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Wegmeßeinrichtung
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Die Erfindung betrifft eine Wegmeßeinrichtung mit einem inkrementalen
Weggeber, der einen relativ zu einer Sensoreinrichtung beweglichen Markierungsträger
mit Wegmarken aufweist und zwei Ausgänge zur Abgabe von zwei zueinander phasenverschobenen
Impulsfolgen aufweist, mit einer an den Ausgängen des Weggebers liegenden Richtungsdetektoreinheit,
die einen Richtungssignalausgang aufweist, und mit einer der Richtungsdetektoreinheit
ausgangsseitig nachgeordneten Vorwärts-/Rückwärts-Zähleinrichtung.
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Bei einer derartigen, in dem Buch "Elektronische Werkzeugmaschinensteuerungen"
von Georg Haubner auf den Seiten 38 bis 43 beschriebenen Wegmeßeinrichtung ist ein
inkrementaler Weggeber vorgesehen, der auf einem beweglichen Markierungsträger eine
Spur mit äquidistanten und entlang der Bewegungsrichtung zueinander versetzen Wegmarken
aufweist. Die Wegmarken werden durch zwei ortsfeste Sensoren erfaßt; diese liefern
bei Bewegung des Markierungsträgers über zwei Ausgänge des Weggebers jeweils zwei
zueinander um 90" phasenverschobene Impulsfolgen, welche die Informationen über
die Geschwindigkeit und die Richtung der Bewegung des Markierungsträgers enthalten.
An den Ausgängen des Weggebers liegt eine Richtungsdetektoreinheit, die über einen
Zählimpulsausgang Zählimpulse mit einer der Bewegungsgeschwindigkeit entsprechenden
Folgefrequenz und über einen Richtungssignalausgang je nach Richtung erfaßten Bewegung
Richtungssignale an eine Vorwärts-/Rückwärts-Zähleinrichtung abgibt. Der Zählerstand
der Vorwärts-/Rückwärtszähleinrichtung gibt den von dem beweglichen Markierungsträger
zurückgelegten Wegabschnitt an und
kann zur Steuerung einer Antriebs-
oder Positioniereinrichtung herangezogen werden.
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Bei einer weiteren derartigen, aus der Zeitschrift "Elektronik Applikation",
1982, Nr. 3, Seiten 36 bis 43 bekannten Wegmeßeinrichtung weist der inkrementale
Weggeber eine drehbare Codierscheibe mit Wegmarken auf, die in einer einzigen Spur
angeordnet sind. Die Wegmarken werden mittels einer Sensoreinrichtung durch eine
feststehende, mit den Wegmarken entsprechenden Schlitzen versehene Maske erfaßt,
wobei die Sensoreinrichtung über zwei Ausgänge zwei zueinander phasenversetzte Impulsfolgen
abgibt.
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Aus der älteren deutschen Patentanmeldung ist weiterhin ein inkrementaler
Weggeber bekannt, der auf einem Markierungsträger zwei nebeneinander verlaufende
Spuren mit äquidistanten, entlang der Bewegungsrichtung zueinander versetzte Wegmarken
aufweist; die Wegmarken werden von einer ortsfesten Sensoreneinrichtung zur Erzeugung
zweier phasenversetzter Impulsfolgen erfaßt.
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Die Weggeber sind im Betrieb äußeren Störeinflüssen ausgesetzt, die
einen Funktionsausfall des jeweiligen Weggebers verursachen und damit zu Fehlmessungen
in der Wegmeßeinrichtung führen können. Derartige Störeinflüsse können beispielsweise
als Verschmutzung des Weggebers auftreten, so daß die Wegmarken auf dem Markierungsträger
durch die Sensoreinheit nur unvollständig erfaßt werden und die Impulsfolgen am
Ausgang des Weggebers Fehlinformationen über die erfaßte Bewegung liefern. Zu weiteren
Fehlmessungen kann es führen, wenn die Sensoreinrichtung vollständig oder teilweise
ausfällt, oder wenn die Verbindung zwischen den Ausgängen des Weggebers und der
nachgeordneten Richtungsdetektoreinheit durch abgerissene Verbindungsleitungen oder
fehlerhafte Anschlüsse unterbrochen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wegmeßeinrichtung anzugeben,
die bei nur geringem gerätetechnischem Aufwand eine sichere Überwachung der Funktion
des inkrementalen Weggebers ermöglicht.
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Gemäß der Erfindung besteht die Lösung dieser Aufgabe darin, daß der
Richtungssignalausgang mit einer Signalflankendetektoreinrichtung in Verbindung
steht, daß der Signalflankendetektoreinrichtung eine Zählvorrichtung nachgeordnet
ist, deren Rücksetzeingang mit einer vorgegebenen Taktimpulsfolge beaufschlagt ist
und daß an dem Zählerausgang der Zählvorrichtung eine Decodiereinrichtung liegt,
die bei einem Zählerstand, der größer als eine vorgegebene Zahl ist, ein Fehlermeldesignal
abgibt.
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Wenn infolge eines Fehlers die Impulsfolge an einem der beiden Ausgänge
des Weggebers ausbleibt, hat das zur Folge, daß die Richtungsdetektoreinheit die
nachgeordnete Vorwärts-/Rückwärts Zähleinrichtung derart steuert, als ob die von
dem Weggeber erfaßte Bewegung ständig um ein Weginkrement pendeln würde, auch wenn
die Bewegung tatsächlich stetig in einer Richtung erfolgt. Bei der erfindungsgemäßen
Wegmeßeinrichtung wird die fehlerhafte Erfassung einer derartigen Pendelbewegung
dadurch erkannt, daß die Richtungsdetektoreinheit einen Richtungswechsel der erfaßten
Bewegung öfter anzeigt, als dies bei dem System überhaupt möglich ist, dessen Bewegung
durch die Wegmeßeinrichtung gemessen wird. Dabei wird durch die Taktimpulsfolge
an dem Rücksetzeingang der Zählvorrichtung eine ständig wiederkehrende Taktzeit
vorgegeben, innerhalb derer maximal eine der vorgebenen Zahl entsprechende Anzahl
von Richtungsänderungen der gemessenen Bewegung möglich ist; überschreitet dagegen
die Anzahl der erfaßten Richtungsänderungen innerhalb einer Taktzeit die vorgegebene
Zahl, so hat dies die Abgabe des Fehlermeldesignals zur Folge.
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Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Wegmeßeinrichtung ergibt
sich bei ihrer Anordnung in einer Antriebsregeleinrichtung, wobei die vorgegebene
Zahl gleich Eins ist und die Frequenz der vorgegebenen Taktimpulsfolge so gewählt
ist, daß sie doppelt so groß ist, wie die Regelgrenzfrequenz der Antriebsregeleinrichtung.
Bei einem Ausfall des Weggebers und dem dadurch verursachten Ausfall der Regelung
des zu regelnden Antriebes läßt sich nämlich mit dem von der erfindungsgemäßen Wegmeßeinrichtung
abgegebenen Fehlermeldesignal eine Bremsung oder Abschaltung des Antriebes einleiten,
bevor dieser, oder bei Verwendung der erfindungsgemäßen Wegmeßeinrichtung in einer
Werkzeugmaschine die Maschine oder das Werkstück durch unkontrollierte Bewegungen
beschädigt werden.
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Die Funktion der erfindungsgemäßen Wegmeßeinrichtung beruht darauf,
daß die tatsächliche Frequenz der Richtungsänderung der von dem Weggeber erfaßten
Bewegung nicht größer sein kann, als der doppelte Wert der Regelungsgrenzfrequenz
der Antriebsregeleinrichtung, weil die Regelungsgrenzfrequenz der maximal möglichen
Frequenz der Veränderung einer zu regelnden Größe entspricht, wobei in jeder Schwingung
zwei Richtungsänderungen bei der Veränderung der zu regelnden Größe stattfinden.
Handelt es sich bei der Antriebsregeleinrichtung um eine durch Abtastimpulse gesteuerte
Regeleinrichtung, so besteht die Taktimpulsfolge zur Steuerung der Zählervorrichtung
in der erfindungsgemäßen Wegmeßeinrichtung aus diesen Abtastimpulsen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wegmeßeinrichtung
ist an dem Richtungssignalausgang der Richtungsdetektoreinheit ein Tiefpaßfilter
angeschlossen, an dessen Ausgang die Signalflankendetektoreinrichtung liegt.
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Als Folge von nicht immer vermeidbaren Rauschsignalen, die sich den
Impulsfolgen an den beiden Ausgängen des Weggebers überlagern, kann es nämlich vorkommen,
daß ein Richtungswechsel der erfaßten Bewegung nicht eindeutig an dem Richtungs-
signalausgang
angezeigt wird, sondern daß statt dessen kurzzeitig mehrere mit hoher Frequenz aufeinanderfolgende
Richtungswechsel angezeigt werden; diese Frequenz ist wesentlich höher als die maximale
Frequenz der tatsächlich möglichen Bewegungsänderungen, wobei das Tiefpaßfilter
diese Frequenzen unterdrückt und so eine irrtümliche Fehlermeldung aufgrund der
Rauschsignale verhindert.
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Zur Erläuterung der Erfindung ist in Figur 1 in einem Blockschaltbild
eine Antriebsregeleinrichtung mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Wegmeßeinrichtung dargestellt; Figur 2 zeigt in einem Diagramm die zeitlichen Verläufe
der in Figur 1 bezeichneten Signale.
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Die in Figur 1 dargestellte Antriebsregeleinrichtung weist einen Antriebsmotor
1 beispielsweise für einen Achsantrieb in einer Werkzeugmaschine auf. Die Motorwelle
2 ist mechanisch mit einem inkremetalen Weggeber 3 verbunden, der Bestandteil einer
Wegmeßeinrichtung 4 ist. Der Weggeber 3 des gezeigten Ausführungsbeispiels weist
einen Markierungsträger 5 in Form einer Drehscheibe auf, auf der zwei Spuren 6 und
7 mit äquidistanten Wegmarken angeordnet sind; die Wegmarken der beiden Spuren 6
und 7 sind jeweils um 90* phasenverschoben angeordnet. Die Bewegung der Wegmarken
wird von einer Sensoreinrichtung 8 für beide Spuren 6 und 7 getrennt erfaßt; dementsprechend
weist die Sensoreinrichtung 8 zwei Ausgänge 9 und 10 zur Abgabe von zwei zueinander
um 90- phasenverschobenen Impuls folgen A und B auf, welche die Informationen über
die Geschwindigkeit und Richtung der von dem Weggeber 3 erfaßten Bewegung x (t)
des Antriebsmotors 1 enthalten.
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Der Sensoreinrichtung 8 ist eine Richtungsdetektoreinheit 11 nachgeordnet,
die aus den von dem Weggeber 3 zugeführten Impuls folgen A und B an einem Zählimpulssignalausgang
12 bei jeder Änderung der von dem Weggeber 3 erfaßten Bewegung um ein Weginkrement
jeweils einen Zählimpuls a X erzeugt; an einem Richtungssignalausgang 13 der Richtungsdetektoreinheit
11 wird ein Richtungssignal RX erzeugt, welches die jeweilige Richtung der erfaßten
Bewegung x (t) angibt.
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Der Richtungsdetektoreinheit 11 der erfindungsgemäßen Wegmeßeinrichtung
4 ist eine Vorwärts-/Rückwärts-Zähleinrichtung 14 nachgeordnet, die einen mit dem
Zählimpulsausgang 12 der Richtungsdetektoreinheit 11 verbundenen Takteingang 15
aufweist und einen Zählrichtungseingang 16 enthält, der mit dem Richtungssignalausgang
13 der Richtungsdetektoreinheit 11 verbunden ist. An dem Zählerausgang 17 der Vorwärts-/Rückwärts-Zähleinrichtung
14 steht der jeweils momentane Zählerstand X zur Verfügung, der dem Weg entspricht,
der bei der von dem Weggeber 3 erfaßten Bewegung x (t) zurückgelegt worden ist;
dementsprechend gibt der Zählerstand X auch die Drehstellung oder Lage der Motorwelle
2 des Antriebsmotors 1 wieder.
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Der Vorwärts-/Rückwarts-Zähleinrichtung 14 der erfindungsgemäßen Wegmeßeinrichtung
4 ist ein Lageregler 18 nachgeordnet, der aus einer nicht dargestellten Taktgebereinrichtung
von einer Taktimpulsfolge T taktgesteuert wird. Der Lageregler 18 erzeugt ausgangsseitig
einen Drehzahlsollwert "Soll für den Antriebsmotor 1. In einem dem Lageregler 18
nachgeschalteten Drehzahlregler 19 wird dieser Drehzahlsollwert n5011 mit einem
von einem nicht dargestellten Tachogenerator erzeugten Drehzahlistwert verglichen
und das Vergleichsergebnis zur direkten Drehzahlsteuerung des Antriebsmotors 1 herangezogen.
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Die erfindungsgemäße Wegmeßeinrichtung 4 mit dem Weggeber 3, der Richtungsdetektoreinheit
11 und der Vorwärts-/Rückwärts-Zähleinrichtung 14 enthält weiterhin ein Tiefpaßfilter
20, das eingangsseitig mit dem Richtungssignalausgang 13 der Richtungsdetektoreinheit
11 verbunden ist. Dem Tiefpaßfilter 20 ist eine Signalflankendetektoreinrichtung
21 nachgeordnet, die allgemein eine Impulsverdopplungseinrichtung darstellt.
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Eine derartige Signalflankendetektoreinrichtung ist z. B. aus der
oben genannten Zeitschrift "Elektronik Applikation", 1982, Nr. 3, Seite 38, Bild
4 bekannt. Der Ausgang 22 der Signalflankendetektoreinrichtung 21 ist mit dem Takteingang
23 einer Zählvorrichtung 24 verbunden, deren Rücksetzeingang 25 mit der Taktimpulsfolge
T aus der nicht dargestellten Taktgeneratoreinrichtung beaufschlagt ist. Der Zählvorrichtung
24 ist eine Decodiereinrichtung 26 nachgeordnet, die ausgangsseitig ein Fehlermeldesignal
F abgibt, sobald der Zählerstand Z am Eingang der Decodiereinrichtung 26 größer
als 1 ist. Der Ausgang 27 der Decodiereinrichtung 26 ist mit einem Antriebsbremseingang
28 des Drehzahlreglers 19 verbunden. Die Decodiereinrichtung 26 kann z. B. ein ODER-Glied
enthalten, dessen Eingänge mit allen Ausgängen der Zählervorrichtung 24, wie z.
13. der in dem Buch Tietze, Schenk: "Halbleiter-Schaltungstechnik, 4. Aufl., 1978
auf Seite 492f beschriebene Dualzähler verbunden sind, die höherwertig als 20 sind.
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Im folgenden soll die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Wegmeßeinrichtung
4 anhand der in Figur 1 bezeichneten Signale und ihrer in Figur 2 dargestellten
zeitlichen Verläufe erläutert werden. Der Signalverlauf x (t) gibt die tatsächliche
von dem Weggeber 3 erfaßte Bewegung der Motorwelle 2 des Antriebsmotors 1 wieder.
In der Darstellung nach Figur 2 unterliegt die Antriebsregeleinrichtung bis zum
Zeitpunkt tF Regelschwankungen, die eine etwa sinusförmige Schwingungsbe-
wegung
der Motorwelle 2 hervorrufen. Die Bewegung x (t) der Motorwelle 2 wird von dem Weggeber
3 erfaßt, der an seinen Ausgängen 9 und 10 die Impulsfolgen A und B erzeugt. Zur
Verdeutlichung dieses Vorganges ist in der Figur 2 neben dem Verlauf der Bewegung
x (t) ein Abschnitt des Markierungsträgers 5 des Weggebers 3 mit den in den Spuren
6 und 7 angeordneten Wegmarken andeutungsweise dargestellt. Die beiden Spuren 6
und 7 werden durch die Sensoreinrichtung 8 entlang der Bewegungsrichtung beobachtet,
wobei die Sensoreinrichtung 8 in jeder Bewegungsposition dann ein Signal an dem
Ausgang 9 erzeugt, wenn in dieser Position eine Wegmarke auf der Spur 6 erfaßt wird;
an dem Ausgang 10 wird dann ein Signal erzeugt, wenn die Sensoreinrichtung 8 auf
der Spur 7 eine Wegmarke erfaßt.
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Die Richtungsdetektoreinheit 11 erzeugt aus den beiden Impulsfolgen
A und B an ihrem Zählimpulsausgang 12 jedesmal dann einen Zählimpuls a X, wenn bei
einer der beiden Impulsfolgen A und B ein Zustandswechsel auftritt, so daß durch
jeden Zählimpuls dLX eine Bewegung der Motorwelle 2 um ein Weginkrement erfaßt wird.
Das Richtungssignal RX an dem Richtungssignalausgang 13 der Richtungsdetektoreinheit
11 gibt dabei die jeweilige Richtung der Bewegung an. Die Zählimpulse i9X werden
in Abhängigkeit von dem Richtungssignal RX in der Vorwärts-/Rückwärts-Zähleinrichtung
14 zu dem jeweils momentanen Zählerstand X hinzugezählt bzw. von diesem abgezogen,
so daß der Zählerstand X ein Maß für die momentane Position der Motorwelle 2 ist.
Der Zählerstand X wird als Positionsistwert zur Regelung des Antriebsmotors 1 herangezogen.
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Die Signalflankendetektoreinrichtung 21 erzeugt an ihrem Ausgang 22
jedesmal dann einen Zählimpuls I, wenn eine Zustandsänderung des Richtungssignales
RX auftritt; mit jedem Zähl-
impuls I stellt die Wegmeßeinrichtung
4 also einen Richtungswechsel der von dem Weggeber 3 erfaßten Bewegung x (t) fest.
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Da der Lageregler 18 und damit auch die gesamte in Figur 1 dargestellte
Antriebsregeleinrichtung durch die Taktimpulsfolge T abtastgesteuert ist, kann die
Antriebsregeleinrichtung maximal einen Richtungswechsel der Bewegung x (t) zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Taktimpulsen T erfassen. Diese Richtungswechsel, die durch
jeden Zählimpuls I angezeigt werden, werden in der Zählvorrichtung 24 jeweils für
die Dauer zwischen zwei Taktimpulsen T gezählt, wobei mit jedem Taktimpuls T die
Zählvorrichtung 24 wieder zurückgesetzt wird.
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Die Detektoreinrichtung 26 am Ausgang der Zählvorrichtung 24 gibt
ein Fehlermeldesignal F ab, sobald mehr als eine Richtungsänderung zwischen zwei
Takt impulsen T stattgefunden haben. Anstelle des gezeigten Signalverlaufes des
Fehlermeldesignales F kann mit Hilfe eines Flip-Flops unmittelbar nach der Fehlererfassung
auch ein Dauersignal zur Fehlermeldung erzeugt werden.
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Als Beispiel für eine Störung des Weggebers 3 ist in der Figur 2 zum
Zeitpunkt tF ein Ausfall der Impulsfolge B dargestellt. Das hat zur Folge? daß bei
jedem Zustandswechsel der Impulsfolge A sowohl ein Zählimpuls aX erzeugt wird, als
auch eine Zustandsänderung des Richtungssignales RX hervorgerufen wird. In der Vorwärts-/Rückwärts-Zähleinrichtung
14 wird daher von dem Zeitpunkt tF an der momentane Zählerstand X fortlaufend um
eine dem Weginkrement entsprechende Zähleinheit abwechselnd erhöht und erniedrigt,
so daß der Zählerstand X nicht mehr der tatsächlichen Bewegung x (t) folgt. Der
dem Ausgang der Vorwärts-/Rückwärts-Zähleinrichtung 14 nachgeordnete Lageregler
18 wertet den wechselnden Zählerstand X als eine Pendelbewegung des Antriebsmotors
1. Dies hat einen Ausfall der Regelung des Antriebsmotors 1 zur Folge, so daß die
Position der Motorwelle 2 als Folge einer ungeregelten Bewegung x (t) beschleunigt
von der gewünschten Sollposition
abweicht. Die beschleunigte ungeregelte
Bewegung x (t) bewirkt daher schon nach kurzer Zeit, daß das Richtungssignal RX
seinen Zustand während zweier aufeinanderfolgender Taktimpulse T mehr als einmal
ändert, so daß in der oben beschriebenen Weise die Abgabe eines Fehlermeldesignales
F zur Bremsung oder Abschaltung des Antriebsmotors 1 erfolgt.
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Die erfindungsgemäße Wegmeßeinrichtung ermöglicht eine sichere Funktionsüberwachung
des in ihr angeordneten Weggebers. Die Erfassung der Bewegung durch die Sensoreneinrichtung
und die Wegmarken auf dem Markierungsträger des Weggebers kann sowohl auf optischem
Wege als auch auf elektrische (z. B. induktive) Weise erfolgen.
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3 Ansprüche 2 Figuren