DD208251B1

DD208251B1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur digital-inkrementalen wegmessung

Info

Publication number: DD208251B1
Application number: DD23572681A
Authority: DD
Inventors: Gunter Hornig
Original assignee: Lokomotivbau Elektrotech
Priority date: 1981-12-14
Filing date: 1981-12-14
Publication date: 1986-05-07
Also published as: DD208251A1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur digitalinkrementalen Wegmessung, vorzugsweise für die Positionierung und/oder Anzeige translatorisch oder rotatorisch bewegter Maschinenteile. Die Anwendung der Erfindung ist in Handhabeeinrichtungen (Manipulatoren), technologischen Einrichtungen zum Schweißen, Beschichten, Sandstrahlen oder in Beschickungseinrichtungen möglich.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Weg- und Winkelmeßsysteme zur Erfassung des Ist-Zustandes eines zurückgelegten Weges oder einer Drehbewegung sind bekannt.

Diese Systeme werden als digital-absolute, als digital-inkrementale und als analoge Meßsysteme angeboten (vgl. VEM-Handbuch „Numerische Steuerungen", Berlin 1976, Seite 159).

Digital-inkrementale Weg- und Winkelmeßsysteme, die vor allem an Werkzeugmaschinen Verwendung finden, arbeiten im wesentlichen nach dem fotoelektrischen Prinzip im Auflicht- oder Durchlichtverfahren. Dabei erfolgt für die verwendete Zähleinrichtung sowohl die Bildung von Richtungsentscheidsignalen, getrennt für die Bewegung „vorwärts" oder „rückwärts", als auch von Zählimpulsen. Zur richtungsabhängigen Zählung werden zwei um 90° el. phasenverschobene digitale Rechteckimpulsfolgen ausgewertet.

Bekannt ist weiterhin die Bildung von richtungsabhängigen Zählimpulsen in einer zeitabhängigen Form durch Verknüpfung und Synchronisierung mit den Impulsen eines Taktgenerators (siehe Zeitschrift—rfe — „radio fernsehen elektronik" 24 1975, Heft 5, Seite 165-169, DD-PS 80465).

Die für den Einsatz an Werkzeugmaschinen vorgesehenen Systeme arbeiten mit hoher Genauigkeit. Für den Betrieb von Arbeitsmaschinen oder Handhabeeinrichtungen unter rauhen Arbeitsbedingungen ist jedoch eine derartige Genauigkeit nicht erforderlich. Durch eine zeitabhängige feste Taktfrequenz sind diese Meßsysteme außerdem ungeeignet für Maschinen, die robuste und wartungsfreie Wegmeßsysteme verlangen und bei denen sich das Arbeitsspiel bedingt durch unterschiedliche Massenträgheitsmomente während des Arbeitszyklusses nicht in eine feste Taktfrequenz einordnen läßt.

Bekannt sind ferner zeitabhängig arbeitende Weg- und Winkelmeßsysteme, die außer den Zählimpulsen Richtungsentscheidimpulse als Impulse mit Arbeitsfrequenz (vgl. Zeitschrift—rfe — 29 (1980), Heft 12, Seite 813; DD-PS 93640; DD-PS 114988)

oder als statische Richtungsimpulse (vgl. Zeitschrift Elektronik-Anzeiger 12 (1980), Heft 3, Seite 25-28; DD-PS 116501) ausgeben.

Für den Vergleich von Soll- und Istwert eines Weg- oder Winkelmeßwertes ist jedoch meist ein statisches Richtungssignal zeitlich vordem eigentlichen digitalen Zählimpuls notwendig.

Nachteilig bei den Systemen gemäß — rfe — 29(1980) 12, Seite 813, und Elektronik-Anzeiger 12 (1980), Heft 3, Seite 25-28 ist außerdem ein auftretender Phasensprung zwischen erfaßtem Istwert und verarbeitetem Zählsignal beim Übergang von einer Bewegungsrichtung zur anderen.

Alle bekannten Meßsysteme, sowohl die getakteten, wie auch die zeitabhängigen, haben den Nachteil, daß beim Einsatz an Maschinen oder Einrichtungen mit einem fertigungstechnisch bedingten mechanischen Spiel in der Kraftübertragungseinheit

(z. B. Getriebelose, Ketten- oder Kupplungsspiel) Fehlimpulse beim Anhalten oder Vorrücken ausgegeben werden können.

Deshalb sind diese Meßsysteme ungeeignet für Maschinensysteme geringerer Genauigkeit unter robusten Arbeitsbedingungen.

Weiter ist eine Einrichtung zur inkrementalen Wegmessung mittels eines Umsetzers mit optischer Abtastung bekannt, die aus einem Diskriminator zur Erkennung der Bewegungsrichtung und einem Vor-Rückwärts-Zähler besteht (vgl. Fachbuch „Digitale Meßverfahren", 1981, Seite 75-80). Zur Vermeidung von Störimpulsen wird ein zusätzlicher elektronischer Vergleichskreis angeordnet, der jedoch in keiner Weise den gestellten Anforderungen zur Vermeidung/von Fehlentscheidungen entspricht.

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Des weiteren ist aus der DE-OS 3013334 eine Schaltungsanordnung zur Auswertung von feststehenden Maschinenfehlern bei Werkzeugmaschinen bekannt, bei der ein Speicher für Informationen feststehender Maschinenfehler und ein Fehlerrechner enthalten sind und dem Informationen des Speichers und Signale eines Übertragers (Stellungsgeber) zur Erzeugung von Korrektursignalen zugeführt werden.

Die Anwendung dieser Lösung ermöglicht die Herstellung von Werkzeugmaschinen (unter Anwendung eines numerischen Steuersystems) mit nicht überhöhten Genauigkeitsanforderungen, ist aber für den Anwendungsfall in Manipulatoren, technologischen Einrichtungen oder Beschickungsanlagen auf Grund des erheblichen Bauelementeaufwandes und des nicht erforderlichen Genauigkeitsgrades als ungeeignet anzusehen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, mit geringem technischem Aufwand Falschzählungen bei digital-inkrementaler Wegmessung an Maschinen oder Einrichtungen mit mechanischem Spiel bei Änderung der Bewegungsrichtung zu vermeiden und die Störanfälligkeit zu verringern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für die digital-inkrementale Wegmessung zu schaffen, wo zu einem statischen Richtungsimpuls auch ein phasenrichtiger Zählimpuls gebildet wird. Die Merkmale der Erfindung bestehen darin, daß die Eingangssignale im parallel angeordnetem Vergleichskreis derart bewertet werden, daß über an sich bekannte Verzögerungsstufen Signale gebildet werden, die einem Impulsverdoppler zugeführt werden, der gleichzeitig ein Richtungssignal „Vorwärts" und dessen negiertes Signal erhält. Nachfolgend werden die Ausgangssignale des Impulsverdopplers einem als RS-Flip-Flop ausgebildetem Impulsteiler zugeführt, wobei das gebildete bzw. negierte Zählsignal das Eingangssignal für an sich bekannte Impulsverstärkerstufen bildet. Die Ausgangssignale dieser Impulsverstärkerstufen bilden die zusätzlichen Eingangssignale von NAND-Gliedern, wobei die Richtungssignale „Vorwärts" und „Rückwärts" des Richtungsdiskriminators das andere Eingangssignal für das jeweilige NAND-Glied ist und deren Ausgangssignale die Eingangssignale für die getrennten Eingänge des VorVRuckwarts-Digitalzahlers darstellen. Zur Richtungsimpulsbildung wird der Richtungsdiskriminator vorzugsweise aus einem D-Flip-Flop gebildet.

Ausführungsbeispiel

In der zugehörigen Zeichnung ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur digital-inkrementalen Wegmessung in Form von Blöcken dargestellt. Die beiden Rechteckimpulsfolgen kommen als Eingangsspannungssignal Ui am Eingang A und als Eingangsspannungssignal U₂ etwa 90° phasenverschoben am Eingang B an und werden dem Richtungsdiskriminator RD zugeführt. Den Richtungsdiskriminator RD bilden die taktflankengetriggerten D-Flip-Flops RD' und RD". Außerdem wird das Eingangsspannungssignal U₁ vom Ausgang des Negators 1 dem Richtungsdiskriminator RD zugeleitet. Am Ausgang von Richtungsdiskriminator RD liegen die Richtungssignale V und R an. Parallel zur Richtungsbildung werden die Eingangsimpulse A und B mit der Verzögerungsstufe VZ; VZ' verbunden. Ausgangsseitig ist die Verzögerungsstufe VZ bzw. VZ' mit verzögertem Signal A' bzw. B' mit dem Impulsverdoppler IV verkoppelt. Der Impulsverdoppler IV besteht vorzugsweise aus den angegebenen zehn NAND-Gliedern. Außerdem werden das Richtungssignal V und das am Negator 2 anliegende Signal V dem Impulsverdoppler IV zugeführt. An den Impulsverdoppler IV ist ein Impulsteiler IT angeschlossen, dessen Ausgangssignale, das Zählsignal Qzi und das negierte Zählsignal Q_Z|, mit den Impulsverkürzerstufen IK; IK' gekoppelt sind. Die Ausgänge vom Impulsverkürzer IK werden wiederum jeweils an den Eingang eines NAND-Gliedes 3 bzw. 4 angeschlossen. Am zweiten Eingang des NAND-Gliedes 3 liegt das Richtungssignal „Vorwärts", am zweiten Eingang des NAND-Gliedes 4 liegt ein Richtungssignal „Rückwärts" an. Der Ausgang des NAND-Gliedes 3 wird mit dem Zähleingang ZV für die Vorwärtsrichtung, Ausgang des NAND-Gliedes 4 mit dem Zähleingang ZR für die Rückwärtsrichtung eines VorVRuckwarts-Digitalzahlers V/R-Z verbunden. Die Wirkungsweise dieser realisierten Schaltungsanordnung soll nachfolgend näher erläutert werden: Die den Eingängen A bzw. B zugeleiteten Impulsfolgen der Eingangsspannungssignale Ui bzw. U₂ werden vorzugsweise von induktiven Initiatoren, z. B. Schlitzinitiatoren und einer Zahnscheibe für rotierende Bewegungen oder einer Zahnleiste für translatorische Bewegungen und jeweils einem nicht dargestellten Trigger bereitgestellt. Die Teilung der Zahnscheibe bestimmt dabei in Verbindung mit dem Übersetzungsverhältnis die Genauigkeit der digital-inkrementalen Wegmessung. Die Schlitzinitiatoren für die Eingangsspannungssignaie Ut und U₂ sind zur Richtungserkennung um etwa 90° el. oder 180°-190° el. versetzt angeordnet. Die Exaktheit dieser Versetzung ist durch die gewählte nachfolgende Logikschaltung unkritisch. Zur Vermeidung galvanisch eingekoppelter Störungen erfolgt der Anschluß der digitalen Eingangsspannungssignale U₁ und U₂ vorzugsweise über die Optokoppler an die Eingänge A bzw. B der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Vereinbarungsgemäß soll für die Vorwärtsrichtung das Eingangsspannungssignal U₂ dem Eingangsspannungssignal Ui zeitlich voreilen. Der Richtungsdiskriminator RD ist beispielsweise aus zwei Flip-Flop-Bausteinen RD' und RD" aufgebaut und wird wie folgt mit Signalen belegt:

Trifft die L/H-Flanke des Signals A am Takteingang des ersten Flip-Flop auf ein Η-Signal vom Eingang B am D-Eingang des Flip-Flop, so wird die Richtung „Vorwärts" erkannt und an V liegt Η-Signal, d. h. an V somit L-Signal. Bereits mit dieser einfachen Schaltungsanordnung kann somit eine einfache, störsichere Richtungserkennung erfolgen. Die Belegung am ersten Flip-Flop bleibt solange erhalten, bis sich die Phasenlage vom Eingangsspannungssignal Ui zum Eingangsspannungssignal U₂ ändert. Trifft die L/H-Flanke des Α-Signals am Takteingang des ersten Flip-Flop auf ein L-Signal von Barn D-Eingang des ersten Flip-Flop, schaltet der Ausgang V auf L. Bereits 180° el. früher trifft bei Richtungsumkehr an den Takteingang des zweiten Flip-Flop eine L/H-Flanke auf ein Η-Signal von B am D-Eingang und der zweite Flip-Flop schaltet am Ausgang R auf Η-Signal, damit wird die Richtung „Rückwärts" erkannt und kann als statisches Signal zusammen mit dem

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elektrischen Signal V für nachfolgende Soll/Istwertvergleiche verwendet werden. Zur Bildung der Zählimpulse werden die Signale A und B verzögert und gelangen als verzögertes Eingangssignal A' bzw. B' an die negierten NAND-Glieder des Impulsverdopplers IV. Durch die Verzögerung, die etwa die 1,5fache Schaltzeit des ersten bzw. zweiten Flip-Flops betragen sollte, wird erreicht, daß immer das richtige Richtungssignal zeitlich vor dem zu bildenden Zählsignal anliegt. Mit Hilfe dieser NAND-Glieder werden die verzögerten Eingangssignale A'; B' sowie ihre negierten Signale mit den Richtungssignalen V, V in einer derartigen Weise verknüpft, daß richtungsabhängige Signale zur jeweiligen L/H- und H/L-Flanke der verzögerten Eingangssignale A' bzw. B' gebildet werden. Die Ausgangssignale der negierten NAND-Glieder werden danach durch die im Impulsverdoppler IV enthaltenen NAND-Glieder summiert.

Die Ausgangs-NÄND-Glieder des Impulsverdopplers IV weisen dann eine asymmetrische Folge von Signalen der doppelten Impulsfrequenz der Signale der Eingänge A bzw. B auf. Mit diesen Signalen werden der Setz- bzw. der Rücksetzeingang S bzw. R eines im Impulsteiler IT enthaltenen RS-Flip-Flops beaufschlagt. Mit diesem Flip-Flop wird eine Frequenzteilung 2:1 und gleichzeitig eine Symmetrierung der verdoppelten Impulse erreicht. Mit diesem Verfahren der Verdopplung und anschließenden Frequenzteilung wird aber vor allem folgendes bewirkt:

Kommt es infolge mechanischen Spiels beim Anhalten der bewegten Maschinenteile zum mehrmaligen Ein- und Auslaufen eines Zahns der Zahnscheibe in den Bereich der Initiator-Triggerschwelle, so liegt z. B. eine L/H-Flanke von A in Phase mit einer Η-Flanke von B mehrmals an, obwohl sich die Zahnscheibe nur um etwa 10° bis 20° el. vor- und zurückbewegt hat. Es liegt dann ein sogenanntes „Prellen" oder „Flattern" eines Eingangssignals vor. In den bisher bekannten Meßsystemen würde dieses „Prellen" mit Fehlzählungen beantwortet werden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren gelangen diese Fehlimpulse jedoch nur auf einen Eingang S oder R des Flip-Flops und werden dort nicht weiter verarbeitet, weil sich der um 90° el. phasenverschobene Eingang nicht geändert hat.

Zur weiteren Aufbereitung des Zählsignals Qzi an die Besonderheiten der Eingänge des anzusteuernden Vor-ZRückwärts-Digitalzählers V/R-Z werden getrennte Signale für die Vor- und Rückwärtsrichtung gebildet. Das Zählsignal Q_a und das negierte Zählsignal Qz ι werden jeweils verkürzt, da der Vor-/Ruckwarts-Digitalzahler V/R-Z ausgehend vom Η-Signal im Ruhezustand nur jede L/H-Flanke zählt. Die Verkürzung erfolgt dabei in bekannter Weise über Impulsverkürzer IK; IK', wobei gleichzeitig eine Verkoppelung des Zählsignals Q_Z! mit dem negierten Zählsignal Q_z, erfolgt. Der verkürzte Impuls sollte vorzugsweise etwa die 2...5fache Länge der notwendigen Mindestimpulslänge für den Vor-ZRückwärts-Digitalzähler V/R-Z haben. Verknüpft mit dem statischen Richtungssignal V bzw. R über die NAND-Glieder 3 bzw. 4 werden die nach Richtungen getrennt aufbereiteten Zählimpulse auf die Zähleingänge ZV bzw. ZR des Vor-ZRückwärts-Digitalzählers geschaltet. In Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der gewählten Bauelementereihe liegt die maximale Zählfrequenz dieser Schaltungsanordnung bei 100... 1 000 kHz. Der wesentlichste Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Beseitigung von Falschzählungen beim Anhalten und bei der Richtungsumkehr des zu erfassenden Maschinenteils. Darüber hinaus wird durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eine hohe Störsicherheit gegenüber Schwankungen bei der Überlappung der Signalflanken (= 90° el.), gegenüber Schwankungen des Puls-Pausen-Verhältnisses, eine relativ hohe Frequenzunabhängigkeit und eine hohe Störsicherheit gegenüber elektromagnetischen Einkopplungen erreicht. Die erstgenannte Störsicherheit wird durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht. Die Störsicherheit gegenüber elektromagnetischen Einkopplungen wird durch die galvanische Trennung der Eingänge mit Hilfe von Optokoppler und durch die Anwendung von D-Flip-Flops im Richtungsdiskriminator RD sowie der RC-Glieder in den aus NAND-Gliedern aufgebauten Verzögerungsstufen erreicht. Die D-Flip-Flops sind nur im schmalen Bereich von etwa 20ns z.Z. der Schaltflanke gegenüber Störungen empfindlich. Weitere Vorteile sind die relativ geringe Anzahl von 7 integrierten Schaltkreisen, die Verwendung von nur 2 geschirmten Übertragungsleitungen für die Eingangssignale sowie die im wesentlichen zeitunabhängige Erfassung und Verarbeitung ohne Verwendung eines Taktgenerators. Vorteilhaft ist auch die Erzeugung des statischen Richtungssignals vor dem phasenrichtigen Erkennen jeder neuen Zählflanke bei jeder Richtungsumkehr.

Claims

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Erfindungsanspruch:

1. Schaltungsanordnung zurdigital-inkrementalen Wegmessung, vorzugsweise für die Positionierung und/oder Anzeige translatorisch oder rotatorisch bewegter Maschinenteile, mit zusätzlicher Auswertung von feststehenden Maschinenfehlern, wobei zwei um 90° el. phasenverschobene digitale Rechteckimpulsfolgen mittels induktiver Initiatoren erzeugt und über Optokoppler als Eingangssignale einem Richtungsdiskriminator zur Erkennung der Bewegungsrichtung zugeführt werden und seine Ausgangssignale einem mit getrennten Zähleingängen aufgebauten Vor-ZRückwärts-Digitalzähler zugeführt werden und zur Vermeidung von Fehl-Zählimpulsen parallel angeordnetem elektronischem Vergleichskreis, gekennzeichnet dadurch, daß die Eingangssignale der Eingänge (A; B) im parallel zur Richtungssignalerkennung angeordnetem Vergleichskreis (VZ; IV; IT; IK) derart bewertet werden, daß über eine an sich bekannte Verzögerungsstufe (VZ und VZ') ein Signal (A' und B') gebildet wird, die einem Impulsverdoppler (IV) zugeführt werden, der gleichzeitig ein Richtungssignai „Vorwärts" (V) und dessen negiertes Signal (V) erhält und daß die Ausgangssignale des Impulsverdopplers (IV) einem als RS-Flip-Flop ausgebildeten Impulsteiler (IT) zugeführt werden, wobei das gebildete Zählsignal (QZ) bzw. negierte Zählsignal (QZ) das Eingangssignal für eine an sich bekannte Impulsverkürzerstufe (IK bzw. IK') bildet, deren Ausgangssignale die zusätzlichen Eingangssignale von NAND-Gliedern (3 bzw. 4) bilden, wobei die Richtungssignale „Vorwärts" und „Rückwärts" des Richtungsdiskriminators (RD) die anderen Eingangssignale der NAND-Glieder (3 bzw. 4) bilden, deren Ausgangssignale den getrennten Eingängen des VorVRuckwarts-Digitalzahlers (V/R-Z) zugeführt werden.
2. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Richtungsimpulsbildung der Richtungsdiskriminator (RD) aus einem D-Flip-Flop (RD') gebildet wird.

Hierzu 1 Seite Zeichnung