DE2352783A1 - Befehlsgeber mit ueberwachung fuer streckenabhaengige signale - Google Patents

Description

Dr. Ing. Walter Klaschka

7531 Tiefenbronn-3, Steineggerstraße 1 - Telefon 07234-534

01.75-05/10.73 08. 10. 1973

BEFEHLSGEBER MIT ÜBERWACHUNG FÜR STRECKENABHÄNGIGE SIGNALE

Die Erfindung betrifft einen Befehlsgeber zur Erzeugung digitaler Ja-Nein-Signale für Maschinen und Anlagen, die vorbestimmbaren geometrischen Wegstrecken eines linear bewegten oder eines sich drehenden Teiles zugeordnet sind, wobei sich jedoch an dem bewegten Maschinenteil lediglich ein Weg-Spannungswandler befindet und die Auswertung des Signales durch ein Gerät vorgenommen wird, das räumlich vom bewegten Maschinenteil weit entfernt sein kann und das über eine Leitung mit nur drei Signaladern mit dem Wandler verbunden ist, wobei der Einsteller die Zuordnung von Wegstrecke und Signal bequem am Gerät und bei laufendem Antrieb vornehmen kann.

Zur Steuerung einer Maschine (z. B. Presse) oder einer Anlage (z. B. Rolltor) ist es häufig notwendig, Steuersignale zu erzeugen und auszuwerten, die von der Bewegung der Maschine oder der Anlage selbst herrühren, und zwar in der Weise, daß über vorbestimmbare Teilstrecken einer Linearbewegung oder einer Drehbewegung Ja-Signale, über die Reststrecken Nein-Signale entstehen. Zur Erzeugung dieser Signale sind eine Reihe von Befehlsgebern bekannt und im Gebrauch.

Endschalter, auch Grenztaster genannt, werden über Nocken betätigt. In Mehrfachanordnung sind sie für Linearbewegungen unter der Bezeichnung Reihengrenztaster, für Drehbewegungen unter der Bezeichnung Nockenschaltwerk bekannt.

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Nachteilig ist bei diesen Vorrichtungen, daß die Nocken zur Betätigung in ihrer Länge verändert werden müssen, um die gewünschte Dauer der Schaltsignale zu erhalten.

Bei linearen Nockenschaltwerken sind dazu umfängliche Nockenleisten mit gefrästen Nuten und geschliffenen Stegen erforderlich, deren Befestigung nur an planbearbeiteten Flächen erfolgen darf. Der damit erforderliche Platzbedarf ist beträchtlich. Hinzu kommt ein relativ großes Gewicht sowohl der Nockenleisten mit den Nocken als auch des Reihengrenztasters.

Bei Nockenschaltwerken für Drehbewegungen sind neben festen Nockenringen mit vorgegebener Betätigungsdauer auch einstellbare Nockenringe üblich. Der Aufwand ist jedoch nicht unerheblich.

Es ist ohne weiteres einzusehen, daß sich mit den geschilderten Anordnungen - Enschalterbetätigung durch Nocken - im Interesse einer hohen Lebensdauer der Anordnung nur relativ niedrige Schaltzahlen pro Zeiteinheit erreichen lassen. Hinzu kommt, daß bei höheren Geschwindigkeiten eine Verschiebung der Signalgabe zustande kommt, die aus der Massenträgheit der bewegten Glieder des Endschalters herrührt. Aus diesem Grunde sind Schaltzahlen von mehr als 100 pro Minute problematisch und haben außerdem eine drastische Verkürzung der Lebensdauer der Endschalter zur Folge.

Man hat aus diesem Grunde in den letzten Jahren die Endschalter-Einsätze bei den Reihengrenztastern wie auch bei den Nockenschaltwerken in zunehmendem Maße durch die berührungs- und rückwirkungsfreien Annäherungsschalter ersetzt und kam so zu erheblich höheren möglichen Schaltzahlen unter gleichzeitiger Verringerung des scheinbaren Nockenversatzes. Nachteilig blieb aber der hohe Platzbedarf, es blieben die großen bewegten Massen, und es blieb der enorme Nachteil, die Nocken nur bei stehender Maschine einstellen

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zu können. Dies führt in der Regel zu zeitraubender "Probiererei", wobei der Einsteller oft genug, besonders bei großen Maschinen oder Anlagen, genötigt ist, die Einstellung in schwieriger KÖrperposition und unter sonstigen erschwerenden Umständen vorzunehmen .

Nachteilig ist ferner, daß bei den Mehrfachanordnungen eine hohe Leiterzahl zwischen Reihengrenztaster bzw. Nockenschaltwerk und Steuerung erforderlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Befehlsgeber für Linear- und Drehbewegungen der eingangs genannten Art anzugeben, der von den geschilderten Nachteilen der seither bekannt gewordenen Anordnungen frei ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Weg-Spannungswandler, wie ihn z. B. ein Linear- oder Ringpotentiometer darstellt, einerseits mechanisch mit dem bewegten Maschinenteil, andererseits elektrisch über eine nur 3-adrige Signalleitung mit einem Auswertegerät verbunden ist und daß die Zuordnungen von Wegstrecken und Signalen in einfacher Weise am Auswertegerät vorgenommen werden, wobei sich das Auswertegerät sowohl für Linearais auch für Drehbewegungen verwenden läßt und in beliebigen Mehrfachanordnungen ausgeführt werden kann und daß die Signalgabe des Weg-Spannungswandlers im Auswertegerät zusätzlich zur Erkennung der Bewegungsrichtung verarbeitet werden kann.

Weitere Vorteile und Merkmale gehen aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele hervor. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: Ein Prinzipschaltbild des Befehlsgebers mit einem Linearoder Ringpotentiometer 21 als Weg-Spannungswandler 2 und einem Auswertegerät 4 mit Widerstandskette 41 .

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Fig. 2: Einen Weg-Spannungswandler 2, der aus einem Weg- oder Winkelcodierer 22 besteht, dem ein Digital-Analogwandler 23 nachgeschaltet ist.

Fig. 3: Das Prinzipschaltbild eines Teiles eines Auswertegerätes mit zwei Einstellpotentiometern 46, 47 für den Beginn und das Ende der mit einem Ja-Signal behafteten Wegstrecke.

Fig. 4: Das Prinzipschaltbild einer Anordnung 5 zum Erkennen der Bewegungsrichtung.

Fig. 5: Das Prinzipschaltbild einer überwachung 6 des Bewegungsvorganges .

Das Linear- wie auch das Drehpotentiometer 21 gibt eine Spannung ab, die dem Gesamtweg proportional ist. Diese Potentiometer sind seit vielen Jahren bekannt und dienen z. B. als Stellungsgeber im Schiffs- und Werkzeugmaschinenbau, als Geber für KreisZeigerwaagen, Hygrometer und Manometer, allgemein ausgedrückt also als Geber für die Meß- Steuer- und Regeltechnik. In den letzten Jahren sind Ausführungsformen bekannt geworden, die eine extrem hohe Lebensdauererwartung besitzen und die sich daher für den hier beschriebenen neuartigen Verwendungszweck eignen.

Als Weg-Spannungswandler kommt auch die Anordnung nach Fig. 2 in Frage: Einem linearen Weg- oder einem Winkelcodierer 22 mit mittlerer Auflösung ist ein Digital-Analogwandler 23 nachgeschaltet. Bei Verwendung von berührungsfrei arbeitenden Codierern ist eine besonders hohe Lebensdauer zu erzielen. Der Vorteil dieser neuartigen Anordnung ist, daß wie bei der Potentiometerausführung des Wandlers lediglich drei Signaladern zwischen Wandler und Auswertegerät erforderlich sind.

Als Weg-Spannungswandler mit berührungsfreier Abtastung läßt sich auch eine Anordnung mit Feldplatten-Geber in Differentialschaltung und einem Permanentmagneten aufbauen. Diese Anordnung eignet

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sich als hochgenaues Wandlerelement kleiner Wegstrecken in Spannungswerte.

Das Auswertegerät 4 enthält eine Widerstandskette 41, deren Gesamtwider stand dem Gesamtweg und deren Teilwiderstände den Teilstrecken entspricht. Im einfachsten Fall enthält die Widerstandskette lediglich drei Teilwiderstände, an denen in der gezeigten Weise der Fensterkomparator 42 mit nachgeschaltetem Verstärker 43 liegt. Bewegt sich der Schleifer des Potentiometers von Null an bis zum Wegende, so entstehen am Ausgang des !Comparators und am nxchtinvertxerenden Ausgang 44 des Ausgangsverstärkers nacheinander die Signale Nein-Ja-Nein und am invertierenden Ausgang 45 die entsprechenden Signale Ja-Nein-Ja. Durch Verändern der Widerstände läßt sich die Befehlsgabe beliebig verlängern, verkürzen und innerhalb des Gesamtweges verschieben. Die Anordnung mit nur drei Widerständen empfiehlt sich vor allem dort, wo eine feste, stets gleichbleibende Teilstrecke eine Signalgabe erforderlich macht. Ist man jedoch genötigt, die Teilstrecken öfters zu ändern, so kann man z. B. die Widerstandskette aus vielen gleichen Einzelwiderständen aufbauen und die Punkte zwischen den Widerständen mit Hilfe von Steckerstiften, Lötstiften oder Anwahlschaltern anwählbar halten. Die Anzahl der gleichen Einzelwiderstände ist hierbei vom gewünschten Auflösungsgrad abhängig. Will man also z. B. noch ein Hundertstel der Wegstrecke erkennbar machen, müssen hundert Einzelwiderstände in Reihe geschaltet werden.

Eine andere Methode zur schnellen Veränderung ist die Verwendung von zwei Einzelpotentiometern 46 und 47 anstelle der Widerstandskette. Mit ihrer Hilfe läßt sich die Signalgabe sogar während des Laufes der Anlage stetig verändern.

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Zum Erreichen einer hohen Genauigkeit ist es erforderlich, den Innenwiderstand von Wandler 2 und Widerstandskette 41 bzw. Einstell-

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potentiometer 46, 47 klein im Verhältnis zu den Eingangswiderständen des Fensterkomparators zu halten. Diese Forderung ist jedoch mit Hilfe moderner Komparatoren mit hochohmigen Eingängen ohne weiteres zu erfüllen.

Dank der Kleinheit der benötigten Teile lassen sich Mehrfachanordnungen in den Auswertegeräten auf kleinem Raum ausführen. Auch läßt sich die Widerstandskette mit z. B. 100 gleichen Einzelwiderständen auf relativ kleinem Raum unterbringen. Insgesamt gesehen ist der Platzbedarf für das Auswertegerät gering im Vergleich zu den oben genannten Mehrfachanordnungen mit Endschaltern oder Annäherungsschaltern .

Fig. 4 stellt eine Anordnung 5 zur Erkennung der Bewegungsrichtung dar. Die Signalleitungen 31, 32 und 33 kommen vom Weg-Spannungswandler 2. Das Signal wird von dem RC-Glied 51 differenziert und einem bipolaren Gleichspannungsverstärker 52 zugeführt. Die Widerstandsanordnung 53 dient den beiden Komparatoren als Vergleichsschaltung, übersteigt die Spannung am Ausgang des Gleichspannungsverstärkers die Vergleichsspannung in der einen oder in der anderen Richtung, so entsteht am Ausgang 56 bzw. 57 ein Ja-Signal und gibt damit die Bewegungsrichtung an.

Über eine einfache, nicht dargestellte UND-Verknüpfung der Ausgangssignale der Ausgänge 44, 45 mit 56 bzw. 57 ist es ohne weiteres möglich, Signale zu erzeugen, die nicht nur den Wegstrecken sondern auch den Bewegungsrichtungen zugeordnet sind.

Mit Hilfe der Ausgangssignale an den Ausgängen 56, 57 ist außerdem die Möglichkeit einer überwachung des Bewegungsvorganges geschaffen, wie sie zur Sicherheit des Bedienungspersonals z. B. an Pressen unumgänglich ist. Fig. 5 zeigt die Anordnung 6. Der "Start"-Befehl an die Steuerung der Maschine wird gleichzeitig an einen der Eingänge 61 des Exklusiv-Oder-Gatters 63 gelegt. Am anderen Eingang 62 liegt derjenige Ausgang 56 oder 57, der der beabsich-

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tigten Bewegungsrichtung zugeordnet ist. Der Ausgang 65 gibt ein Ja-Signal ab, solange die beiden Eingänge 61, 62 übereinstimmen, d. h. solange der Start an 61 nicht ansteht, darf über 62 kein Ja-Signal kommen und umgekehrt, wenn das Startsignal an 61 erscheint, muß an 62 das Ja-Signal erscheinen. Die Abfallverzögerung 64 verhindert das kurzzeitige unterbrechen des Ausgangssignals an 65 während des Hochlaufs und während des Auslaufs der Maschine.

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01.75-05/10.73 - 8 - 08.10.1973 PATENTANSPRÜCHE:

1. Befehlsgeber zur Erzeugung digitaler Ja-Nein-Signale, die vorbestimmbaren geometrischen Wegstrecken eines linear bewegten oder eines sich drehenden Teiles einer Maschine oder Anlage in der Weise zugeordnet sind, daß für eine oder mehrere vorbestimmbare Teilstrecken ein Ja-Signal, für die restliche(n) Teilstrekke (n) ein Nein-Signal am Ausgang der Anordnung erscheint, dadurch gekennzeichnet, daß gemäß Fig. 1 ein mit dem linear bewegten oder sich drehenden Maschinenteil TYmechanisch gekoppelter Weg-Spannungswandler 2 über eine 3-adrige Signalleitung eine wegproportionale Spannung an das Auswertegerät 4 abgibt, das die wegproportionale Spannung und damit den Gesamtweg mit Hilfe einer Widerstandskette 41, eines Pensterkomparators 42 und eines Ausgangsverstärkers 43 in Teilbereiche und damit Teilstrecken zu zerlegen gestattet, denen digitale Signale an den Ausgängen 44 und 45 zugeordnet sind.

2. Befehlsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gemäß Fig. 1 der Weg-Spannungswandler ein Linear- oder Ringpotentiometer 21 ist.

3. Befehlsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gemäß Fig. 2 der Weg-Spannungswandler aus einem digitalen Absolutwertgeber 22 und einem nachgeschalteten Digital-Analog-Wandler 23 besteht.

4. Befehlsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandskette 41 aus ebensovielen hintereinanderliegenden gleich großen Einzelwiderständen besteht, wie Teilstrecken im Gesamtweg enthalten sind und in digitale Signale umgeformt werden.

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5. Befehlsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Weg-Spannungswandler 2 und die Widerstandskette 41 niederohmig, die beiden Eingangswiderstände des Fensterkomparat'ors 42 im Vergleich hierzu aber hochohmig ausgeführt sind.

6. Befehlsgeber nach Anspruch 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Fensterkomparatoren 42 mit jeweils nachgeschalteten Ausgangsverstärkern 43 an einer einzigen Widerstandskette 41 hängen.

7. Befehlsgeber nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandskette 41 aus ebensovielen gleichen Einzelwiderständen besteht, wie es einem gewünschten AufIpsungsgrad des Gesamtweges in Einzelstrecken entspricht.

8. Befehlsgeber nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils 2 Eingänge der Fensterkomparatoren, die an der Widerstandskette liegen, dort über Stecker, Schalter oder Lötverbindungen frei veränderlich gehalten sind.

9. Befehlsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gemäß Fig. 3 anstelle der Widerstandskette 41 zwei Potentiometer 46, 47 treten.

10. Befehlsgeber nach den Ansprüchen*1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Auswertegerät 4 sowohl eine Widerstandskette 41 mit einem oder mehreren nachgeschalteten Fensterkomparatoren 42 und Ausgangsverstärkern 43 als auch gleichzeitig ein- oder mehrfach die Ausführung nach Anspruch 9 mit je 2 Potentiometern und nachgeschalteten Fensterkomparatoren 42 und Ausgangsverstärkern 43 eingebaut ist.

11. Befehlsgeber nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß gemäß Fig. 4 der Weg-Spannungswandler nach den Ansprü-

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chen 1,2 und 3 zusätzlich über die Signalleitungen 31 , 32 und 33 die Bewegungsrichtungs-Erkennung 5 versorgt, die aus einem Differenzierglied 51, einem bipolaren Gleichspannungsverstärker 52, der Widerstandskette 53 und den beiden Komparatoren 54 und

55 besteht und daß beim Bewegen des Maschinenteils in der einen Richtung am Ausgang 56 ein Ja-Signal, am Ausgang 57 ein Nein-Signal, beim Bewegen in entgegengesetzter Richtung am Ausgang

56 ein Nein-Signal, am Ausgang 57 ein Ja-Signal entsteht und daß bei Stillstand des Maschinenteils oder bei nur unerheblichen Bewegüngsvorgangen an beiden Ausgängen 56 und 57 ein Nein-Signal ansteht.

12. Befehlsgeber nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß gemäß Fig. 5 der Bewegungsvorgang mit Hilfe des Startsignales für die Maschine und dem Signal des Ausganges 56 oder

57 überwacht wird, indem diese beiden Signale einem Exklusiv-Oder-Gatter 63 mit einer nachgeschalteten Abfallverzögerung zugeführt werden, dergestalt daß am Ausgang 65 stets ein Ja-Signal auftritt, solange entweder beide Eingänge Ja-Signale oder beide Eingänge Nein-Signale erhalten, wobei kurzzeitige und für den Betrieb der Maschine oder Anlage unwesentliche Ungleichheiten der beiden Eingangssignale 61, 62 durch die Abfallverzögerung 64 überbrückt werden und am Ausgang nicht zur Geltung kommen, während länger dauernde Ungleichheiten der beiden Eingangssignale 61, 62 ein Nein-Signal am Ausgang 65 hervorrufen und daß dieses Nein-Signal zum Stillsetzen der Maschine oder Anlage aus Gründen der Sicherheit benutzt wird.

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