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Bei Kranen von Hüttenwerken z. B. kommt es vor, daß Material bestimmter
Chargen an einer freien Stelle in einem Lager abgesetzt wird und dort später wieder
geholt werden soll. Es ist deshalb notwendig, den Ort des jeweiligen Materials sozusagen
mit einem X-Y-Koordinatennetz zu speichern. Diesen
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Ort kann man auch in den Speicher einer datenverarbeitenden Anlage
eingeben und den Kran halb-oder vollautomatisch fahren.
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Das gleiche Problem besteht, wenn man z. B. sogenannte RFZ (Regal-Förder-Zeuge)
längs eines Regals führen muß und diesen RFZ angeben muß, an welcher Stelle des
Regals sie zum Auffüllen des Vorrats oder Entnehmen eines Teils stehenbleiben soll.
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Bei derartigen Vorrichtungen wurde häufig optisch, elektrisch abgetastet.
Dies hat jedoch den Nachteil, daß sich die Vorrichtungen in staubigen Betrieben
(Gießereien, Zementwerken u. dgl.) nicht einsetzen lassen, da der Grad der Verschmutzung
sehr groß ist und die Wartung dadurch kompliziert wird. Wegerfassungen mit mechanischen
Apparaturen haben meistens den Nachteil des Verschleißes. Außerdem besteht bei mechanischem
Abtasten je nach Art der Abtastrolle die Gefahr, daß die Genauigkeit durch Verschmutzung
oder Verschleiß beeinträchtigt wird.
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Schließlich setzen die bei mechanischen Vorrichtungen häufig vorhandenen
Kontakte die Zuverlässigkeit solcher Einrichtungen herab. Der Nachteil der bekannten,
mit Induktionsspulen arbeitenden Anlagen besteht in der aufwendigen Verkabelung
auf der Geberseite, z. B. Hochregale oder Kranbahnen.
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Von dieser Art der Positionierung ist die Positionierung zu unterscheiden,
wie sie bei digital gesteuerten Werkzeugmaschinen od. dgl. benötigt wird. Solche
Positionierungsverfahren kommen hier nicht in Frage, weil sie viel zu aufwendig
für den hier geforderten Zweck sind.
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Aus der deutschen Auslegeschrift 1 115 810 ist eine Positioniervorrichtung
der eingangs genannten Art bekanntgeworden. Diese bekannte Vorrichtung weist im
Abstand voneinander angeordnete Permanentmagnete auf, die alle gleich ausgebildet
sind und die an einem einzigen Sensor vorbeibewegt werden, Die bekannte Vorrichtung,
die als Nachlaufsteuereinrichtung ausgebildet ist, ist jedoch zur Verwendung beispielsweise
an Krananlagen nicht einsetzbar. Mit der bekannten Vorrichtung ist es nicht möglich,
die Richtung, in der sich die Permanentmagneten bewegen, zu erkennen. Ein weiterer
Nachteil der bekannten Vorrichtung besteht darin, daß sie nur eine verhält nismäßig
grobe Einstellung ermöglicht. Zur Feineinstellung sind zusätzliche, parallel zu
schaltende Vorrichtungen notwendig, was wiederum einen verhältnismäßig hohen Aufwand
bedingt.
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Es ist schließlich noch eine Vorrichtung zum Positionieren einer
Bohr- bzw. Fräsmaschine bekanntgeworden, die an ihrem verstellbaren Tisch im Abstand
angeordnete Permanentmagnete aufweist. Die Permanentmagnete werden von einem feststehenden
Detektor abgetastet. Auch mit dieser Vorrichtung ist nur eine Grobeinstellung möglich.
Ferner ist es auch hier nicht möglich, die Bewegungsrichtung des Tisches der Maschine
festzustellen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten
Art zu schaffen, mit der man eindeutig die Wegstrecke angeben kann, ohne Rücksicht
darauf nehmen zu müssen, ob die Abtasteinrichtung bzw. die Gebervorrichtung sich
z. B. nach links oder rechts bewegt, die hohe Toleranzen zwischen Gebervorrichtung
und Abtasteinrichtung zuläßt und die fiir ihren Aufgabenbereich genügend genau und
billig ist und praktisch keine Wartung benötigt.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Gebervorrichtung
erste und zweite
Permanentmagnete aufweist, von denen sich die Länge der ersten zur
Länge der zweiten Permanentmagnete wie 2 : 1 verhält, daß eine Führungsvorrichtung
(33) vorgesehen ist, an der drei im Bereich des Magnetfeldes längs der Linie der
Permanentmagnete bewegbare Sensoren vorgesehen sind, deren gegenseitiger Abstand,
bezogen auf die Länge der Permanentmagnete, sich wie 1 : 1 : 1 verhält und daß die
Sensoren mit einem Impulszähler und einer Richtung erkennungs-Schaltung verbunden
sind.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Positionieren ist es also
möglich, die Richtung festzustellen, in der sich der zu positionierende Gegenstand
bewegt. Dies ist insbesondere durch die spezielle Ausbildung und Anordnung der Permanentmagnete
und der Sensoranordnung auf verhältnismäßig einfache Weise möglich.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschneben. Es zeigt F i g. 1 die perspektivische Ansicht
plattenförmiger, direkt aufeinanderfolgender Permanentmagnete mit wechselndem Magnetfeld,
F i g. 2 eine schematische Seitenansicht der stationären Gebervorrichtung und der
beweglichen Abtastvorrichtungen, F i g. 3 ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Richtungserkennung
und Impulszählung.
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Die Permanentmagnete der F i g. 1 sind auf zweierlei Weise alternierend
vorgesehen: Auf die kurzen Magnete mit der Länge L folgen direkt längere Magnete
mit der Länge 21. Zusätzlich zum Längenunterschied hat auch das Magnetfeld eine
bestimmte Richtung im Raum. Bei den 2 Magneten ist der Magnetfluß Q nach unten gerichtet,
während er bei den Magneten nach oben gerichtet ist. Diese Dauermagnete aus Ferritmaterial
sind an einer Schiene (Fig. 2) vorgesehen, die fest mit der Kranbahn verbunden ist.
Sie können auch direkt an einem magnetisch leitenden Material befestigt werden,
z. B. an der Schiene der Kranbahn. Die Permanentmagnete können auch stehend oder
hängend angeordnet sein. Auf der der Schiene 31 abgewandten Seite ist eine Führungsbahn
32 vorgesehen, an der ein Wagen 33 geführt ist, der auf Rollen 34 läuft. Der Wagen
33 ist mit dem Kran in beliebiger Weise gekoppelt. Der Wagen 33 kann Teil der Brücke
oder Katze sein, an einem Betätigungsteil für die Katze befestigt sein oder kann
auch mit untersetzter Geschwindigkeit fahren.
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Am Wagen 33 sind starr drei Sensoren 36, 37, 38 befestigt, die in
die Magnetfelder der Permanentmagnete gelangen und in der Praxis mehrere Zentimeter
Abstand von den Permanentmagneten haben. Die Senseren 36, 37, 38 sind alle in die
gleiche Richtung gerichtet, und ihr Mittenabstand ist gleich der Länge L.
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Die Permanentmagnete kann man auch längs gekrümmten Bahnen vorsehen,
falls die zu positionierende Vorrichtung eine solche Bewegungsbahn hat.
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Es kann an ihnen einiger Eisenstaub hängenbleiben, ohne ihre Wirkungsweise
im geringsten zu beeinträchtigen. Sieht man die Permanentmagnete längs der vollen
Länge der Bahn vor, so ist die Auflösung optimal. Verkürzt man jedoch die Bahn der
Permanentmagnete gemäß einer Untersetzung zwischen dem Kran und der Abtasteinriehtung,
dann leidet zwar die Auflösung, wenn man zwei gleich große Pemanentmagnete voraussetzt
Es wird jedoch dann möglich, die Gebervorrichtung und die Abtastelurichtung
an
irgendeiner anderen gewünschten Stelle mit kleinerem Längenausdehnungsbedarf unterzubringen.
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Grundsätzlich wäre es auch möglich, die Sensoren 36, 37, 38 ortsfest
zu lassen und die Permanentmagnete in Form einer Stange hin und her zu bewegen.
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Durch die gleichförmige Dicke der Permanentmagnete wird gewährleistet,
daß gleich viel Feldlinien pro Quadratzentimeter vorhanden sind. Beim Ausführungsbeispiel
haben die Permanentmagnete Längen von 5 und 10 mm. Diese Längenmaße passen zum einen
gut in das Dezimalsystem, denn die Wegstrecke wird ja ebenfalls in Millimetern angegeben,
und außerdem reicht die damit mögliche Auflösung von 5 mm Länge für die Genauigkeit
völlig aus. Indem man die Permanentmagnete direkt aufeinanderfolgen läßt, wird der
Wechsel in der Magnetfeldrichtung von den Sensoren 36, 37, 38 aus gesehen besonders
abrupt und somit auch bei unterschiedlicher Feldstärke sicher auswertbar.
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In F i g. 1 befinden sich der Sensor 1 und der Sensol 2 über einem
langen Permanentmagneten. Der Sensor 3 befindet sich über einem kurzen Permanentmagneten.
Bewegt man nun den Wagen 33 nach rechts um eine Teilung von 5 mm, so stellt der
Sensor 1 keine Feldänderung fest. Der Sensor 2 stellt eine Änderung von einer negativen
Feldrichtung zu einer positiven Feldrichtung fest (nach oben gerichtete Feldrichtung
wird positiv gezählt). Der Sensor 3 schließlich stellt eine Änderung von einem positiven
Feld zu einem negativen Feld fest. Von dieser Ausgangsstellung ausgehend gehören
ganz bestimmte Feldänderungskriterien zu einer bestimmten Bewegungsrichtung. Die
Sensoren 36, 37, 38 können nur drei definierte Stellungen relativ zu den Permanentmagneten
einnehmen, und zu jeder dieser Stellungen gehört ein bestimmtes Änderungskriterium,
je nachdem, ob der Wagen 33 nach rechts oder links fährt.
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Ferner wird bei jeder Bewegung um eine Teilung in irgendeinem der
Sensoren eine Feldänderung von Positiv nach Negativ bzw. umgekehrt festgestellt,
und diese Änderung wird zu einem Zählimpuls umgeformt und ausgewertet.
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Man benötigt also ein Gedächtnis, das den augenblicklichen Zustand
festhält, und ferner eine Dekodierschaltung, die aus den Änderungen die Bewegungsrichtung
erkennt.
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F i g. 3 zeigt eine Schaltung, die das Erforderliche leistet. Hierbei
wird ausdrücklich auf die Schaltungszeichnung verwiesen, die die Verbindungen zwischen
den einzelnen Bauelementen deutlich angibt. Soweit die Verbindungen dick ausgezogen
sind, führen sie ein L-Signal. Sind sie dünn ausgezogen, so führen sie ein O-Signal,
und sind die Verbindungen gestrichelt, so ist ihr Zustand beim Einschalten unbestimmt.
Unten in F i g. 3 sieht man die Hall-Generatoren1, H2, H3 der Sensoren 36, 37, 38.
Da die Hall-Generatoren eine feldstärkeabhängige Ausgangsspannung haben, wird diese
von Operationsverstärkern Vl, V2, V3 verstärkt. Danach ist ein DifferenziergliedCR
vorgesehen, das die beim Überfahren der Trennstelle zweier Magnete entstehenden
Impulse differenziert. Die ansteigende Flanke dieses Impulses erzeugt damit einen
positiv gerichteten Nadelimpuls, während die abfallende Flanke einen negativ gerichteten
Nadelimpuls erzeugt. Das Ausgangssignal der Differenzierglieder wird einem Inverterverstärker
8.3, 8.6 und 7.3 zugeführt. Die invertierende Funktion ist
hier wie bei allen anderen
Schaltsymbolen durch einen kleinen Kreis dargestellt. Der Inverterverstärker 8.3
steuert ein Flip-Flop mit den NAND-Stufen 5.2, 2.2 an. Der Inverterverstärker 8.6
steuert das Flip-Flop mit den NAND-Stufen 9.1 und 3.3 an, und der Inverterverstärker
7.3 steuert das Flip-Flop mit den NAND-Stufen 9.2, 2.1 an. Diese Flip-Flops stellen
das Gedächtnis der Vorrichtung dar und halten den augenblicklichen Zustand fest.
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Die Ausgänge der Flip-Flops sind in der gezeichneten Weise mit einem
ersten Paar Dreifachgattern 3.1, 4.2, mit einem zweiten Paar Dreifachgattern 5.3,
3.2 und mit einem dritten Paar Dreifachgattern 4.3, 4.1 verbunden. Auch hier handelt
es sich im einzelnen um NAND-Stufen. Von deren Ausgang führen Rückkopplungszweige
zu den Flip-Flops zurück, und zwar vom ersten Paar Dreifachgattern aus direkt, vom
zweiten und dritten Paar Dreifachgattern aus einmal direkt und einmal über eine
NAND-Stufe9.4 bzw.
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9.3 und Inverterverstärkern 7.5 bzw. 7.4.
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Mit den drei Paaren Dreifachgattern sind in der gezeichneten Weise
die Eingänge von zwei einzelnen Dreifachgattern 1.1 und 2.3 verbunden, die ebenfalls
in NAND-Stufen ausgeführt sind und über Inverterverstärker 6.3 bzw. 7.6 ein Richtungs-Flip-Flop
in der gezeigten Weise ansteuern, das die NAND-Stufen 10.1 und 10.2 umfaßt und entsprechend
geschaltet ist.
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Beim Ausgang 2 von 10.1 ist die Steuerleitung angeschlossen, die dem
Aufwärts-Abwärts-Zähler (nicht gezeichnet) sagt, ob er aufwärts oder abwärts zählen
soll. Die Auswertung der Ausgangssignale des Richtungs-Flip-Flops erfolgt auch über
Inverterverstärker 6.1 und 6.2, die Glühlampen La ansteuern. Leuchtet die obere
Lampe auf, so bewegt sich der Wagen 33 nach links, leuchtet die untere Lampe auf,
so bewegt der Wagen 33 sich nach rechts. Im Stillstand wird immer die letzte Bewegungsrichtung
angezeigt.
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Die drei Paar Dreifachgatter 3.1, 4.2, 5.3, 3.2 4.2, 4.1 sowie die
Dreifachgatter 1.1, 2.3, die Inverterverstärker 6.3, 7.6 und das Richtungs-Flip-Flop
gehören zur Richtungserkennungsschaltung.
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Die Ausgänge der Inverterverstärker 8.3, 8.6, 7.3 sind über Inverterverstärker
8.2, 8.5, 7.2 in der gezeichneten Weise sowohl an die drei Paare der Dreifachgatter
als auch an Inverterverstärker 7.1, 8.4 und 8.1 angeschlossen. Die Ausgangssignale
von 7.1, 8.4, 8.1 werden in einer NAND-Stufe 5.1 zusammengefaßt und einem Monoflop
zugeführt, zu dem die beiden nachfolgenden UND-Stufen sowie der Baustein 11.0 gehören.
Die rechts an diesen Baustein gezeichnete Kapazität deutet an, daß die erhaltenen
Impulse verzögert an die Impulsleitung weitergegeben werden. Dies ist deshalb notwendig,
weil ein Zähler ja erst in seiner Zählrichtung bestimmt sein muß, ehe er zählen
kann. Würden die Richtungssignale gleichzeitig mit den Zählsignalen eintreffen,
so würde dies zu Fehlern führen.
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Die Schaltung wird nun an Hand eines Arbeitsspiels erklärt. Gemäß
Fig. 3 hat bei den drei Gedächtnis-Flip-Flops der Ausgang5.2-6 das Signal und der
Ausgang 2.2-6 das Signal 0. Die Flip-Flops 9.1, 3.3 und 9.2, 2.1 haben entgegengesetzte
Lage.
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Der Wagen 33 fährt nun nach rechts. Der Sensor 1 stellt keine Feldrichtungsänderung
fest, weil er bei dieser Fahrt um eine Teilung (eine Teilung = Breite eines kurzen
Magneten) auf dem langen Magnet verbleibt. Dagegen stellt der Sensor 2 eine Umkehr
der Flußrichtung von Negativ (nach unten gerichteter
Fluß wird negativ
gezählt) zu einem positiven Fluß fest. Da der Sensor 3 von einem kurzen Magneten
zu einem langen Magneten gelangt, stellt er eine Feldrichtungsänderung von Plus
nach Minus fest. Das erste Flip-Flop 5.2, 2.2 wird also deshalb nicht angesteuert,
weil keine Feldrichtungsänderung festgestellt wird. Das Flip-Flop 9.2, 2.1 wird
deshalb nicht angesteuert, weil eine Anderung von Plus nach Minus stattfindet. Solche
Änderungen geben die inverterverstärker 8.3, 8.6, 7.3 nicht weiter, da sie nur in
eine Richtung verstärken. Lediglich das Flip-Flop 9.1, 3.3 wird getriggert. Gleichzeitig
erscheint am Ausgang 10 des Inverters 8.5 ein L-Signal für die Dauer des Triggerimpulses.
Dieses L-Signal gelangt auf das Dreifachgatter 4.3 am Eingang 10. Da die Eingänge
4.3-9 und 4.3-11 jedoch 0 führen, bleibt das Signal an diesem Gatter unwirksam.
Beim Dreifachgatter 4.2 führen jedoch die Eingänge 3 und 5 ein L-Signal, und das
nun vom Inverterverstärker 8.5, Ausgang 10 kommende L-Signal läßt den Ausgang des
Dreifachgatters 4.2 nach 0 schalten. Diese logische Null geht über das Dreifachgatter
2.3 und den Inverterverstärker 7.6 zum Richtungs-Flip-Flop und setzt dieses so,
daß der Ausgang 3 von 10.t ein L-Signal führt. Damit wird zum einen die Lampe »rechts«
zum Aufleuchten gebracht, und die nach außen führende Steuerleitung geht auf »Aufwärtszählen«.
Durch das Null-Signal am Ausgang des Dreifachgatters 4.2 wird das Flip-Flop 5.2,
2.2 wieder zurückgesetzt, so daß jetzt der Ausgang 6 der NAND-Stufe 2.2 ein L-Signal
hat. Außerdem wurde der vom Inverterverstärker 8.5, Ausgang 10 kommende Impuls über
den lnverterverstärker >.4 und das Dreifachgatter 5.1
dem monostabilen Nlultivibrator
11.0 zugeleitet. der diesen Kurzimpuls nochmals formt und verzögert dem Zähler zuführt.
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Führt nun der Wagen 33 aus einer anderen Grundstellung heraus nach
links und nimmt man an, daß das Flip-Flop 5.2, 2.2 schon gesetzt ist und das Flip-Flop
9.2, 2.1 als nächstes getriggert wird, so gelangt dabei das am Ausgang 4 des Inverterverstärkers
7.2 stehende L-Signal an die Dreifachgatter 3.2 und 3.1.
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Da die beiden anderen Eingänge des Dreifachgatters 3.2 das Signal
0 führen, bleibt das Signal hier unwirksam. Die Eingänge 13 und 2 des Dreifachgatters
3.1 führen jedoch ein L-Signal, so daß das am Eingang 1 eintreffende L-Signal den
Ausgang 12 nach 0 schalten läßt. Dieser Sprung nach Logisch-Null geht nun über das
Dreifachgatter 1.1 und den Inverterverstärker 6.3 auf das Richtungs-Flip-Flop 10.1,
10.2 und läßt dieses so umschalten, daß der Ausgang 6 von 10.2 ein L-Signal führt
und damit die vom Inverterverstärker 6.1 angesteuerte Lampe »links« aufleuchtet.
Die nach außen führende Steuerleitung wechselt ebenfalls ihr Potential und schaltet
den angeschlossenen Zähler auf »Abwärtszählen«. Ein Zählimpuls würde gleichzeitig
über den Inverterverstärker 7.1 und das Dreifachgatter 5.1 der monostabilen Stufe
zugesandt.
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Um eine sichere Funktion der Schaltung bei Inbetriebnahme zu gewährleisten,
ist der Eingang 4 der NAND-Stufe 5.2, der Eingang 12 der NAND-Stufe 9.4 und der
Eingang 9 der NAND-Stufe 9.3 an eine Setzleitung gelegt, auf die beim Einschalten
kurze Zeit ein Null-Signal gegeben wird, welches auch den Zähler auf Null stellt.