DE4239157C2 - Vorrichtung zur Erzeugung einer drehzahlproportionalen Impulsfolge an einem rotierenden Zahnrad - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer dreh­ zahlproportionalen Impulsfolge an einem rotierenden Zahnrad gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Bei einer Vielzahl von Maschinen und Anlagen, insbesondere Rotati­ onsdruckmaschinen, ist es nötig, daß verschiedene Schaltvorgänge in Abhängigkeit der Drehzahl und/oder der Maschinenstellung (Dreh­ winkel) geschaltet werden. Als Beispiele aus dem Bereich der Rotationsdruckmaschinen sei hier das folgerichtige An- und Ab­ schalten der Druckwerkswalzen, das Freigeben bzw. Sperren des Bogenlaufes sowie das Überwachen des Bogenlaufes mittels Sensoren genannt. Derartige Maschinen sind demzufolge mit Drehzahl- bzw. Drehwinkelgebern ausgestattet. Diese Drehwinkel- bzw. Drehzahlgeber sind meist stirnseitig an einer sogenannten Eintourenwelle der Druckmaschine angeordnet und mit deren Steuerung verbunden.

Die am weitest verbreiteten Drehwinkelgeber weisen eine sogenannte Codierscheibe auf, welche durch ein oder mehrere elektrooptische Sensoren abgetastet wird und demzufolge in einer oder mehreren Spuren lichtdurchlässige/lichtundurchlässige bzw. reflektierende/nicht reflektierende Bereiche aufweist. Die Häufigkeit des Auftretens bestimmter Impulse ist somit ein direktes Maß für die Drehzahl. Die logische Verknüpfung der Abtastsignale von mehreren Spuren ergibt eine Möglichkeit die Winkelstellung der Codierscheibe und somit der Maschine in digitaler Form bereitzustellen. In einfachster Weise ist eine Drehwinkelinformation dadurch herleitbar, daß drehzahlproportionale Impulse in einem Inkrementalzähler gezählt werden, an dessen Ausgang sodann die Drehwinkelstellung entnehmbar ist.

Nachteilig bei den gemäß oben kurz umrissenen Wirkprinzip arbei­ tenden Drehzahl- bzw. Drehwinkelgebern ist, daß diese in der Regel stirnseitig an einer eintourig laufenden Welle der Maschine anzu­ bringen sind und bei einer erforderlichen hohen Auflösung sehr teuer sind. Häufig wird lediglich bei Service und Diagnosearbeiten von Maschinen, insbesondere Druckmaschinen, ein hoch aufgelöstes Signal eines Drehzahl- bzw. Drehwinkelgebers benötigt, um bei­ spielsweise Zahnradfehler oder ähnliche Störungsmöglichkeiten feststellen zu können. Bei derartigen Maschinen, welche von sich aus keinen Drehwinkelgeber aufweisen, muß demzufolge die Möglich­ keit gegeben sein, einen solchen nachträglich für eben solche Arbeiten anbringen zu können. Dies ist aber oftmals nicht der Fall.

Aus der EP 0 363 512 B1 ist es bekannt, die Drehzahl eines rotie­ renden Zahnrades mittels zweier gleichartiger, fest angebrachter und magnetisch vorgespannter Hallsensoren zu erfassen. Das Grund­ prinzip dieser bekannten Anordnung ist dabei, daß die magnetischen Feldlinien aufgrund der Rotation des Zahnrades zwischen dem Zahn­ radkörper und den Polflächen der Sensoren periodisch sich ändernde Luftspaltwege zu überwinden haben. Es ergibt sich somit eine periodische Änderung des magnetischen Widerstandes, der durch die Hallsensoren erfaßt wird. Wird einem derartigen Drehzahlgeber ein Inkrementalzähler nachgeordnet, so ergibt sich ein Drehwinkelgeber, der in einfacher Weise an einem an einer Maschine befindlichen Zahnrad aufgebaut werden kann.

Diese vorbekannte Anordnung sieht zwar mehr als eine dem Zahnrad gegenüber fest angeordnete und von den magnetischen Kraftlinien zu durchdringende Polfläche vor, deren Mittenabstand etwa der Hälfte der Zahnteilung entspricht, jedoch dient diese Maßnahme nebst der entsprechend vorgesehenen Beschaltung lediglich dazu, ein höheres Nutz-Stör-Signalverhältnis sowohl hinsichtlich innerer als auch äußerer Störungen zu erzielen. Der Nachteil dieser Anordnung ist somit, daß die Zahl der Drehzahlimpulse pro Umdrehung durch die Zahl der Zähne des Zahnrades begrenzt ist. Bei der Anwendung dieser Anordnung als ein Drehwinkelgeber nebst Inkrementalzähler ergibt sich somit ebenfalls eine Begrenzung der Drehwinkelauflösung.

Eine im wesentlichen gleiche, ebenfalls zwei Magnet-Sensoren ver­ wendende Vorrichtung ist aus der JP 2-208569 A bekannt. Aus der DE 31 45 162 A1 ist es bekannt, zur Drehzahlerfassung beispielsweise drei Sensoren um ein Zahnrad herum anzuordnen. Die beschriebene Anordnung dient der Erhöhung der Ausfallsicherheit der Sensorik und es ist ferner beschrieben, daß in den meisten Anwendungsfällen auch zwei Sensoren ausreichend sind.

Aus der JP 59-17163 A ist ein mit einer Zahnscheibe zusammenwirken­ der kammartiger Rückschluß bekannt. Die an den Zinken angeformten Flächen weisen hier die gleiche Teilung wie die Zahnscheibe auf.

Aus der DE 34 10 097 A1 ist eine Weg- bzw. Geschwindigkeitsmeßvorrichtung bekannt, welche zur Messung der Drehzahl einer sich langsam drehenden Welle mit einem darauf angebrachten Zahnrad dient. Die Zähne des Zahnrades weisen untereinander einen vorgegebenen Abstand auf, wobei den Zähnen Polkörper gegenüberliegend angeordnet sind, die untereinander einen zu dem Abstand der Zähne unterschiedlichen Abstand aufweisen. Das Auflösungsvermögen dieser Meßanordnung ist somit bedingt durch die Differenz der Abstände der Polkörper einerseits und der Abstände der Zähne des Zahnrades andererseits.

Aus der DE 30 45 819 C2 ist ein induktiver Drehzahl-/Drehrichtungsgeber bekannt. Dieser arbeitet nach dem Prinzip eines Wechselspannungs-Generators mit n-phasiger Stern-Statorwicklung. Dabei entstehen n-Phasenspannungen, welche passiv integriert werden. In einer nachgeschalteten elektronischen Auswerteeinrichtung werden diese integrierten Phasenspannungen gleichgerichtet, verstärkt und über einen Bandpaß einem die Nullstellen dieser Phase ermittelnden Trigger zugeleitet, dessen Ausgang auf ein allen Auswerteeinrichtungen erster Art gemeinsames Oder-Glied zugeführt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 derartig zu erweitern, so daß an einem in einer Maschine vorhandenen Zahnrad ein Drehzahl- bzw. Drehwinkelgeber aufgebaut werden kann, welcher eine Drehzahlauf­ lösung aufweist, die größer ist als durch die Zahl der Zähne des Zahnrades bedingt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß mit einfachen Mitteln an einem an einer Maschine vorhandenen Zahnrad ein Drehzahl- bzw. Drehwinkelgeber appliziert werden kann, der bei einer hohen Meßge­ nauigkeit eine höhere Auflösung aufweist, als durch die Zahl der Zähne des Zahnrades gegeben ist.

Durch die vorgesehene Maßnahme, mehrere Sensoren zur Durch­ dringung der magnetischen Kraftlinie dem Zahnrad gegenüberzu­ stellen, wobei diese Sensoren eine bestimmte, sich aus der Teilung des Zahnrades ergebende Winkelbeabstandung zueinander aufweisen, ergibt sich nicht nur eine höhere Auflösung bezüglich- der Zähne­ zahl, sondern insbesondere erhält man wegen der Meßwertgewinnung an mehreren Stellen auch eine größere Unempfindlichkeit der Sensorik gegenüber Störgrößen. Eine spezielle, noch weiter unten genauer erläuterte Art der Auswertung der Einzelsignale trägt hierzu durch die Bildung eines "gleitenden Mittelwertes" ebenfalls bei. Wegen des vorgesehenen Wirkprinzips der Sensorik kann im Bereich der Zähne des Zahnrades befindlicher Schmierstoff auch bei ungleichmäßiger Verteilung die Messung nicht beeinflussen.

Gleiches gilt für Geometriefehler der Einzelzähne sowie die Ab­ stände der Sensoren gegenüber den Zahnkörpern.

Die Sensoren können den Zahnköpfen des Zahnrades entweder radial zugeordnet, d. h. mit einem Luftspalt gegenüber dem Kopfkreis des Zahnrades angeordnet sein. Ebenfalls können die Sensoren an einer Seitenflanke des Zahnrades selbst und dort im Bereich der Zahnkör­ per/Zahnlücken mit einem Luftspalt gegenüber den seitlichen Flanken der Zähne angeordnet sein (axiale Anordnung).

Es ist vorgesehen, am Umfang des Zahnrades radial oder axial eine Anzahl einzelner Sensoren anzuordnen, die jeweils zum Kopfkreis des Zahnrades bzw. zu den stirnseitigen Seitenflanken der Zähne des Zahnrades einen Luftspalt kleinen Ausmaßes bilden und in einer vom Teilungswinkel des Zahnrades unterschiedlichen Winkelbeabstandung zueinander angeordnet sind. Bei den Sensoren kann es sich um gleichartige, magnetisch vorgespannte (Permanentmagnet) Hall-Sensoren handeln oder um sogenannte Magnetfeldplatten-Sensoren. Die Anforderung an die Sensorik ist hierbei jeweils, daß der Luftspalthub zwischen Kopf- und Fußkreis des Zahnrades (radiale Anordnung der Polflächen) eine derartig große Veränderung im Ausgangssignal des Sensors verursacht, daß eine unter dem Sensor vorbeilaufende Zahnflanke sicher erkennbar ist.

Es ist insbesondere und vorteilhafterweise möglich, die Sensorik auf einem Substrat beispielsweise in Dick­ schichttechnik aufzubringen und auf diesem Substrat zusätzlich noch Verstärkungs- und Aufbereitungselektronik vorzusehen.

Des weiteren erfolgt die Erläuterung von Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung anhand der Zeichnungen. Es zeigt:

Fig. 1 die Meßanordnung mit mehreren Sensoren an einem Zahnrad,

Fig. 2 und 3 den Winkelversatz der einzelnen Sensoren in Abhängigkeit der Teilung des Zahnrades,

Fig. 4a-4c Blockschaltbilder zur Auswertung der Signale der Sensoren gemäß Fig. 1,

Fig. 5 die Signalverknüpfung der Sensorsignale gemäß den Fig. 4a-4c in Form einer Tabelle,

Fig. 1 zeigt einen Teil des Außenumfanges eines Zahnrades ZR mit den Zähnen Z sowie den dazwischen befindlichen Zahnlücken ZL. Entsprechend der Gesamtzahl der um den Außenumfang des Zahnrades ZR angeordneten Zähne Z sind diese somit um den Teilungswinkel TZ voneinander beabstandet. Gleiches gilt dementsprechend für die Zahnlücken ZL. Für den Teilungswinkel TZ gilt somit:

TZ = 360°/Gesamtzahl der Zähne
TZ = 2π/Gesamtzahl der Zähne

Um den Außenumfang des Zahnrades Z (hier des Kopfkreises) sind in diesem Ausführungsbeispiel insgesamt 10 Sensoren S1 bis S10 derar­ tig angeordnet, daß diese jeweils zu den Köpfen der Zähne Z einen Luftspalt der Größe L einnehmen. Diese Sensoren von S1 bis S10 sind in einem Winkelversatz TS zueinander angeordnet, der sich bei einer allgemeinen Zahl von N Sensoren S1 bis SN wie folgt ergibt:

TS = ((N-1)/n)·TZ.

Bei insgesamt 10 vorgesehenen Sensoren S1 bis S10 gemäß dem Aus­ führungsbeispiel von Fig 1 sind die Sensoren S1 bis S10 somit jeweils um einen Winkelversatz TS = (9/10)·TZ voneinander beab­ standet. In Fig. 2 ist die Beabstandung der Sensoren S1 bis S10 noch einmal in vereinfachter linearer Darstellung wiedergegeben.

In Fig. 3 ist wiedergegeben, daß die gesamte Ausdehnung der Sen­ soren S1 bis S10 in ihrer Beabstandung noch kompakter zusammenge­ faßt werden kann. In dieser Fig. ist dargestellt, daß der Abstand zwischen dem Sensor S1 und dem Sensor S6 nicht das 5-fache des gemäß obiger Formel vorgesehenen Winkelversatzes TS betragen muß, sondern dieser Winkelversatz TS kann auch um ein ganzzahliges Vielfaches des Teilungswinkels TZ verringert werden (modulo TZ). Dadurch ergibt sich eine kompakte Anordnung dahingehend, so daß der Sensor S6 zwischen den Sensoren S1 und S2, der Sensor S7 zwischen den Sensoren S2 und S3 usw. angeordnet werden kann. Die gesamte Meßanordnung umfaßt somit nur etwas mehr als die Hälfte der Aus­ dehnung wie in Fig. 2 dargestellt. Bei einer derartig kompakten Zusammenfassung der Sensoren S1, S2, . . . ist insbesondere eine Anordnung mit einem Substrat möglich.

Bei den Sensoren S1 bis S10 in diesem Ausführungsbeispiel (Fig. 1) handelt es sich beispielsweise um mittels eines Permanentmagneten fest vorgespannte Hall-Sensoren bzw. um sogenannte Magnetfeld­ platten-Sensoren.

Ein in dieser Ausgestaltung der Erfindung zur Verwendung kommender Hall-Sensor umfaßt beispielsweise nicht nur einen Permanentmagneten zur Erzeugung eines Magnetfeldes, dessen Feldlinien teilweise das Zahnrad durchdringen, sondern ist auch ferner mit einer hier nicht näher dargestellten Versorgungs- und Auswertelektronik verbunden, welche insbesondere dazu dient, die an dem Hall-Plättchen abgreif­ bare Hall-Spannung zu verstärken und aufzubereiten (vorgegebener Spannungshub).

Entsprechend ihrem Aufbau bzw. dem Wirkprinzip der Sensoren S1 bis S10 liefert jeder dieser Sensoren bei der Drehung des Zahnrades ZR (Fig. 1) ein durch die Form der Zähne Z sowie die Zahnlücken ZL einerseits und durch die entsprechende Sensor-Kennlinie anderer­ seits bestimmtes Ausgangssignal. Der in Fig. 1 dargestellte Luft­ spalt L ändert sich somit für jeden der Sensoren S1 bis S10 zwi­ schen einem minimalen und einem maximalen Wert, wenn das Zahnrad ZR in der Drehrichtung des Pfeiles bewegt wird.

Zur Erläuterung des Wirkprinzips in dieser Ausführungsvariante der Erfindung kann angenommen werden, daß die Sensoren S1 bis S10 infolge der Drehung des Zahnrades ZR sinus- oder trapezförmige Ausgangssignale liefern. Wegen des erfindungsgemäß vorgesehenen Winkelversatzes der einzelnen Sensoren S1 bis S10 zueinander erfaßt jeder dieser Sensoren die Zähne Z an einer anderen Stelle. Ist das Zahnrad ZR, beispielsweise wie in Fig. 2 widergegeben, derartig positioniert, daß das Zentrum von S1 genau an einer Zahnflanke liegt, so liegt das Zentrum von Sensor S6 ebenfalls an einer Zahnflanke, die Zentren der Sensoren S2 bis S5 jeweils an ver­ schiedenen Stellen des Kopfes eines Zahnes Z und die Sensoren S7 bis S10 tasten jeweils eine Zahnlücke ZL an verschiedenen Stellen. Das in Drehung befindliche Zahnrad ZR liefert somit insgesamt 10 zueinander phasenversetzte Einzelsignale der Sensoren S1 bis S10, wobei sich der Phasenversatz dieser Ausgangssignale aus der oben genannten Formel für den Winkelversatz TS ergibt.

Die Fig. 4a), b), c) zeigen schematisch drei Möglichkeiten zur Signalauswertung der Sensoren S1 bis S10 gemäß Fig. 1. Mit A1 bis A10 sind die Ausgangssignale der Sensoren S1 bis S10 gekennzeich­ net, die einer Signalverknüpfung SV eingangsseitig zugeleitet werden. Die Signalverknüpfung SV führt im wesentlichen eine lo­ gische Verknüpfung der steigenden bzw. fallenden Flanken der Ausgangssignale A1 bis A10 durch. In Fig. 5 ist in Form einer Tabelle diese Verknüpfung der Ausgangssignale A1 bis A10 wiederge­ geben. Diese Tabelle zeigt, wie aus den Ausgangssignalen A1-A10 die Signale E1-E10 für die Weiterverarbeitung gemäß den Varianten in den Fig. 4a) b), c) gebildet werden. Die Lesart dieser "Formeln" soll dabei nicht streng mathematisch sondern symbolisch sein. Demgemäß soll das Signal E1 an dem Ausgang eines (nicht darge­ stellten) Komparators zu entnehmen sein, wobei eingangsseitig an diesem Komparator zum einen die Summe der Signale A9, A10, A1, A2 und A3 anliegt und am anderen Eingang die Summe der Signale A8 A7, A6, A5, A4 angelegt wird. Entsprechend dieser Lesart werden die Signale E2-E10 gebildet. Die Signalverknüpfung SV besteht demzu­ folge aus einer Anzahl von Addierern und Komparatoren.

Ein wesentlicher Vorteil der hier beschriebenen Art der Auswertung der analogen Ausgangssignale A1, . . . , A10 ist, daß durch die Bildung eines "gleitenden Mittelwertes" kleinere Geometriefehler der Einzelzähne ausgeglichen sowie eine Unempfindlichkeit der Sensorik bezüglich kleinen Abstandsschwankungen gegenüber dem Zahnrad ZR erzielt wird.

An den 10 Ausgangspins der Signalverknüpfung SV, welche die Opera­ tionen gemäß der Tabelle in Fig. 5 durchführt, stehen somit die in Fig. 4a). b), c) wiedergegebenen Signalverläufe E1, . . . , E10 zur Verfügung. Aus diesen 10 Signalverläufen E1, . . . , E10 kann nun gemäß den Fig. 4a), b), c) auf beispielsweise drei verschiedene Arten ein Ausgangssignal entnommen werden, welches pro Teilungswinkel TZ des Zahnrades ZR 10 Rechteckimpulse liefert, deren Tastverhältnis 1/1 ist.

Gemäß der Variante von Fig. 4a) werden die Signale E1-E10 der Signalverknüpfung SV wie ein 10-Bit-Wort einem elektronischen Baustein PP zur Paritätsprüfung zugeleitet, der je nach der Anzahl von High-Potentialen (gerade/ungerade) seinen Ausgang von Low auf High und umgekehrt setzt. An der mit x gekennzeichneten Stelle stehen somit die Rechteckimpulse mit 10facher Frequenz bezogen auf die Zahnteilungsfrequenz zur Verfügung. Aus diesen Rechteckimpulsen können mittels zweier parallel geschalteter Monoflops MF (eines durch die steigende, das andere durch die fallende Flanke ge­ triggert) sowie eines Oder-Gliedes OG insgesamt 20 Einzelimpulse pro Teilung erzeugt werden.

Die zweite Ausgestaltungsmöglichkelt zur Erzeugung der Rechteck­ impulse zeigt die Fig. 4b). Hier werden die Signale E1, E6, E2 und E7, E3 und E8, E4 und E9 sowie E5 und E10 eingangsseitig jeweils an ein EXOR-Glied EOG gelegt und diese insgesamt 5 Zwischenausgangs­ signale wiederum an ein Oder-Glied OG.

Die aus diskreten Logikbausteinen aufgebaute Schaltung gemäß Fig. 4b) kann auch durch einen entsprechend ausgebildeten (program­ mierten) PAL (progammable array logic) bzw. einen Speicherbaustein mit 10 Adresseingängen und einem Datenausgang ersetzt werden (Fig. 4c).

Die Rechteckimpulsfolge gemäß den Fig. 4a), b), c) kann nun einem Inkrementalzähler zugeführt und in Verbindung mit einem weiteren (0)-Signal (zusätzlicher Geber) zu einem digitalen Winkelwert verarbeitet werden. Die Auflösung eines derartig nach der Erfindung aufgebauten Drehwinkelgebers ist somit ebenfalls um ein 10- bzw. 20faches höher als durch die Zahl der Zähne bedingt.

Bezugszeichenliste

ZR Zahnrad
Z Zahn
ZL Zahnlücke
TZ Teilungswinkel
S1, . . . , SN Sensor
L Luftspalt
TS Winkelversatz der Sensoren
SV Signalverknüpfung
A1, . . . , AN Ausgangssignal der Sensoren S1, . . . , SN
E1, . . . , EN Ausgangssignale der Signalverknüpfung SV
PP Paritätsprüfer
OG Oder-Glied
EOG EXOR-Glied
PAL programmable array logic
MF Monoflop
PF Polfläche

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Erzeugung einer drehzahlproportionalen Impulsfolge an einem ro­ tierenden Zahnrad, mit wenigstens einer ein Magnetfeld erzeugenden Einrichtung, deren Feldlinien das Zahnrad teilweise durchdringen, einer Anzahl N von im Be­ reich des Umfangs des Zahnrades fest angeordneten und jeweils einen Luftspalt zu den Zähnen des Zahnrades bildenden Sensoren, welche von den Feldlinien durch­ flossen werden und bezüglich dem auf die Achse des Zahnrades bezogenen Tei­ lungswinkel TZ der Zähne des Zahnrades einen um den Umfang des Zahnrades verteilten Winkelversatz TS aufweisen, wobei TS = ((N-1)/N)·TZ ist, dadurch gekennzeichnet, daß die analogen Ausgangssignale (A1 bis AN) der Sensoren (S1 bis SN) einer Si­ gnalverknüpfung (SV) zugeführt werden, welche eine Anzahl von Addierern und Komparatoren zur gruppenweisen Verknüpfung der Ausgangssignale (A1 bis AN) aufweist, und an den Ausgängen der Signalverknüp­ fung (SV) eine der Anzahl N der Sensoren (S1 bis SN) entsprechende Anzahl N von Signalen (E1 bis EN) in digitaler Form abgreifbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Sensoren (S1 bis SN) eine Einrichtung zur Erzeugung eines Magnet­ feldes aufweist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (S1 bis SN) am Außenumfang (Kopfkreis) des Zahnrades (ZR) radial den Zähnen (Z) gegenüberliegend angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (S1 bis SN) an einer Seitenflanke des Zahnrades (ZR) im Be­ reich der Zähne (Z) angeordnet sind.