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Gebiet der
Erfindung
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Diese Erfindung betrifft Auslösetaster
des Typs, der an Positionsbestimmungsvorrichtungen, wie beispielsweise
Koordinatenmessmaschinen und Werkzeugmaschinen, verwendet wird.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Derartige Taster besitzen einen ablenkbaren, mit
dem Werkstück
in Kontakt bringbaren Tastereinsatz bzw. Fühler. Wenn der Tastereinsatz
mit einem Werkstück
in Kontakt tritt, wird ein Auslösesignal
an die Positionsbestimmungsvorrichtung ausgegeben, was zur Folge
hat, dass diese eine Ablesung der Position des Tasters aufzeichnet.
Der Taster kann beispielsweise elektrische Kontakte besitzen, die
den Zustand ändern,
wenn der Tastereinsatz mit dem Werkstück in Kontakt tritt. Das U.S.
Patent Nr. 4,153,998 beschreibt einen derartigen Taster mit drei Sätzen von
Kontakten, die in Serie geschaltet und normalerweise geschlossen
sind. Wenn der Tastereinsatz mit dem Werkstück in Kontakt tritt, öffnet sich einer
oder mehrere der elektrischen Kontakte, um das Auslösesignal
zu erzeugen.
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1 zeigt
schematisch einen derartigen Taster 10. Im normalen Gebrauch
ist der Taster 10 mit einer Schnittstellenschaltung 12 verbunden.
Eine derartige Schnittstelle 12 umfasst herkömmlich einen Widerstand
R1 in Serie mit den Kontakten des Tasters 10 zwischen einer
positiven Versorgungsschiene +V und einer Erdungsschiene 0V. Eine
Leitung
16 von einem Eingangsanschluss 14 zwischen
dem Widerstand R1 und dem Taster 10 ist mit einer Komparatorschaltung 17 verbunden.
Wenn die Kontakte des Tasters 10 geschlossen sind (d. h.
im Normalzustand), ist die Leitung 16 mit der OV-Schiene
verbunden. Wenn der Tastereinsatz des Tasters 10 mit einem
Werkstück
in Kontakt tritt, beginnen seine Kontakte, sich zu öffnen, und
der Widerstand über
diese steigt an. Der Kontaktwiderstand befindet sich dann in einer
Spannungsteileranordnung mit dem Widerstand R1, und der Komparator 17 erzeugt
das Auslösesignal,
wenn der Kontaktwiderstand über
eine vorbestimmte Schwelle ansteigt.
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Wenn die Positionsbestimmungsvorrichtung, an
der der Taster 10 befestigt ist, Schwingungen ausgesetzt
ist, können
Probleme entstehen, was bei Werkzeugmaschinen oftmals der Fall ist.
Die Vibration, die auf den Tastereinsatz des Tasters 10 wirkt, kann
kleine Bewegungen an den elektrischen Kontakten zur Folge haben,
was in momentanen Änderungen
des Kontaktwiderstandes resultiert. Wenn der Kontaktwiderstand momentan über die
Schwelle, die durch den Komparator 17 detektiert wird,
ansteigt, können
falsche Auslösesignale
als Ergebnis erzeugt werden.
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Die EP-A-420 305 offenbart einen
derartigen Taster, bei dem ein Kondensator parallel zu den Kontakten
des Tasters als Teil einer Schaltung geschaltet ist, um ein Kontaktprellen
zu verhindern.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung sieht eine
Auslösetasterschaltung
für einen
Auslösetaster
für eine Positionsbestimmungsvorrichtung
vor, mit zwei Eingangsanschlüssen
zur Verbindung mit einem Ausgang des Tasters; und einem Kondensator,
der über die
Eingangsanschlüsse
geschaltet ist, wobei der Kondensator momentane scheinbare Änderungen
in dem Tas terausgangssignal ausfiltert, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Entladeschaltung parallel zu dem Kondensator vorgesehen
ist, wobei die Anordnung derart ist, dass sich der Kondensator im
Wesentlichen durch die Entladeschaltung anstatt in den Tasterausgang
entlädt,
wenn der Tasterausgang einen Kurzschluss darstellt.
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Obwohl hier auf den Tasterausgang
Bezug genommen wird, sei angemerkt, dass die obige Schaltung sogar
in das Gehäuse
des Tasters selbst eingebaut werden kann oder Signalübertragungsschaltungen
zwischen dem Taster und der Schnittstelle vorhanden sein können. In
diesen Fällen
bezeichnen die Begriffe "Tasterausgang" und "Ausgang des Tasters" einen Ausgang von
einem Teil der Tasterschaltung, der vor der Schaltung der Erfindung
erfolgt, und der Begriff "Eingangsanschlüsse" ist demgemäß auszulegen.
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Zeichnungskurzbeschreibung
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Es werden nun bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen
beschrieben, in welchen:
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1 ein
schematisches Schaubild einer Tasterschaltung nach dem Stand der
Technik ist; und
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2 und 3 schematische Schaubilder
von zwei alternativen Schaltungen gemäß der Erfindung sind.
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Beschreibung
von bevorzugten Ausführungsformen
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Im Folgenden ist eine einfache Lösung für das Problem
falscher Auslösesignale
in der Schaltung von 1 beschrieben.
In der Schnittstelle 12 ist ein Kondensator vorgesehen,
der über
die Kontakte des Tasters 10 zwischen den Leitungen 16 und 0V geschaltet
ist. Die Wirkung besteht darin, eine Verzögerung zwischen dem Zeitpunkt,
wenn sich die Tasterkontakte öffnen,
und dem Zeitpunkt einzuführen, wenn
das Auslösesignal
durch den Komparator erzeugt wird, wobei die Länge der Verzögerung durch die
Zeitkonstante des Widerstandes R1 und des Kondensators bestimmt
wird. Momentane Änderungen des
Widerstandes der Tasterkontakte, die kürzer als diese Zeitverzögerung andauern,
können
daher keine falschen Auslösersignale
erzeugen. Der Widerstand und der Kondensator wirken als ein Filter,
um die Wirkungen von Vibrationen zu dämpfen.
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Jedoch erzeugt diese einfache Lösung in
der Praxis ein weiteres Problem. Wenn der Tastereinsatz des Tasters 10 aus
einem Kontakt mit dem Werkstück
bewegt wird und sich die Tasterkontakte erneut schließen, wird
die gesamte Energie, die in dem Kondensator gespeichert ist, durch
diese Kontakte abgegeben. Dies kann einen Schaden an den Tasterkontakten
bewirken und die Lebensdauer des Tasters verringern.
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Um dieses weitere Problem zu lösen, zeigt 2 eine Schnittstellenschaltung 12,
die mit einem Taster 10 verbunden ist und einen Widerstand
R 1 ähnlich 1 und einen Kondensator
C1 wie oben beschrieben enthält.
Zusätzlich
ist jedoch ein Widerstand R2 in Serie mit dem Kondensator C 1 zwischen dem
Kondensator und der OV-Verbindung zu dem Taster 10 angeordnet.
Dieser Widerstand begrenzt das Entladen des Kondensators C1 durch
die Kontakte des Tasters 10, wenn sie sich wieder schließen. Parallel
zu dem Kondensator C1 ist ein Thyristor TH1 vorgesehen. Dieser besitzt
einen Gatterwiderstand R3, der mit der OV-Seite des Widerstandes
R2 verbunden ist. Ein Widerstand R4 mit kleinem Wert (beispielsweise
10 Ohm) kann in Serie mit dem Thyristor TH 1 geschaltet sein..
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Der Betrieb der Schaltung ist wie
folgt. Wenn sich die Kontakte des Tasters 10 infolge eines
Kontakts mit einem Werkstück öffnen, lädt sich
der Kondensator C1 durch die Widerstände R1 und R2 auf. Nach einer
vorbestimmten Zeitverzögerung
ist die Spannung auf Leitung 16 über eine vorbestimmte Schwelle
angestiegen, bei der ein Komparator 17 ein Auslösesignal
erzeugt. Diese vorbestimmte Zeitverzögerung dämpft momentane Änderungen
des Widerstandes der Kontakte des Tasters 10, wie oben beschrieben
ist.
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Wenn sich die Kontakte des Tasters 10 erneut
schließen,
liegt nun die Spannung an Kondensator C1 über den Widerstand R2 an. Dies
hat zur Folge, dass der Thyristor TH 1 über seinen Gatterwiderstand
R3 eingeschaltet wird. Der Kondensator C1 entlädt sich nun durch den Thyristor
TH 1 und den Widerstand R4. Der Thyristor TH 1 wird erst abgeschaltet,
wenn dieses Entladen beendet ist.
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Der Widerstand R4 könnte weggelassen werden,
aber seine Anwesenheit begrenzt geringfügig die Entladungsrate des
Kondensators C1 und hilft somit, dessen Lebensdauer zu verlängern.
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Thyristoren sind selbstverständlich vierlagige
Vorrichtungen, obwohl Anschlussverbindungen normalerweise nur an
drei von den vier Lagen vorgesehen sind. Bei einer praktischen Ausführungsform jedoch,
die entwickelt worden ist, wurde ein oberflächenmontierbarer Typ eines
Thyristors verwendet, bei dem Verbindungen zu allen vier Lagen vorgesehen
waren. Um die Möglichkeit
einer Unzuverlässigkeit
zu verhindern, die entstehen könnte,
wenn zugelassen wird, dass die nicht gebrauchte Verbindung frei
schweben kann, wurde ein Klemmwiderstand R5 vorgesehen. Es sei jedoch
angemerkt, dass dieser Klemmwiderstand unnötig wäre, wenn eine Vorrichtung mit
drei Anschlüssen
verwendet würde.
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Wenn sich die Spannung über den
Kondensator C1 zu einem Zeitpunkt, wenn sich die Tasterkontakte
erneut schließen,
erst auf einen relativ kleinen Wert aufgebaut hat und nicht ausreicht,
um den Thyristor TH 1 auszulösen,
dann entlädt
sich der Kondensator durch R2 und die Tasterkontakte. Der Wert von
R2 ist so gewählt,
um einen Fluss von Strömen
zu verhindern, die groß genug
sind, um die Lebensdauer der Kontakte zu verringern, um gleichzeitig
aber den Kondensator mit einer vernünftig hohen Rate zu entladen.
Geeigneterweise kann der Wert des Widerstands R2 (relativ zu dem
Widerstand R1) so gewählt
sein, dass sich der Kondensator bei dem 20- oder 40-fachen seiner
Aufladerate entlädt. Selbstverständlich entlädt sich
der Kondensator wesentlich schneller, wenn er über den Thyristor TH 1 entladen
wird.
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3 zeigt
eine zu 2 alternative
Schaltung, bei der gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen
bezeichnet worden sind. Der Hauptunterschied besteht darin, dass
anstelle des Thyristors TH 1 3 einen
Transistor TR1 zeigt. Der Widerstand R3 ist mit der Basis des Transistors
TR1 verbunden und schaltet den Transistor an, wenn sich die Tasterkontakte
schließen
und die vollständige Spannung
des Kondensators C1 über
den Widerstand R2 anliegt. Wie vorher erwähnt wurde, hat dies zur Folge,
dass sich der Kondensator durch den Widerstand R4 mit kleinem Wert
entlädt,
der mit dem Kollektor des Transistors TR1 verbunden ist.
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Die Transistorschaltung von 5 hat den Vorteil, dass im Gegensatz zu
der Thyristorschaltung von 2 der
Transistor in dem "Ein"-Zustand nicht gesperrt
wird., Somit wird, wenn eine Spitze einer externen elektromagnetischen
Interferenz auftritt, wenn die Tasterkontakte offen sind, der Transistor
nicht in den Ein-Zustand sperren und eine vorzeitige Entladung des
Kondensators bewirken.
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In den Figuren sind die Kontakte
des Tasters 10 direkt mit den beschriebenen Schaltungen
in der Schnittstelle 12 verbunden gezeigt. Dies ist jedoch nicht
wesentlich. Die Schaltungen der 2 und 3 können in den Taster selbst eingebaut
werden, wie vorher erwähnt
wurde. Wenn es erwünscht
ist, nur einen einfachen Kondensator über die Tasterkontakte zu verwenden,
ist es auch möglich,
diesen in den Taster selbst einzubauen. Bei einer anderen Alternative
kann der Taster 10 mit der Schnittstelle 12 über ein
System zur drahtlosen Signalübertragung
verbunden sein. Ein bekanntes Signalübertragungssystem überträgt beispielsweise
die Tastersignale induktiv über
einen kleinen Spalt zwischen zwei Wicklungen, von denen eine an
dem Taster und die andere an der Spindel der Werkzeugmaschine befestigt
ist, mit der der Taster verbunden ist. Ferner ist noch eine elektronische
Schaltung in Verbindung mit dem Signalübertragungssystem zwischen
der an der Spindel befestigten Wicklung und der Schnittstelle 12 vorgesehen.
Der Ausgang dieser bekannten Schaltung liefert nicht einfach nur
eine offene Schaltungsverbindung, wenn die Tasterkontakte offen
sind, sondern sie verbindet stattdessen den Eingangsanschluss 14 der
Schnittstelle mit der positiven Versorgungsschiene +V.
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Wie in 3 gezeigt
ist, kann daher, wenn die vorliegende Tasterdämpfungsschaltung mit einem
derartigen Signalübertragungssystem
verbunden werden soll, eine Diode D 1 zwischen dem Eingangsanschluss 14 und
dem Rest der Schnittstellenschaltung vorgesehen werden. Dies stellt
sicher, dass sich der Kondensator C1 nur durch den Widerstand R1
und nicht von der positiven Versorgungsschiene in dem Signalübertragungssystem
auflädt. Eine
Diode kann auch auf dieselbe Art und Weise in der Schaltung von 2 vorgesehen werden, wenn dies
gewünscht
ist.
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In der Praxis kann der Kondensator
C1, der Thyristor TH 1 und die Widerstände R2 – R5, die in 2 gezeigt sind, auf einer kleinen separaten
Leiterplatte mit freien Zuleitungen aufgebaut sein, um eine Nachrüstverbindung
mit den geeigneten Punkten in einer existierenden Schnittstelle 12 zu
ermöglichen. Ähnlicherweise
können
die Komponenten C1, TR1, R2 –R4
von 3 auf einer separaten
Leiterplatte mit freien Zuleitungen. vorgesehen sein. Wenn die Diode
D 1 vorgesehen ist, kann diese auf derselben Leiterplatte aufgebaut
sein. Die Leiterplatte kann eine Vorkehrung zur Anordnung alternativer
Kondensatoren mit unterschiedlichen Größen an der Position des Kondensators
C1 aufweisen. Es ist somit möglich,
einen relativ kleinen Wert eines Kondensators zu verwenden, was
eine kurze Zeitverzögerung
ergibt, wenn eine bestimmte Maschine nur ein kleines Vibrationsproblem
besitzt, und um einen größeren Kondensator
vorzusehen, wenn eine Maschine größere Vibrationsprobleme besitzt.
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Es hat sich herausgestellt, dass
die Einstellung der Zeitverzögerung
zwischen etwa 6 ms und etwa 8 ms gewöhnlich ausreichend ist, um
falsche Auslösesignale
auszufiltern. Es hat sich ferner herausgestellt, dass die beschriebenen
Schaltungen eine vernünftig
wiederholbare Zeitverzögerung
erzeugen. Dies ist wichtig, da, vorausgesetzt, dass der Taster zu
dem Werkstück
mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt wird, die zusätzliche
Distanz, die durchlaufen wird, bevor das Auslösesignal erzeugt wird, auch
wiederholbar ist. Diese zusätzliche Distanz
wird daher von den Messungen durch den normalen Schritt einer Kalibrierung
oder "Einstellung des
Bezugspunkts" des
Tasters vor der Verwendung entfernt. Für die höchstmögliche Messwiederholbarkeit
kann es erwünscht
sein, den Taster in Richtung des Werkstückes mit einer geringen Geschwindigkeit zu
bewegen. Beim Auswählen
der Tastergeschwindigkeit kann es auch erforderlich sein, die Sicherheitbsremsdistanz
zu berücksichtigen,
da der Kontakt mit dem Werkstück
nur detektiert und eine Bremswirkung nach dem Ende der Zeitverzögerung eingeleitet
wird.
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Ein weiterer Vorteil der Schaltungen,
die beschrieben sind, besteht darin, dass sie das Auftreten falscher
Auslösesignale
verringern, die durch elektrische Interferenzspitzen wie auch durch
Vibration bewirkt werden.