwendung einer Teilung auf den Positionsmeßeinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Strichzahl auf der Teilung des Meßsystems zwischen zwei Referenzsignalen als Anzahl von Im­ pulsen gezählt wird, wobei das erste Referenzsignal durch die Nullgradstellung und/oder Nullmarke gebildet und als Startsignal für den Zählvorgang benutzt wird und wobei das zweite Referenzsignal durch eine Referenzmarke nach einem definierten Verfahrweg bestimmt wird und den Zählvorgang beendet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Referenzsignal durch die Wiederkehr der Nullgradstellung und/oder Nullmarke gebildet wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Signalweg zwischen dem inkrementalen Meßsystem und dem Lageregelkreis einer NC-Maschinensteuerung ein Prüfgerät ein­ geschleift wird, mit dem die Impulse zwischen den Referenzmarken in Abhängigkeit von der Bewegungs­ richtung gezählt und angezeigt werden.

4. Prüfgerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Dekoder in Verbindung mit einem Zähler und einem Display und mit einer Flip-Flop-Schaltung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Interface-Baugruppe (2) mit einer Betriebsart-Baugruppe (3) zur Umschaltung des Zählmodus und mit dem Dekoder (4) zur Auswertung der Bewegungsrichtung des inkrementalen Meßsystems (Drehgeber 7) verbunden ist, wobei ein Ausgang der Betriebsart- Baugruppe (3) und ein Ausgang des Dekoders (4) mit dem Zähler (5) und der Ausgang des Zähles (5) mit dem Display (6) verbunden sind und wobei die Interface-Baugruppe (2) über eine Mehr­ leiterverbindung (8) mit dem inkrementalen Meß­ system verbunden ist, und wobei in der Betriebsart- Baugruppe (3) die Flip-Flop-Schaltung, bestehend aus zwei JK-Flip-Flop (FF1, FF2), vorgesehen ist, wobei der dynamische Eingang des ersten Flip-Flop (FF1) mit dem Signal (E1) aus dem dynamischen Flankenanstieg des ersten Rechteckeingangssignals des inkrementalen Meßsystems (7) beschaltet ist, und daß der invertierende Ausgang des ersten Flip-Flop (FF1) zur Freigabe des Zählvorganges mit dem Zähler (5) und mit dem dynamischen Eingang des zweiten Flip-Flop (FF2) und der J-Eingang des ersten Flip- Flop (FF1) mit dem konvertierenden Ausgang des zweiten Flip-Flop (FF2) verbunden sind.