DE4209308A1 - Verfahren zum synchronisieren der drehung einer maschinenwelle mit mindestens einem arbeitsgang der maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Synchronisieren der Drehung einer Maschinenwelle mit mindestens einem Arbeitsgang der Maschine, bei dem von einem an der Welle angekuppelten Winkelcodierer gleichförmig getrennte, von der Welle durchlaufene Winkellagen als digitale, Gray-codierte Positions­ werte einem Prozessor zugeführt werden.

In dem "Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung" von K. Steinbuch, heraus­ gegeben im Springer-Verlag, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1962, sind im Ab- Schnitt 5: "Ein- und Ausgabevorrichtungen" Analog/Digital-Umsetzer für geo­ metrische Größen (Drehwinkel und Längen) angegeben, unter denen sich für ei­ ne direkte absolute Positionsmessung Winkelcodierer befinden, die eine gera­ de von einer Welle durchlaufene Winkellage als Positionswert im Graycode auslesen. Bei einer Benutzung eines solchen Codes wird mit dem Übergang in die nächste Winkellage immer nur eine Ziffer verändert. Vor einer weiteren Auswertung ist in der Regel eine Umwandlung in einen anderen Code, z. B. dem Dualcode, notwendig. (Vergleiche insbesondere die Seiten 760 bis 762 des genannten Taschenbuches).

Ferner ist ein Verfahren bekannt, bei dem von einem Winkelcodierer auf z. B. zehn parallelen Leitungen eine Winkellage der Maschinenwelle nach der ande­ ren als Positionswerte im Graycode unmittelbar einem Prozessor zugeleitet werden, der für eine Steuerung und zeitliche Abstimmung der von ihm auszu­ führenden Rechenoperation einen Taktgeber enthält. Von diesem Taktgeber wird die Zeitspanne einer Periode oder eines Zyklus festgelegt, die auch Zyklus­ zeit genannt wird. Der Übergang von einer Winkellage zur nächsten bewirkt eine Änderung der vom Winkelcodierer ausgegebenen Binärzahl, die in die zu­ vor bezeichnete Zykluszeit hineinfällt. Diese Änderung wird vom Prozessor in der Weise ausgewertet, daß er nach einer im wesentlichen konstanten Re­ chenzeit durch einen Ausgangstreiber ein Signal erzeugt, das zu einem zu betätigenden Maschinenteil geführt wird. Infolge des Einschaltimpul­ ses wird dieser Maschinenteil zur Ausführung der ihm obliegenden Aufgaben in Gang gesetzt. Wie man erkennt, kann die vom Winkelcodierer ausgegebene Änderung der Binärzahl zu Beginn, in der Mitte oder am Ende der Zykluszeit des den Prozessor steuernden Taktgebers liegen.

Bei diesem bekannten Verfahren mangelt es folglich an einer Synchronisierung zwischen der Signalgabe des Winkelcodierers und der Takte des im Prozessor enthaltenen Zeitgebers.

Aus der europäischen Patentanmeldung Nr. 02 15 252 ist ein "elektronisches Nockenschaltwerk" bekannt, das, exakt ausgedrückt, ein elektronischer Simu­ lator eines elektromechanischen Nockenschaltwerkes ist. Bei diesem "elektro­ nischen Nockenschaltwerk" wird der jeweils von einem Absolutwertgeber gelie­ ferte Positionswert innerhalb eines Umsetzers zu einem Adressen-Dualcode um­ gewandelt, der einerseits der Adressierung eines Speichers mit willkürlichem Zugriff dient und andererseits in ein Steuerwerk gelangt, das durch eine Steuerleitung und Datensammelleitungen mit dem Hauptabschnitt des Speichers verbunden ist. Über die Steuerleitung wird der Hauptabschnitt zum Einschrei­ ben oder Auslesen von Kennsignalen angewiesen. Beim Einschreiben werden längs z. B. zehn Spuren, die jeweils zehn Nockenbahnen eines elektromechani­ schen Nockenschaltwerkes entsprechen würden, die Kennsignale 1 bzw. 0 abge­ speichert. Beim Auslesen werden bei der gerade von dem abgefühlten Positions­ wert festgelegten Adresse aus allen zehn Spuren die abgespeicherten Kennsi­ gnale 1 oder 0 zu einer Verarbeitungseinheit hin ausgegeben.

In der zuvor genannten Druckschrift werden drei unterschiedliche Möglichkei­ ten für die Belegung der Spuren in ihrer Länge aufgezeigt. Im ersten Fall sind längs der jeweiligen Spur abwechselnd mehrere aufeinanderfolgende Kenn­ signale 0 und mehrere aufeinanderfolgende Kennsignale 1 abgespeichert. Beim Übergang von den Kennsignalen 0 - z. B. bei den Adressen 0 bis 2 - zu den Kennsignalen 1 - z. B. bei den Adressen 3 bis 10 - empfängt die Verarbei­ tungseinheit im Augenblick des Eingangs der Adresse 3 einen Signalübergang von einem tiefen Niveau zu einem hohen Niveau. Dieses hohe Niveau bleibt bis zu dem Augenblick des Einganges der Adresse 11 erhalten, in dem ein Signal­ übergang zurück auf das tiefe Niveau erfolgt. Da jedoch eine Vielzahl Spu­ ren der Reihe nach bearbeitet werden muß und die Taktfrequenz begrenzt ist, wird mit steigender Drehzahl die Auflösung so stark begrenzt, daß sie für gewisse Anwendungen unzureichend erscheint, obgleich bei der zuvor wieder­ gegebenen Funktionsweise unbestimmt bleibt, inwieweit der im Steuerwerk ent­ haltene Taktgeber an der Ausgabe der Kennsignale beteiligt ist. - Im zweiten Fall wird die Funktion der aufeinanderfolgenden Kennsignale 1 durch ein ver­ stellbares Zeitglied übernommen. Auf diese Weise können die acht aufeinan­ derfolgenden Kennsignale in der jeweiligen Spur durch ein einziges ersetzt werden, von dem das Zeitglied ausgelöst wird. Im dritten Fall ist längs der Spur bei der jeweiligen Adresse ein doppeltes Kennsignal 00, 01 oder 10 abgespeichert. Um diese doppelten Kennsignale bearbeiten zu können, sind zwischen dem Speicher und der Verarbeitungseinheit ein elektronischer Schal­ ter und ein Auslöse-Flipflop vorgesehen, das von Taktsignalen aus dem Steu­ erwerk beaufschlagt wird, das einen Taktgeber enthält.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem die Taktgabe für die Funktionen des die Maschine steuernden Prozessors un­ mittelbar aus den von dem Winkelcodierer abgegebenen Positionswerten abge­ leitet wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zugleich ein aus je­ dem Gray-codierten Positionswert abgeleitetes Paritätsbit in Form eines Na­ delimpulses dem Prozessor zugeleitet wird, der, durch den Nadelimpuls ausge­ löst, unter den zugeführten Positionswerten eine Auswahl trifft und der je­ weils ausgewählte Positionswert nach einer Umwandlung in ein Schaltsignal zur Einleitung bzw. Beendigung des Arbeitsganges der Maschine ausgibt.

In Weiterbildung der Erfindung kann vom Prozessor aus der Folge der ihm zu­ geleiteten Nadelimpulse eine Zeitspanne ermittelt werden, um die zur Kompen­ sation der Totzeit des zu betätigenden Maschinenteiles die Ausgabe des Schaltsignals vorgezogen wird.

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann von einer Schaltungsanordnung durch­ geführt werden, bei der parallel zur Verbindung zwischen dem Winkelcodierer und dem Prozessor eine Reihenschaltung aus einem Paritätsbit-Generator und einem Nadelimpulsbildner angeschlossen ist.

Mittels des Verfahrens bzw. der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung läßt sich die Schaltgenauigkeit in den Bereich von 10 µsec bringen, was gegen­ über dem bisherigen Standard eine Vergrößerung um den Faktor 100 bedeutet.

Ein Ausführungsbeispiel für das Verfahren bzw. die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung sei in Verbindung mit der Zeichnung im folgenden ausführlich erläutert. In der einzigen Figur ist ein Blockschaltbild für die Schaltungs­ anordnung gezeigt, mit deren Hilfe das Verfahren gemäß der Erfindung durch­ geführt wird.

Wie man aus der einzigen Figur erkennt, treibt eine Maschine 10 eine Haupt­ welle 12 an, mit der ein Absolutwertgeber, vorzugsweise ein Winkelcodierer 14, fest verbunden ist. Dieser Winkelcodierer 14 gibt beim Umlauf der Haupt­ welle 12 ihre im Augenblick erreichte Winkelposition in Form einer Binärzahl auf zehn parallelen Leitungen an einen Prozessor 16 aus, welcher aus der Folge der als Binärzahlen eingehenden Positionswerte wenige Positions­ werte z. B durch Vergleichen mit in dem Prozessor 16 gespeicherten Positi­ onswerten auswählt und diese in Schaltsignale umwandelt, die über eine ein­ zige Leitung 17a, . . . 17n zu einem zu der Maschine 10 gehörenden Ventil 18a, . . . 18n zu dessen Betätigung zugeführt werden.

Innerhalb des den Prozessor 16 wiedergebenden Blockes ist eine Tabelle 20 dargestellt, in der gezeigt ist, daß das Ventil 18 bis zu der Position 99° und von der Position 201° ab ausgeschaltet und zwischen den Positionen 100° und 200° eingeschaltet werden soll. Für eine Eingabe von 360 Winkelpositionen durch Binärzahlen würden neun parallele Leitungen ausreichend sein; doch werden im vorliegenden Beispiel zehn Leitungen verwendet, damit für eine fei­ nere Unterteilung je Umdrehung der Hauptwelle 12 tausend Positionswerte in den Prozessor 16 gelangen.

Zwischen dem Eintreffen der einen Positionswert angebenden Binärzahl und der Ausgabe des Schaltsignals zum Ventil 18 hin benötigt der Prozessor 16 eine gewisse Zeitspanne zur Durchführung seiner Operationen, die daher als "Re­ chenzeit" bezeichnet wird und aus der Erfahrung heraus in allen Fällen als konstant angenommen werden kann. Unter dieser Voraussetzung ist, in weiterem Sinne gesehen, die Zeitspanne zwischen der Änderung eines von der Hauptwelle der Maschine abgegriffenen Positionswertes und der Änderung des einen Ar­ beitsgang der Maschine einleitenden oder beendigenden Schaltsignals sehr konstant.

Nunmehr sei auf die wesentlichen Merkmale des Verfahrens bzw. der Schal­ tungsanordnung gemäß der Erfindung eingegangen.

Die zehn parallelen, an dem Winkelcodierer 14 angeschlossenen Leitungen sind zu einem Paritätsbit-Generator 22 hin abgezweigt, der als Schaltelement Nr. 74AS286 im Handel erhältlich ist und aus der den Winkelcodierer 14 verlas­ senden, einen Positionswert angebenden Binärzahl ein Paritätsbit bildet. Dieses Paritätsbit ist ein Rechteckimpuls, der in einer einzigen Leitung zu einem Nadelimpulsbildner 24 gelangt, der durch Differenzierung der Flanken des Rechteckimpulses einen Nadelimpuls erzeugt. Dieser Nadelimpuls wird auf einer einzigen Leitung einem weiteren Eingang des Prozessors 16 zu­ geführt.

Arbeitsweise

Die Hauptwelle 12 der Maschine 10 kann bei einer beliebigen Drehzahl umlau­ fen. Der mit der Hauptwelle 12 gekuppelte Winkelcodierer 14 gibt den Wert der gerade von der Hauptwelle 12 erreichten Winkellage, der als Positions­ wert bezeichnet wird, in Form einer 10stelligen, Gray-codierten Binärzahl auf den zehn Leitungen direkt sowohl an den Prozessor 16 als auch an den Paritätsbit-Generator 22 aus. Der Gray-Code zeichnet sich dadurch aus, daß sich beim Übergang von einem Positionswert zum nächsten immer nur eine Zif­ fer der 10stelligen Binärzahl verändert. Durch diese Veränderung wird der die Querparität bildende Paritätsbit-Generator 22 veranlaßt, einen einzigen Rechteckimpuls auf der einzelnen Leitung an den Nadelimpulsbildner 24 aus­ zugeben, der durch Differenzieren der Flanken des eingehenden Recht­ eckimpulses einen Nadelimpuls hervorbringt, der auf der einzelnen Leitung zu dem weiteren Eingang des Prozessors 16 geleitet wird. Da die vom Winkel­ codierer 14 ausgegebenen Positionswerte sich entsprechend der Istdrehzahl der Hauptwelle 12 verändern, treten die Nadelimpulse in einer Folge in den Prozessor 16 ein, die ebenfalls der Istdrehzahl entspricht. Sie werden vom Prozessor 16 als Taktsignale zur Auslösung seiner Funktionen benutzt, die folglich exakt mit der Drehung der Hauptwelle 12 unabhängig von der tatsäch­ lichen Drehzahl synchronisiert sind. Unter den dem Prozessor 16 direkt im Gray-Code zugeführten Positionswerten erfolgt eine Auswahl, und der ausge­ wählte Positionswert wird in ein Schaltsignal umgewandelt, von dem ein Ar­ beitsgang der Maschine eingeleitet bzw. beendet, also beispielsweise das Ventil 18 geöffnet bzw. geschlossen wird.

Obgleich im vorliegenden Ausführungsbeispiel je Umdrehung der Hauptwelle 12 entweder in Übereinstimmung mit der üblichen Gradeinteilung nur 360 Winkel­ positionen oder auch 1000 Winkelpositionen vorgesehen sind, können für eine höhere Schaltgenauigkeit weit mehr Positionswerte je Umdrehung der Haupt­ welle 12 angewendet werden. Dies hat natürlich zur Folge, daß die Stellen­ zahl der vom Winkelcodierer 14 auszugebenden Binärzahlen und damit die Schaltungsanordnung vergrößert werden, soweit diese die Positionswerte bear­ beitet.

Wie eine weitere Tabelle 21 des Prozessors 16 zeigt, können auch Totzeiten der zu betätigenden Maschinenteile abgespeichert werden. Dies sind Zeitspan­ nen, die an dem jeweiligen Ventil 18a, . . . 18n zwischen dem Eintreffen des Schaltsignals und dem Ingangkommen seines Arbeitsganges, z. B. seines Schließvorganges, verstreichen. Da diese Totzeit für jedes Ventil unter­ schiedlich ist, kann sie leicht ermittelt und bei der Ausgabe des betreffen­ den Schaltsignals vom Prozessor 16 in der Weise berücksichtigt werden, daß der Beginn des Schaltsignals um diese Totzeit vorverlegt wird. Eine solche Maßnahme wird als "dynamische Totzeitkompensation" bezeichnet, die von dem Prozessor 16 mit Hilfe der ihm zugeführten Folge der Nadelimpulse durchge­ führt wird.

Claims (4)

1. Verfahren zum Synchronisieren der Drehung einer Maschinenwelle mit min­ destens einem Arbeitsgang der Maschine, bei dem von einem an der Welle ange­ kuppelten Winkelcodierer gleichförmig getrennte, von der Welle durchlaufene Winkel lagen als digitale, Gray-codierte Positionswerte einem Prozessor zuge­ führt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zugleich ein aus jedem Gray-co­ dierten Positionswert abgeleitetes Paritätsbit in Form eines Nadelimpulses dem Prozessor zugeleitet wird, der, durch den Nadelimpuls ausgelöst, unter den zugeführten Positionswerten eine Auswahl trifft und den jeweils ausge­ wählten Positionswert nach einer Umwandlung in ein Schaltsignal zur Einlei­ tung bzw. Beendigung des Arbeitsganges der Maschine ausgibt.

2. Verfahren gemäß dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vom Prozes­ sor aus der Folge der ihm zugeleiteten Nadelimpulse eine Zeitspanne ermit­ telt wird, um die zur Kompensation der Totzeit des zu betätigenden Maschi­ nenteiles die Ausgabe des Schaltsignals vorgezogen wird.

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Verbindung zwischen dem Winkelcodierer (24) und dem Prozessor (16) eine Reihenschaltung aus einem Paritätsbit-Generator (22) und einem Impulsbildner (24) angeschlossen ist.

4. Schaltungsanordnung gemäß 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor (16) ein Rechenwerk und zumindest einen Speicher (20, 21) enthält.