DE2004396B2

DE2004396B2 - Digital inkremental arbeitender drehgeber insbesondere fuer numerische steuerungen von werkzeugmaschinen

Info

Publication number: DE2004396B2
Application number: DE19702004396
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Maecker, Kurt, 4000 Dusseldorf
Priority date: 1970-01-31
Filing date: 1970-01-31
Publication date: 1971-12-30
Also published as: GB1343801A; FR2075802A5; CH543773A; DE2004396A1

Description

Die Erfindung bezieht sieh aiii einen digital-inkremenirul arbeitenden Drehgeber, insbesondere für numerische Sieiu-rungen von Werkzeugmaschinen, tier zur Richumgserkeniuing zwei Signalausgänge liefen, die um ¹Jl) elektrisch gegeneinander phasenverschoben sind.

Ks sind digital arbeitende Drehgeber bekannt, z.B. optische Drehgeber, die den fotoeleklrisehen Eilekl von Fotodioden ausnützen, bei denen durch Strichscheiben und entsprechend ausgebildete Blenden ein periodisches Hell-Dunkel, erzeugt wird, bzw. induktive Drehgeber, bei denen Hall-Generatoren durch Magnetfelder sinngemäß beeinflußt werden.

Diese digital-inkremental arbeilenden Drehgeber haben den schwerwiegenden Nachteil, daß Störungen im Impulsausgang nicht erkannt werden. Es kann also vorkommen, daß die Maschine weiterläuft, ohne daß korrekt gezählt "ird.

Bei den möglichen Störungen muß unterschieden werden zwischen solchen, die von außen auf die Signalleitung einwirken und die durch Magnetfelder, z. B. Lichtbögen der Leistungsschütze, entstehen, und dem ,Ausfall der Signale, der durch eine Störung in der Llektronik des Gebers verursacht werden kann.

Hs sind bereits Schaltungen bekannt, in denen Mittel zur Beseitigung dir von außen kommenden Störeinflüsse vorgesehen sind, die auch als solche erkannt werden. Mit diesen Maßnahmen ist es aber nicht möglich, den Ausfall von Signalen aus d"'n Geber zu erkennen. Wenn z. B. ein unsicherer Kontakt oder eine kalte Lötstelle in der Elektronik ues C jbers vorhanden ist. die zur Folge haben, daß unregelmäßig Signale ausfallen, so würde der Zähler nicht mehr mit dem tatsächlich zurückgelegten Weg des mit dem Drehgeber kontrollierten Maschinenteiles übereinstimmen.

Da bei der Herstellung von Werkstücken häufig Genauigkeiten von 0.01 mm gefordert werden (z. B. bei ninslichci. an Drchleilen) und die Tulcranzen hierbei immer nur wenige Hunderstel Millimeter beiragen. könnte das Fehlen selbst nur weniger Impulse schon die Toleranz überschreiten und damit zum ,Ausschuß iles Werkstückes führen.

Solche Ausschüsse können zu großen Verlusten führen, wenn es sich z. B. um Maschinen handelt, bei denen das einzelne Werkstück DM 10 000.— bis DM20 000.— kostet, wie z.B. bei vorgearbeiteten Kurbelwellen für Gross-Dicscl.

Um diese Nachteile zu vermeiden, ist es also wichtig, nicht nur festzustellen, daß die Signalgabe unrichtig ist, sondern es muß auch der Fehler festgestellt und trotzdem richtig weitergezahlt werden.

Die Aufgabe der ErPnKlUiIg bestand darin, einen digital-inkremental arbeitenden Drehgeber zu schaffen, der nicht nur die von außen auf die Signalleitung kommenden Störcinflüsse, sondern auch den Ausfall der Signale durch eine Störung in der Elektronik des Gebers feststellt, eine eventuelle Störung rechtzeitig meldet und im Falle einer Störung trotzdem richtig weiterzählt.

F-s stehen für die Überwachung nur sehr kurze Schaltzeiten zur Verfügung, die erst durch Einsatz integrierter Schaltkreise erreichbar sind.

Wenn angenommen wird, daß der Drehgeber bei einer I Inidrehung 1000 Impulse abgibt, so würde jede einzelne Impulsdauer bei 50 Umdrehungen pro Sekunde des Drehgebers nur noch 20 Mikrosekunden betragen. Für eine Überwachung bliebe nur etwa '/< (ein Viertel) dieser Zeit zur Verfügung.

Die Erfindung nutzt vorerst die beiden Impulse, die ein riehtungserkennender digital-inkremental arheilender Drehgeber liefen, zur Kontrolle des Signalausgange:-. aus.

Die Lösung der Aufgabe besteht erh'ndungsgemäß darin, daß die beiden Signalausgänge zur gegenseitigen Kontrolle für eine korrekte Impulsgabe bemitzt

ίο werden, in dem eine Auswertelogik wechselweise die beiden Signale verarbeitet und beim Ausfall eines Signals ein Störsignal erzeugt.

Einem Signal muß also das nächste immer um 90 ^J elektrisch versetzt folgen. Diese Auswertelogik kann bereits im Geber oder auch beim Zähler untergebracht werden. Fehlt eines der beiden, so wird ein Störsignal erzeugt.

Es kann auch vorkommen, daß mehrere Impulse ausfallen und auf Grund dessen die Zählung kaum noch der Lage des Maschinenteils entspricht. Das ist immer der Fall, wenn ein normales Impulssystem zur Kontrolle benutzt wird, wie an Hand der Zeichnungsfiguren 1 und 2 noch im einzelnen nachgewiesen wird.

Nach einer weiteren Ausführungsform der !Erfindung werden deshalb zwei selbständige Impulssysteme mit je zwei um 90° versetzte Impulsreihen in einen Geber eingesetzt (Zahl-System und Prüf-System). die sich gegenseitig überwachen und wobei eines der Impulssysteme die korrekte Zählung im Störungsfalle aufrechterhält.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung hat das zweite Impulssystem (Prüfsystem) des Drehgebers ein anderes Tastverhältnis als das erste.

Wenn z. B. ein normaler digital-inkremental arbeitender Drehgeber zwei Ausgänge hat, die zur Richtungserkennung um 90° elektrisch versetzt sind, so haben diese beiden Ausgänge ein symmetrisches Tastverhältnis, d. h.. die Impulsdauer und die Impulspause jedes einzelnen Impulses sind gleich lang. Diese Impulse werden nachfolgend als Zählimpulse bezeichnet.

Das zweite zur Überwachung eingesetzte Impulssystem hat aber ein ungleiches Tastverhältnis, d. h..

die Impulsdauer dauert nur 25" 0 gegenüber 75",η der Impulspause. Diese Impulsfolge ist mit Prüfimpulscn bezeichnet. Diese Verkürzung der Impulsdauer der Zählimpulse gegenüber den Prüfimpulscn ist notwendig, um eine sichere Trennung dieser beiden Impulse zu gewährleisten.

Durch eine entsprechende Auswcrtelogik kann das Fehlen eines Zähl- oder Priifimpulscs festgestellt werden.

Um einen erfmdungsgemäßen Geber wirtschaftlich und mit tragbaren Abmessungen herstellen zu können, kann der Drehgeber aus zwei kreisförmigen gedruckten Leiterplatten bestehen. Die eine Leiterplatte, die feststeht, enthält als gedruckte Leiterbahnmustcr ausgebildete Induktivitäten. Auf der anderen dreh baren Platte (Läuferplatte) sind leitende Felder an geordnet, deren Anzahl der Anzahl der Sigmilspannungsperioden (Impulse) pro Umdrehung entspricht. Bei der Drehung der Läuferseheibe werden die auf der feststehenden Scheibe befindlichen Incluk tivitäten periodisch verändert. Dabei sind die verän derbaren Induktivitäten als kreuzungsfreie Leiterbahnmuster ausgebildet und längs des Kreisumfanges so weit gedehnt, daß sie von mehreren oder samt-

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lichen Meialllcdern der 1 .äufcrplailc glcirli/eiiij', U- Ausluliiungsfonn, hei der die Zählung, wenn nieh-

einlliiHi werden. icn: Impulse ausfallen, nielil nulir der I aye des Ma-

Ha hierbei die Spulen, wie auch die I >;i 111 jil ii iih ■. schiiieiilcils enlspi ieht.

■elieihi.'ii, in der llauari gedruckter Karlen anuelcn'uM Dabei bedeuten in I'ig. 3 i, und i., die Lingaiigs-

wcrdeii können, können zwei komplette Systeme hm r, stufen für die Umformung des vnm Dicligeheis kom-

lereiiiandcr in ein Gehäuse eingebaut wenlen. I-.ine inenden Signals. /,, /., sind Umkehrglieder lür die

weitere Möglichkeit heslehi tiarin, die /usiii/hchen I lerslellung des inveisen Signals D₁, (J.,, und .''„ bis \._z

l :berwaehuni;ss\steine auf die gleiche Spulenplatte /u sind Iliplltips, K₁ bis //. sind Nand-Gattei.

legen, soweit ti ie hell icbliehen Spulensy-.ieinc weniger In der Steckkarte A₁ helindet sich die übliche

.ils mit IS(I die Platte beanspruchen. Dadurch ist es m Scliallung für die Richiungsdiskriminierung (Rich-

miiglich. das doppelte Spuleiisysiem mit den enispie- iungserkciiiumg) und die elektronische Vervielfachung

Jienden Vcrsiärkeiclemenlen auf einer Platte an/11- der liingaiigsimpulse. Die Karle λ., ist ein handels-

. iidiien. /um Bedampfen dieser Spulen ist nur eine üblicher Dekaden/übler für Vor- und Rückwärts-

Scheibe mit Metallsegmenten erforderlich. zählung.

Die Auswerlclogik selbst kann im (leber unter- 15 Die F i g. 4 bis 7 /eigen die Impulsfolge des Ge-

'jehraelu werden oder auch im /.äliler A₁ A... um auf rales mit dem erweiterten erl'mdungsgemäßen tlher-

diesi. Weise auch Siöreinllüsse über die Leitungen wachungssxstern. Hinzugesetzt sind die Prüf-Impulse

λ um (leber zum Zähler auszuschalten. O, ,, (J., _r In den einzelnen Figuren ist der Ausfall

F.s sei betont, das selbstverständlich die Auswerte- jeweils eines Zähl- oder Prüfsignals und dessen Auslogik in gleicher Weise arbeiten wenn statt eines fell- 20 wirkung auf das entsprechende Nand-Gatter H₁ bis z/_r> lenden Impulses ein Impuls zuviel (durch äußere eingezeichnet. Hs sind nur die Veränderungen an den Jurireinllüsse) erfolgt, so weit dieser Störeinfluß un- Signalen gezeigt, die für die Fehlermeldung zur Wirfymmetrisch ist. kung kommen.

In den Zeichnungen sind mehrere Ausführungsbei- Dabei sind in F i g. 4 sämtliche Nand-Gatter-Verspiele der Firmelung dargestellt. 25 knüpfungen K₁ bis u. aufgezeichnet und zwar links

Fig. I zeigt die Impulsfolge eines normalen digital- und rechts mit Pfeilen an solchen Stellen versehen,

inkremental arbeitenden Drehgebers mit Richtung*- wo sie wirksam würden. In den F i g. 4 bis 7 ist nur

erkennung: jeweils das Nand-Gatler linksseitig angegeben, das

Fig. 2 zeigt die Impulsfolge des Gebers gemäß für die Störungsmeldung zur Wirkung kommt,

der Lrfindung: 30 Wenn in der Aiiswertelogik gemäß F i g. 4 das dritte

I'i g. 3 zeigt die hierzu gehörende Auswertelogik; Qi-Vor-Zählsignal nicht vorhanden ist, wird beim Flip-

F i g. 4 bis 7 zeigen die Impulsfolge des Gerätes flop Z₁ Ausgang«, nicht auf O-Signal gesetzt. Das anniit einem besonderen Überwachungssystem gemäß stehende L-Signal fällt mit dem vierten Q₁ ,-Vortier Ltfindung: Signal zeitlich zusammen, so daß am Nand-Gatter H₁

Fig. S zeigt dazu die Aiiswertelogik für die Stö- 35 die Und-Bedingiing gegeben ist. Am Ausgang von U₁

lungsmeklung nach Fig. 4; erscheint ein O-Signal. welches fin L-Signal am Aus-

F i g. 9 a zeigt das Induktivitätsmuster (Spulen) des gang A des Nand-Gatters «,. hervorruit.

Drehgehers und Istdas^jJrittc Öi.i-Vor-Prjfsignal nicht vorhanden

Fi g. 9 b die dazugehörige I.äuferplatte. (Fig. 5), dann wird beim Flipflop /., (Fig. 8) der

In F i g. I sind die beiden Impulse mit Q₁ und Q., 4° Ausgang«., nicht auf O-Signal gesetzt. Das anstehende

bezeichnet, wobei Q., um 90° elektrisch gegenüber /.-Signal fällt dann mit dem dritten (7,-L-Signal zcit-

Q₁ versetzt ist. lieh zusammen, so daß am Nand-Gatter it., die l./nd-

In F i g. 2 sind die erfindungsgemäß benutzten Si- Bedingung gegeben ist.

gnale (?_t und Q., die invcrsen Signale von Q₁, Q... Ist das dritte Q.,-Vor-Zählsignal (F i g. fi) nicht vor- </„. fi,. ei., und die inversen Signale a_n, a_v ei., sind Aus- 45 banden, dann wird beim Flipflop /_;l (F i g. 9) der Ausgänge der Flipflops /„ bis /„. K₁ bis h, sind Nand- gang«., nicht auf O-Signal gesetzt. Das anstehende Gatter. Die links und rechts seitlich neben den Si- L-Signal fällt mit dein vierten Q₂ ,-L-Signal zeitlich gnalen senkrecht angegebenen Linien zeigen die Ver- zusammen so daß am Nand-Gatter 11., die Undknüpfimg der einzelnen Signale mit dem entsprechen- Bedingung gegeben ist.
den Nand-Gatter, 5» Ist das drille Q„ ,-Vor-Prüfsignal nicht vorhanden

Fig. 3 zeigt die zu F i g. 2 gehörende SchaltlogiK. (F i g. 7). dann wird beim Flipflop /, der Ausgang«,

Hierbei wird jeweils nur die Flanke des Impulses zur nicht auf O-Signal gesetzt. Da? anstehende /,-Signal

Messung benutzt, und zwar, wenn sie von dem Wert /. füllt mit dem dritten Q.,-/.-Signal zeitlich zusammen, so

auf den Wert 0 gehl. daß am N'and-Gatter;/, die Und-Funktion gegeben ist.

Bei dem Fehlerbeispiel gemäß den F i g. 2 und 3 55 In gleicher Weise erfolgt die Kontrolle bei der entwird, wenn das zweite Q,-Vor-Signal nicht vorhanden gegcngc-etzten Drehrichtung des Drehgebers, also bei ist. das zweite t/₂-Vor-Signal nicht nach 0 gesetzt und der Signalreihe, die mit »rück ' bezeichnet ist.
bleibt auf L stehen. Beim nächsten 90°-Schritt erhält F i g. 8 zeigt die Auswertelogik für die Störungsdes inverse ^₂-Signal L, und das Richtungsflipflop /„ meldung und gehört zu den F i g. 4 bis 7. Hierbei weist am Ausgang«,, ebenfalls ein L-Signal auf. Die 6° sind die Signalfolgen mit Q₁, Q₁₁, Q₂, Q₂, bjzeich-Und-Bedingung am Nand-Gatter n._A ist gegeben, und net. Z sind die Zählimpulse und P die Prüfimpulse.
es erscheint an dessen Ausgang A ITI ein O-Signal, das Z₁ bis f₄ sind wieder die Eingangsglieder für die am Ausgang A vm Nand-Gatter It₂ ein L-Signal her- Umformung der Signale Q₁ bis Q₂₁.
vorruft. /, bis I₄ sind die Umkehrglieder, «, bis it. die Nand-

Tn gleicher Weise würde z. B. beim Rückwärtslauf 65 Gitter für die Störungsmeldung.

und Ausfall eines Signals Q₂ die Auswertelogik ein /, bis /j sind Flipflops. O₁ bis O₄ sind Oder-Glieder

Störsignal am Ausgang E erscheinen lassen. für die Fortführung des Zähl- oder Prüfsignals als

Hierbei handelt es sich um die vorher erwähnte Zählsignal.

Wenn ein Zählimpuls ausfällt, so wird über die Auswertelogik am Ausgang A des Nand-Gatters H₅ ein Störsignal erscheinen. Es wird aber erfindungsgemäß weiterhin korrekt gezählt, da jetzt an Stelle des Zählimpulses der Prüfimpuls für die Zählung zur Verfugung steht. An ein Oder-Glied O₁. O_r O._r O₄ wii-d jeweils ein Zähl- und das dazugehörige Prüfsignal angeschlossen, also z. B. Q₁ und O₁₁. Hines der beiden Signale wird dann als wirksames Zählsignal weitergeleitet.

Fällt aber umgekehrt ein Prüfsignal aus. so erscheint ebenfalls am Ausgang/) von ii. ein Störsignal, aber auch hier wird weitergezählt. Das Störsignal kann direkt in die Steuerung der Maschine eingreifen bzw. die Bedienung darauf aufmerksam machen, daß das Gerät oder die Schaltung nachgeprüft werden muß. Wichtig ist aber, daß die zu messende Strecke oder der Winkel korrekt gemessen wurde.

F i g.⁽) a zeigt die feststehende Scheibe mit dem Induktivitätsmustcr. Dieses Muster besteht hauptsächlich aus zwei nebeneinander herlaufenden mäandcrförmig hin- und hergeführten Leitungssträngen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind.

Dabei wirkt dieses Muster so. daß die magnetischen Kraftlinien die radial verlaufenden Doppelleiter umschlingen. Das Induktivitätsmuster läßt sich für hinreichend große Periodenzahlen pro Umdrehung ausbilden.

Die drehbare Läuferscheibe (Fig. 9b) enthält an ihrem Umfang nach Art von Windmühlenflügeln angeordnete leitende Felder.

Die erfindungsgemäße Überwachungsschaltung ist nicht grundsätzlich an einen Drehgeber gemäß der F i 2. 9 Ά und 9b gebunden. Sie kann auch bei den eingangs erwähnten optischen bzw. magnetischen Impulsgcbern (Hall-Generatoren) verwendet werden. Dabei ist die Lösung nur etwas aufwendiger als bei dem Impulsgeber gemäß den F i g. 9 a und 9 b.

Claims

Patentansprüche:

1. Digital-inkremental arbeitender Drehgeber, insbesondere für numerische Steuerungen von Werkzeugmaschinen, der zur Richtungserkennung zwei Signalausgänge liefert, die um 90^c gegeneinander phasenverschoben sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Signalausüäiiize zur cecenseitiaen Kontrolle für eine korrekte Impulsgabe benutzt werden, in dem eine Auswertelogik wechselweise die beiden Signale verarbeitet und beim Ausfall eines Signals ein Störsignal erzeugt.

2. Drehgeber nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß zwei selbständige Impulssysteme mit je zwei um 90° versetzte Impulsreihen in einen Geber eingesetzt werden (Zählsystem und Prüfsystem), die sich gegenseitig überwachen und wobei eins der Impulssystemc die korrekte Zählung im Störungsfall aufrechterhält.

3. Drehgeber nach den Ansprüchen I und 2. dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Impulssystem (Prüfsystem) des Drehgehers ein anderes Tatverhältnis als der erste hat.

4. Drehgeber nach den Ansprüchen 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß auf Grund des Aufbaues der Auswertelogik sowohl der Ausfall von Zählimpulsen als auch von Prüfinipulsen zu einet Störmeldung führt.

5. Drehgeber nach den Ansprüchen 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Zähl- und das dazugehörige Prüfsignal an ein Oder-Glied ar geschlossen sind, wodurch auch bei Ausfall eines Zählimpulses oder eines Prüfimpulses eines der beiden Signale als wirksames Zählsignal weitergeleitet wird.

Ci. Drehgeber nach den. Ansprüchen 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß er aus zwei kreisförmigen gedruckten Leiterplatten besteht, von denen die feststehende als gedruckte Leiterbahnmuster ausgebildete Induktivitäten enthält, während auf der drehbaren Platte (Läuferplatte) leitende Felder zur Bedämpfung der Induktivitäten auf der feststehenden Platte angeordnet sind.

7. Drehgeber nach den Ansprüchen 1 und fi. dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivitäten für beide Systeme auf der feststehenden Platte angeordnet sind in Form von zwei Satz Spulensystemen, die zusammen weniger als 360 ar Platz in Anspruch nehmen.

8. Drehgeber nach den Ansprüchen 1. 6 und 7 dadurch gekennzeichnet, daß zu der die Induk tivitäten für beide Impulssysteme enthaltender feststehenden Platte nur eine Läuferplatte anse ordnet ist. die sowohl die Impulsspuleii als aucl die Prüfspulen bedämpft.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen