DE2837108C2

DE2837108C2 - Meßvorrichtung für Längen und/oder Winkel

Info

Publication number: DE2837108C2
Application number: DE2837108A
Authority: DE
Inventors: Walter 8000 München Thurner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-08-24
Filing date: 1978-08-24
Publication date: 1983-06-23
Also published as: DE2837108A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Me^vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art J5

Eine Meßvorrichtung dieser Art ist aus der Zeitschrift »Werkstatt und Betrieb«, 105 (1972), Seite 801, bekannt. Bei der bekannten Meßvorrichtung wird ein Meßmäander mit einer sinusförmigen Spannung beaufschlagt. An einem zweiten Meßnväander, der gegen den ersten verschiebbar ist, wird eine erzeugte Induktionsspannung abgegriffen. Die Amplitude der Induktionsspannung ändert sich mit der Relativlage der beiden Meßmäander. Wenn die Amplitude den Wert null annimmt, erfährt die übertragene Spannung einen Phasensprung um 180°. Die Amplitudenschwankungen werden bei der bekannten Vorrichtung — ähnlich wie bei einer Schlitzblende — in Digitalsignale umgewandelt, ausgewertet und einem Positionswertzähler zugeführt Um auch die Richtung der Verschiebung ermitteln zu können, ist sekundärseitig zu dem bereits erwähnten Meßmäander ein zweiter, um 90° räumlich verschobener Meßmäander vorgesehen, der in gleicher Weise arbeitet wie der erste Meßmäander. Aus der relativen Lage der an dem ersten und zweiten Meßmäander ί5 gewonnenen Sekundärspannung kann durch eine Torlogik die Richtung der Verschiebung bestimmt werden. Mit der bekannten Vorrichtung kann die Verschiebung des Meßelements nur mit einer Auflösung bestimmt werden, die einer Meßperiode (Mäanderbrei- μ te) entspricht. Eine Feinauflösung innerhalb eines Meßmäanders ist mit der bekannten Vorrichtung dagegen nicht möglich.

Aus der DE-OS 24 59 909 ist ein Längen- oder Wegmesser mit einem Differenzialfühler bekannt, dei zwei sich gegensinnig ändernde elektrische Bauelemente (beispielsweise Kondensatoren) aufweist, die an einen gleichen Wegtaster angeschlossen sind. Die Größe der Kapazität der Kondensatoren hängt von der räumlichen Lage des Tasters ab. Die -Kapazität der beiden Kondensatoren wird ermittelt und in ein zur Kapazität proportionales Signal umgesetzt Zur Auswertung dieses Signals werden bei dem bekannten Längenmesser Signale erzeugt, die der Summe der Kapazitäten beider Kondensatoren entsprechen, sowie ein Signal, das dem doppelten Wert einer der beiden Kapazitäten entspricht Die beiden in ihrer zeitlichen Länge unterschiedlichen Rechteckimpulse werden voneinander subtrahiert, um so ein Ergebnissignal zu erhalten, dessen Dauer ein Maß für die Lage des Tasters relativ zu den beiden Kondensatoren ist Mit dieser bekannten Vorrichtung ist nur eine Lagebestimmung des Tasters innerhalb des Bereiches der beiden genannten Kondensatoren möglich. Eine Lagebestimmung über eine ausgedehnte Wegstrecke kann nicht vorgenommen werden.

Aus der Zeitschrift »(ATM) Archiv für technisches Messen«, 1973, S. 201, ist eine Vorrichtung zur Digitalisierung analoger Weg- und Winkelmeßsysteme bekannt Mit Hilfe der bekannten Vorrichtung ist nur eine Positionsbestimmung des Meßmittels innerhalb einer Meßperiode (Mäander oder Drehung) möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs genannten Art zu schaffen, bei der ohne größeren Aufwand an baulichen Maßnahmen sowohl eine Positionswertbestimmung des Meßelementes über praktisch beliebig viele Meßperioden (Meßmäander bei einem Meßlineal oder Umdrehungen bei einem Drehmelder) als auch eine Feinpositionsbestimmung innerhalb eines Meßmäanders, d. h. mit einer Auflösung einer nahezu beliebig kleinen Quantisierungseinheit möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegeben. Bei der Meßvorrichtung gemäß der Erfindung ist (J'-r die Erfassung des Wegistwertes die Verschiebung der Phase und diese dabei entstehenden Zeitänderupgen ausgenützt. Ein Meßreiter, der mit zwei um 90° verschobenen Grundfrequenzen gespeist wird, bewirkt bei einer mechanischen Verschiebung auch eine Verschiebung der Phase am Ausgang eines Meßlineals (Inductosyn). Der Nulldurchgang der Sinusspannung wird als dritter Punkt genützt und einer Torschaltung zugeführt. Die Torschaltung besteht aus einem Referenzzähler und Meßzähler. Die Abweichung des Meßzählers gegenüber dem Referenzzähler wird mittels dritter Signale in einem Wegregister festgehalten. Das dynamische Verhalten des Meßzählers wird durch Beeinflussung des Meßsignals über den Rückstelleingang des Registers erreicht. Die dabei gewonnene duale Wegmessung wird positiv und negativ sowie statisch für jede Weglänge dargestellt. Ein Vorteil der Meßvorrichtung im Vergleich zu bekannten liegt in der Kosteneinsparung durch geringen Aufwand und erheblicher Bauteileeinsparung. Für die Aufbereitung der Meßspannung ist kein besonderer Aufwand durch Analogschaltungen nötig. Bei der Montage der Meßmittel braucht der Meßmittelabstand nicht besonders genau eingehalten zu werden. Als Meßmittel können alle Inductosyn- und Drehmeldermeßmittel verwendet werden, die es auf dem Markt gibt, unabhängig von der Bauart. Bei entsprechender Auslegung können die Maßeinheiten auf 0,5 um und weiter verfeinert werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispie-

le näher erläutert Es zeigen

Fig, 1, 2, 3, 4, 6 ein Anwendungsbeispiel als Lageregler,

Fig.5 ein Anwendungsbeispiel als Istwerterzeuger.

In der F i g. 4 ist die Erzeugung der Meßspannung bei Verwendung von Linearmaßstäben erläutert und in der Fig.3 ist die Erzeugung der Meßspannung bei Verwendung der Drehmeßgeber erläutert

Meßelemente

Durch die Einspeisung zweier 90" elektrisch verschobener Spannungen in die 90° räumlich zueinander versetzten Wicklungen des Inductosynreiters bzw. Drehmelders entsteht ein Drehfeld, das in der Skala bzw. in der Starterwickking des Drehmelders eine Wechselspannung konstanter Amplitude induziert Bei Verschiebung der Skala zum Reiter bzw. Verdrehung des Rotors zum Starter verschiebt sich diese Meßspannung in ihrer Phasenlage. Beim Inductosyn erreicht sie nach genau 2 mm, beim lOpoligen Drehmelder nach Vs Umdrehung, beim 2poligen Drehmelder r,ach einer ganzen Umdrehung wieder die gleiche Phasenlage. Wird der lOpolige Drehmelder an einer Spindel mit 10 mm Steigung angeschlossen, so entspricht Vs Umdrehung einem Weg von 2 mm. Eine Winkelmessung ist ebenfalls mit Rundinductosyn oder mit Drehmelder möglich. Bei einer Übersetzung von

360

180
1

und mit 2poligen Drehmeldern ist eine Gradauflösungsfeinheit von 0,001° möglich.

Meßmitteleinspeisung

An die Läuferwicklung eines Drehmelders bzw. die Reiterwicklung eines Inductosyn werden zwei 90° zueinander verschobene Rechteckspannungen angelegt mit symmetrischer Spannung bzw. Stromeinspeisung. Da die Wicklungen der Meßgeber örtlich um 90° gegeneinander versetzt sind, entsteht ein Drehfeld, das in der Sekundärwicklung des Meßgebers unter einer starken Oberwelligkeit eine Wechselspannung konstanter Amplitude induziert. Die Meßspannung wird über Filter nutzbar gemacht und digitalisiert F i g. 1(2).

Fahrgeschwindigkeit bei beispielweise nachfolgend aufgeführten Meßmitteln:

Mäanderbreite 2000 Maßeinheiten

Festfrequenz 7,5 kHz

7,5 kHz = 7500 Werteinheiten/sec χ 60
= 420/000 Werteinheiten χ 2048
= ca. 86 000 000/min = 86 000 mm/min = ca. 80 m/min_miK.

Bis 0,4 m/min können die gefahrenen Werteinheiten einzeln gemessen werden. Die Geschwindigkeit kann aber so weit erhöht werden, bis pro Mäander nur noch eine Messung gemacht wird. Dies darf allerdings nicht mehr überschritten werden, da sonst in der Vermessung 2 mm Fehler entstehen. Die max. Geschwindigkeit beträgt demnach ca. 80 m/min.

Durch Erhöhung der Generatorfrequenz kann die zugelassene Geschwindigkeit entscheidend erhöht werden.

Umformung Meßsignal (siehe F i g. 7)

Das Triggersignal Fig. 1(5) wandert mit dem Nulldurchgang des Meßsignals. Verschoben wird der Nulldurchgang innerhalb der Mäanderwicklung am Inductosyn je nach örtlicher Reiterstellung, Wird Uer Reiter innerhalb des Mäanders bewegt, bewirkt dies eine Frequenzänderung des Fehlersignals, Das Triggersignal F i g, 1(5), das nun abhängig vom Meßsignal Fig.3, Fig.4(1) über den Rückstelleingang das dynamische Register im Synchronlauf verfälscht, ergibt dieser Wert eine Abweichung, die genau den gefahrenen Wegeinheiten entspricht Für die Wegmessung über die Mäander hinweg wird die Übertragsbildung ausgenützt Bewegt sich der Reiter z, B, nach Minus, so wird die Frequenz Fig, 1(1) kleiner, das Register wird nicht mehr genau mit der genannten Wertmarke gelöscht sondern um ein paar Werteinheiten später. Um diese Werteinheiten verschiebt sich auch der Übertragszeitpunkt beim neuen Synchrondurchlauf, und damit ist auch eine Veränderung der Wegeinheiten erreicht Diese Wegeinheiten entsprechen der MäanderzahL

Bei Verschiebung des Reiters in pos. Richtung wird das dyn. Register vor Ablauf der Wertmarke getriggert und dabei ebenfalls eine zeitliche Verschiebung des Übertrags F i g. 1 (7) erreicht (siehe F i g. 8).

Beim Löschen des dynamischen Registers dürfen keine Wertigkeiten verloren gehen, deshalb wird das Triggtfsignal Fig. 1(5) mit der Grundfrequenz F i g. 1(11) als zusätzliche Sicherheit ausgeblendet (siehe F ig. 9).

Meßsignal-Überwachung (siehe F i g. 10)

"' Überwachungseinrichtung für

Bauteileausfälle und Kabelbruch

Die Registerausgänge Fig. 1(7) und Fig. 1(10) werden über eine Und-Verknüpfung geschaltet Wenn

j "· der Trigger F i g. 1 (5) ausfällt wird das Register vor dem Datentrigger Fig. 1(9) nicht mehr rückgesetzt. Nachdem auch das Signal Fig. 1(10) noch vorbereitet ist, wird zum Zeitpunkt (A) mit Signal Fig. 1(7) die Überwachung gesetzt. Bei der Übergabe der Istwertdaten wird bei Ausfall des Meßsignals das Überwachungssignal am Datenbus mitübergeben und soll der Auswertung die Falschdaten signalisieren. Das Überwachungssignal kann durch eine Rangierung statisch festgehalten und nur über eins separate Löscbroutine

■»■> rückgesetzt werden. Außerdem wird bei Bewegung des Meßreiters auch Unsymmetrie im Reiter erfaßt und als Fehler signalisiert.

Bahnregler (Zeichnung F i g. 6)

vi Bei Bahnsteuerungsbetrieb ist es unbedingt erforderlich, daß alle Achsen die gleichen Anreget- und Ausregelzeiten erhalten. Somit bestimmt die schlechteste Achse das Verfahren aller Achsen. Das sehr aufwendige Einsteil.verfahren des Regelkreises kann

>· durch geregelten Eingriff des Bahnreglers ersetzt werden.

Der Bahnregler hat die Aufgabe, die Lager der Achse einem vorgegebenen Sollwert nachzuführen. Bei Abweichung werden die Achsen max. beschleunigt und

fco gleichzeitig über die Regelrückführung und Zentralregler das dynamische Verhalten der Maschine automatisch an die schlechteste Achse ausgeregelt Der Bahnregler, der bisher immer als offener Regler angewendet wurde, wird dadurch zun, geschlossenen Regelkreis. Der

i-5 Vorteil ist ein schleppfreier Regelkreis und keine Justierpunkte. Das dynamische Verhalten der Maschine wurde bisher in Form von Maschinendaten ermittelt und als Leitdaten für den Lageregler in der Steuerung

abgelegt. Nach der Erfindung ist diese empirische Ermittlung nicht mehr nötig, weil die Maschine ihr dynamisches Verhalten selbst dem Bahnregier vorgibt. Der Bahnregler besteht aus einem Lageregler, Zentialregler und Interpolator. Der Lageregler hat die Aufgabe, die Achse mit der vorgegebenen Geschwindigkeit auf den Endwert zu steuern. Außerdem muß der Istwert steif an den Sollwert ausgeregelt werden. Der Drehzahlsollwert ist digital nach der Komparatorauswertung durch die Istwertunruhe in einem Puls-Pausenverhältnis von 1 : I und erzeugt dadurch eine Ausgangsanalogspannung von 0 V. Ist-Soll-Abweichungen verändern das Pausenverhältnis und damit die analoge Ausgangsspannung. Der Drehzahlsollwert muß wegen der Oberwelligkeit mit einer Glättung von ca. 2 ms versehen werden, da sonst der Drehzahlreglerausgang teilweise durch die Oberwelligkeit des Sollwertes für das Stellglied unsymmetrisch wird nrlpr Hip Verfahrachse in Resonanz bringt.

Der Interpolator berechnet für eingegebene Interpolationsabschnitte die Bewegungsfolge für die Achsen, so daß die Kombination die gewünschte Kontur ergibt. Ein Interpolationsabschnitt wird durch den Endpunkt, bezogen auf den Anfangspunkt, definiert, wobei der Anfangspunkt gleich dem Endpunkt des vorhergehenden Interpolationsabschnittes ist. Bei der zweidimensionalen Interpolation werden für eine Gerade die sogenannten Verfahrwege mit ihrem jeweiligen Vorzeichen berechnet und in den Integrator eingegeben. Für einen Kreis werden ebenfalls die Verfahrwege eingegeben, zusätzlich die Mittelpunktkoordinate sowie eine Information, ob der Kreisabschnitt im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn durchfahren werden soll. Neben diesen geometrischen Ang-aben muß noch eine Angabe über die gewünschte Vorschubgeschwindigkeit eingegeben werden, da jedes Rechenergebnis des Interpolators unmittelbar und sofort in Maschinenbewegung umgesetzt wird (Echtzeitrechnung) (siehe Fig. II).

Die Positionsangaben X und Y werden für den Endwertspeicher berechnet. Als Steigungswerte für den Interpolator werden die Kreismittelpunktkoordinatcn

ί eingerechnet. Über die Kreisweiche werden die Interpolatorzuordnungen und Bewegungsrichtungen geschaltet. Die Interpolationszuordnung der einzelnen Integratoren kann damit beliebig erfolgen. Durch diese Zuordnung ist auch Mitschleppen von einer oder

ίο mehreren Achsen oder mehrdimensionale Interpolation möglich.

Zentralregler: Das Einstellen der Antriebsregelung einer Maschine muß bei der dynamisch ungünstigsten Verfahrachse begonnen werden. Meist sind das Achsen.

r, die infolge von mehreren Getriebestufen oder Gewichtsausgleich im Antrieb Spiel und Elastizität aufweisen und dadurch dynamisch ungünstig werden.

Da! Anangeln d«?r Dynamik wird rniffpk FrpnMpnytpilpr sowie mit einem Vor- und Rückwärtszähler gelöst. Die

2D Ausgangsfrequenz des Frequenzteilers wird gleichzeitig als Zählfrequenz ausgenützt, womit ein Integrationsverhalten erreicht wird. Durch die hohe Steucrfrequenz (12MHz) ist die Anregelzeit so klein, daß die Vorschubfrequenz ständig an die dynamischen Verän-

?) derungen auch während der Beschleunigung angepaßt werden kann. Mittels Frequenzteiler, der über einen Vor- un '. Rückwärtszähler gesteuert wird, kann die Grundfrequenz so verändert werden, daß der Istwert den Sollwert im Lageregler wieder einholt und damit

in jede Geschwindigkeitsänderung maschinenoptimal ausgeführt wird. Die für die Regelung notwendige Regelrückführung wird immer von der schlechtesten Achse wirksam sein und damit das Verhalten der gesamten Maschine prägen.

υ Der konstruktive Aufbau des Bahnreglers kann mittels konventioneller Beschallung oder, was preisgünstiger ist, mittels programmierter Prozessoren erfolgen.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

2S37

Patentanspruch:

Elektrische MeBvorrichtung für Längen und/oder Winkel, bei dem an einem Meßelement (Meßlineal ₅ mit Mäandern oder Drehmelder) sekundärseitig ein Spannungssignal abgreifbar ist, dessen Phasenlage von der Winkel- oder Wegverschiebung des Meßelementes abhängt und bei dem das Spannungssignal einer Digitalisierschaltung, einer Auswerte- to schaltung und einem Positionswertzähler zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement an einen Generator für zwei phasenverschobene Eingangssignale einer ersten Frequenz angeschlossen ist, daß ein mit einem Grundfrequenzsignal getakteter Referenzzähler vorgesehen ist, daß das Verhältnis zwischen der Grundfrequenz und der ersten Frequenz der Zahl der pro Meßperiode (Meßmäaader oder Umdrehung) gewünschten Quantisierungseinheiten entspricht, daß ein mit dem Grundfrequenzsignal getakteter, einen Teillöschungseingang aufweisender Meßwertzähler vorgesehen ist, dessen Teillöschungseingang das digitalisierte Spannungssignal zuführbar ist, und daß eine die Differenz zwischen dem Zählerstand des Meßwertzählers und des Referenzzählers bildende Subtrahierschaltung vorgesehen ist, deren Ausgangssignale im Positionswertzähler (Istwertregister) speicherbar sind.

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