DE2837108C3 - Meßvorrichtung für Längen und/oder Winkel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruches genannten Art

Eine solche Meßvorrichtung ist in der älteren Patentanmeldung gemäß deutscher Auslegeschrift $8 12 187 beschrieben. Nach diesem Stand der Technik ■wird ein Grundfrequenzsignal mit Hilfe einer Teilerstu- Se in ein sinusförmiges sowie ein kosfnusförmiges Signal einer ersten Frequenz geteilt, durch die die Statorwicklungen eines Drehmelders beaufschlagt werden. Das an der Rohrwicklung des Drehmelders abgegriffene Spannungssignal weist gegenüber den au den Statorwicklungen anliegenden Signalen eine Phasenverschiebung auf, die zur Drehlage des Rotors proportional ist und die wie folgt bestimmt wird: ein Meßwertzähler wird mit den Grundfrequenzsignalen getaktet und jeweils beim Nulldurchgang eines der an den Statorwicklungen anliegenden Signales gelöscht und beim Nulldurchgang des an der Rotorwicklung abgegriffenen Signales gestoppt Die Zahl der zwischen dem Löschen und Stoppen des Meßwertzähiers gezählten Impulse ist ein Maß für die Phasenverschiebung und somit ein Maß für die Winkelstellung des Rotors des Drehmelders. Mit dieser Meßvorrichtung ist somit nur eine Winkelbestimmung des Rotors des Drehmelders innerhalb einer Umdrehung möglich. Eine Erfassung der Drehung über mehr als 360° würde aufwendige Zusatzeinrichtungen erforderlich machen, die in der genannten Druckschrift nicht beschrieben sind. Die bekannte Meßvorrichtung ist des weiteren nicht für ein Meßlineal mit Mäandern geeignet, da keine Einrichtungen vorgesehen sind, mit denen die Zahl der überstrichenen Mäander ermittelt werden könnte.

Aus der DE-OS 19 36 677 ist ein System zur Anzeige von Winkellagen mittels Drehmeldern bekannt Bei dem bekannten System werden die Statorwicklungen eines Drehmelders mit zwei um 90° phasenverschobenen Eingangssignalen beaufschlagt Die Phasenlage des an der Rotorwicklung des Drehmelders abgegriffenen Signals ist ein Maß für die Winkellage des Rotors. Die Phasenlage des am Rotor abgegriffenen Spannungssignals wird dadurch bestimmt, daß aus einem der an den Statorwicklungen anliegenden Eingangssignale und dem Ausgangssignal der Rotorwicklung digitalisierte Impulse abgeleitet und verglichen werden. Aus dem Vergleich ergibt sich ein Meßimpuls, dessen zeitliche Dauer ein direktes Maß der Phasenlage des Rotors ist. Durch zeitliche Integration des für die Phasenlage proportionalen Meßimpulses wird ein Spannungssignal

to gewonnen, das über Anzeigeinstrumente sichtbar gemacht wird. Auch dieses bekannte System ist zur Erfassung von Mehrfachumdrehungen nicht geeignet. Da des weiteren die Signale in der oben beschriebenen Weise analog verarbeitet werden, ist die Genauigkeit

is dieses Systems nicht sehr groß.

Aus der DE-OS 20 54 553 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überaittlung der Winkellage eines drehbaren Bauteiles bekannt. Aus einem Drehmelder oder Resolver werden erste und zweite zyklische Signale abgeleitet, die sich entsprechend (sin Φ sin ωή bzw. (cos Φ sin ωή ändern, wobei Φ der Drehwinkel des Rotors und ω die Kreisfrequenz der Vorsorgungsspannurtg ist Aus dem ersten Signal wird eine Impulsreihe mit einer bestimmten Frequenz abgeleitet, deren Amplitude repräsentativ für den Spitzenwert des ersten zyklischen Signals ist In gleicher Weise wird aus dem zweiten Signal eine zweite Impulsreihe abgeleitet, die die gleiche Frequenz wie die erste Impulsreihe aufweist und deren Amplitude den Spitzenwert des zweiten zyklischen Signals repräsentiert Die erste Impulsreihe ist bezüglich der zweiten Impulsreihe um 90° phasenverschoben. Aus den beiden Impulsreihen wird ein Signal hergeleitet, das eine Funktion von (ant + Φ) ist wobei π die gegebene Impulsfrequenz ist Dieses Signal wird zur Darstellung des Rotor-Drehwinkels Φ mit einem Bezugssignal der Frequenz n verglichen. Die bekannte Schaltung ist wegen der oben beschriebenen gewählten Signalverarbeitung sehr aufwendig und außerdem ebenfalls nur geeignet, die Drehlage des Rotors innerhalb von 360° zu ermitteln, nicht jedoch Mehrfachdrehungen des Rotors in einfacher Weise zu erfassen.

Die DE-OS 1512 216 betrifft einen Analog-Digital-Umsetzer zur Umsetzung eines Winkelsignals in einen Digitalwert, wobei eine zwischen Null und einem vorgegebenen Hilfswert liegende akkumulierte Impulszahl von der Lage des Nulldurchgangs abhängt und dem gesuchten Winkelwert entspricht
Aus der DE-OS 15 48 834 ist ein digitales Meßsystem

so für die Winkelstellung eines räumlich drehbaren magnetischen Wechselfeldes bekannt, bei dem der Phasenunterschied zwischen zwei gegensinnig phasenbeweglichen Wechselspannungen, die mit Hilfe je einer ßC-Brückenschaltung aus zwei phasengleichen Spannungen gewonnen werden, ausgewertet wird. Die Amplituden der phasengleichen Spannungen ändern sich mit dem Sinus bzw. dem Cosinus des Stellungswinkels. Durch einen Frequenzteiler werden aus den phasenbeweglichen Spannungen solche von halber Frequenz gewonnen. Auch dieses bekannte Meßsystem ist nur zur Erfassung des Drehwinkels von 0 bis 360° geeignet

Des weiteren ist eine elektrische Meßvorrichtung aus der Zeitschrift »Werkstatt und Betrieb«, 105 (1972,

es S. 801) bekannt

Bei der bekannten Meßvorrichtung wird ein Meßmäander mit einer sinusförmigen Spannung beaufschlagt. An einem zweiten Meßmäander, der gegen den ersten

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verschiebbar ist, wird eine erzeugte Induktionsspannung abgegriffen. Die Amplitude der Induktionsspannung ändert sich mit der Relativlage der beiden Meßmäander. Wenn die Amplitude den Wert null annimmt, erfährt die übertragene Spannung einen Phasensprung um 180°. Die Amplitudenschwankungen werden bei der bekannten Vorrichtung — ähnlich wie bei einer Schlitzblende — in Digitalsignale umgewandelt, ausgewertet und einem Positionswertzähler zugeführt. Um auch die Richtung der Verschiebung ermitteln zu können, ist sekundärseitig zu dem bereits erwähnten Meßmäander ein zweiter, um 90° räumlich verschobener Meßmäander vorgesehen, der in gleicher Weise arbeitet wie der erste Meßmäander. Aus der relativen Lage der an dem ersten und zweiten Meßmäander gewonnenen Sekundärspannung kann durch eine Torlogik die Richtung der Verschiebung bestimmt werJen. Mn der bekannten Vorrichtung kann die Verschiebung des Meßelements nur mit einer Auflösung bestimmt werden, die einer Meßperiode (Maanderbrei-, te) entspricht. Eine Feinauflösung innerhalb eines Meßmäanders ist mit der bekannten Vorrichtung dagegen nicht möglich.

• Aus der DE-OS 24 59 909 ist ein Längen- oder Wegmesser mit einem Differenzialfühler bekannt, der , zwei sich gegensinnig ändernde elektrische Bauelemente (beispielsweise Kondensatoren) aufweist, die an einen gleichen Wegtaster angeschlossen sind. Die Größe der Kapazität der Kondensatoren hängt von der räumlichen Lage des Tasters ab. Die Kapazität der beiden Kondensatoren wird ermittelt und in ein zur Kapazität proportionales Signal umgesetzt Zur Auswertung dieses Signals werden bei dem bekannten Längenmesser Signale erzeugt, die der Summe der Kapazitäten beider Kondensatoren entsprechen, sowie ein Signal, das dem doppelten Wert einer der beiden Kapazitäten entspricht. Die beiden in ihrer zeitlichen Länge unterschiedlichen Rechteckimpulse werden voneinander subtrahiert, um so ein Ergebnissignal zu erhalten, dessen Dauer ein Maß für die Lage des Tasters relativ zu den beiden Kondensatoren ist. Mit dieser bekannten Vorrichtung ist nur eine Lagebestimmung des Tasters innerhalb des Bereiches der beiden genannten Kondensatoren möglich. Eine Lagebestimmung über eine ausgedehnte Wegstrecke kann nicht vorgenommen werden.

Aus der Zeitschrift »(ATM) Archiv für technisches Messen«, 1973, S. 201, ist eine Vorrichtung zur Digitalisierung analoger Weg- und Winkeimeßsysteme bekannt. Mit Hilfe der bekannten Vorrichtung ist nur eine Positionsbestimmung des Meßmittels innerhalb einer Meßperiode (Mäander oder Drehung) möglich

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs genannten Art zu schaffen, bei der ohne größeren Aufwand an baulichen Maßnahmen sowohl eine Positionswertbestimmung des Meßelementes über praktisch beliebig viele Meßperioden (Meßmäander bei einem Meßlineal oder Umdrehungen bei einem Drehmelder) als auch eine Feinpositionsbestimmung innerhalb eines Meßmäanders, d. h. mit einer Auflösung einer nahezu beliebig kleinen Quantisierungseinheit möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegeben. Bei der Meßvorrichtung gemäß der Erfindung ist für die Erfassung des Wegistwertes die Verschiebung der Phase und diese dabei entstehenden Zeitänderungen ausgenützt. Ein Meßreiter, der mit zwei um Sj° verschobenen Grundfrequenzen gespeist wird, bewirkt bei einer mechanischen Verschiebung auch eine Verschiebung der Phase am Ausgang eines Meßlineals (!nductosyn) ϊ Der Nulldurchgang der Sinusspannung wird als dritter Punkt genützt und einer Torschaltung zugeführt. Die Torschaltung besteht aus einem Referenzzähler und Meßzähler. Die Abweichung des Meßzählers gegenüber dem Referenzzähler wird mittels dritttr Signale in

ίο einem Wegregister festgehalten. Das dynamische Verhalten des Meßzählers wird durch Beeinflussung des Meßsignals über den Rückstelleingang des Registers erreicht. Die dabei gewonnene duale Wegmessung wird positiv und negativ sowie statisch für jede Weglänge dargestellt. Ein Vorteil der Meßvorrichtung im Vergleich, zu bekannten liegt in der Kosteneinsparung durch geringen Aufwand und erheblicher Bauteileeinsparung. Für die Aufbereitung der Meßspannung ist kein

'^besonderer Aufwand durch Analogschaltungen nötig.

2O'.iBei der Montage der Meßmittel braucht der Meßmittelabstand nicht besonders genau eingehalten zu werden. Als Meßmitte! können alle inductosyn- und Drehmeldermeßmittel verwendet werden, die es auf dem Markt gibt, unabhängig von der Bauart. Bei entspre chender Auslegung können die Maßeinheiten auf 0,5 um und weiter verfeinert werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1, 2, 3, 4, 6 ein Anwendungsbeispiel als Lageregler,

F i g. 5 ein Anwendungsbeispiel als Istwerterzeuger. In der F i g. 4 ist die Erzeugung der Meßspannung bei Verwendung von Linearmaßstäben erläutert, und in der

Fig.3 ist die Erzeugung der Meßspannung bei Verwendung der Drehmeßgeber erläutert.

Meßelemente Durch die Einspeisung zweier 90° elektrisch verscho-

bener Spannungen in die 90° räumlich zueinander versetzten Wicklungen des Inductosynreiters bzw. Drehmelders entsteht ein Drehfeld, das in der Skala bzw. in der Starterwicklung des Drehmelders eine Wechselspannung konstanter Amplitude induziert. Bei Verschiebung der Skala zum Reiter bzw. Verdrehung des Rotors zum Starter verschiebt sich diese Meßspannung in ihrer Phasenlage. Beim Inductosyn erreicht sie nach genau 2 mm, beim lOpoügen Drehmelder nach ¹A Umdrehung, beim 2poligen Drehmelder nach einer

^⁰ ganzen Umdrehung wieder die gleiche Phasenlage. Wird der lOpolige Drehmelder an einer Spindel mit 10 mm Steigung angeschlossen, so entspricht '/s Umdrehung einem Weg von 2 mm. Eine Winkelmessung ist ebenfalls mit Rundinductosyn oder mit

Drehmelder möglich. Bei einer Übersetzung von

360 ₌ 180 2 1

und mit 2poligen Drehmeldern ist eine Gradauflösungsfeinheit von 0,001 ° möglich.

Meßmitteleinspeisung

An die Läuferwicklung eines Drehmelders bzw. die Reiterwicklung eines Inductosyn werden zwei 90° zueinander verschobene Rechteckspannungen angelegt mit symmetrischer Spannung bzw. Stromeinspeisung. Da die Wicklungen der Meßgeber örtlich um 90° gegeneinander versetzt sind, entsteht ein Drehfeld, das

in der Sekundärwicklung des Meßgebers unter einer starken Oberwelligkeit eine Wechselspannung konstanter Amplitude induziert. Die Meßspannung wird über Filter nutzbar gemacht und digitalisiert F i g. 1 (2).

Fahrgeschwindigkeit bei beispielsweise nachfolgend aufgeführten Meßmitteln:

Mäanderbreite 2000 Maßeinheiten Festfrequenz 7,5 kHz

7.5 kHz - 75O0Werteinheiten/secx6O « 420/000 Werteinheiten χ 2048

- ca-eoOOOOOO/min «· 86 000 mm/min

- ca. 80 m/min/,,«.

Bis 0,4 m/min können die gefahrenen Werteinheiten einzeln gemessen werden. Die Geschwindigkeit kann aber so weit erhöht werden, bis pro Mäander nur noch eine Messung gemacht wird. Dies darf allerdings nicht mehr überschritten werden, da sonst in der Vermessung 2 mm Fehler entstehen. Die max. Geschwindigkeit beträgt demnach ca. 80 m/min.

Durch Erhöhung der Generatorfrequenz kann die zugelassene Geschwindigkeit entscheidend erhöht werden.

Umformung Meßsignal (siehe F i g. 7)

Das Triggersignal Ki g. 1(5) wandert mit dem Nulldurchgang des Meßsignals. Verschoben wird der Nulldurchgang innerhalb der Mäanderwicklung am Inductosyn je nach örtlicher Reiterstellung. Wird der Reiter innerhalb des Mäanders bewegt, bewirkt dies eine Frequenzänderung des Fehlersignals. Das Triggersignal Fig. 1(5), das nun abhängig vom Meßsignal Fig.3, Fig.4(1) über den Rückstelleingang das dynamische Register im Synchronlauf verfälscht, ergibt dieser Wert eine Abweichung, die genau den gefahrenen Wegeinheiten entspricht. Für die Wegmessung über die Mäander hinweg wird die Übertragsbildung ausgenützt. Bewegt sieh der Reiter z. B. nach Minus, so wird die Frequenz Fig. 1(1) kleiner, das Register wird nicht mehr genau mit der genannten Wertmarke gelöscht; sondern um ein paar Werteinheiten später. Um diese Werteinheiten verschiebt sich auch der Übertragszettpunkt beim neuen Synchrondurchlauf, und damit ist auch eine Veränderung der Wegeinheiten erreicht. Piese Wegeinheiten entsprechen der Mäanderzahl.

Bei Verschiebung des Reiters in pos. Richtung wird das dyn. Register vor Ablauf der Wertmarke getriggert und dabei ebenfalls eine zeitliche Verschiebung des Übertrags F i g. 1(7) erreicht (siehe F i g. 8).

Beim Löschen des dynamischen Registers dürfen Jceinc Wertigkeiten verloren gehen, deshalb wird das Triggersignal Fig. 1(5) mit der Grundfrequenz F i g. 1(11) als zusätzliche Sicherheit ausgeblendet (siehe Fig.9).

M eßsignal-Überwachung (siehe F i g. 10)

Überwachungseinrichtung für Bau !eileausfälle und Kabelbruch

Pie Registerausgänge Fig. 1(7) und Fig. 1(10) werden über eine Und-Verknüpfung geschaltet Wenn der Trigger F ί g. 1(5) ausfällt, wird das Register vor dem Datentrigger Fig. 1(9) nicht mehr rückgesetzt Nachdem auch das Signal Fig. 1(10) noch vorbereitet ist, wird zum Zeitpunkt (A) mil Signal Fig. 1(7) die Überwachung gesetzt. Bei der Übergabe der istweridaten wird bei Ausfall des Meßsignals das Überwachungs signal ani Datenbus mitübergeben und soll der Auswertung die Falschdaten signalisieren. Das Überwachungssignal kann durch eine Rangierung statisch festgehalten und nur über eine separate Löschroutine rückgesetzt werden. Außerdem wird bei Bewegung des Meßreiters auch Unsymmetrie im Reiter erfaßt und als Fehler signalisiert

Bahnregler (Zeichnung F i g. 6)

ίο Bei Bahnsteuerungsbetrieb ist es unbedingt erforderlich, daß alle Achsen die gleichen Anreget- und Ausregelzeiten erhalten. Somit bestimmt die schlechteste Achse das Verfahren aller Achsen. Das sehr aufwendige Einstellverfahren des Regelkreises kann durch geregelten Eingriff des Bahnreglers ersetzt werden.

Der Bahnregler hat die Aufgabe, die Lager der Achse einem vorgegebenen Sollwert nachzufahren. Bei Abweichung werden die Achsen max. beschleunigt und gleichzeitig über die Regelrückführung und Zentralregler das dynamische Verhalten der Maschine automatisch an die schlechteste Achse ausgeregelt. Der Bahnregler, der bisher immer als offener Regler angewendet wurde, wird dadurch zum geschlossenen Regelkreis. Der Vorteil ist ein schleppfreier Regelkreis und keine lustierpunkte. Das dynamische Verhalten der Maschine wurde bisher in Form von Maschinendaten ermittelt und als Leitdaten für den Lageregler in der Steuerung abgelegt Nach der Erfindung ist diese empirische Ermittlung nicht mehr nötig, weil die Maschine ihr dynamisches Verhalten selbst dem Bahnregler vorgibt. Der Bahnregler besteht aus einem Lageregler, Zentiairegler und Interpolator. Der Lageregler hat die Aufgabe, die Achse mit der vorgegebenen Geschwin-

digkeit auf den Endwert zu steuern. Außerdem muß der tstwert steif an den Sollwert ausgeregelt werden. Der Drehzahlsollwert ist digital nach der Komparatorauswertung durch die Istwertunruhe in einem Puls-Pausenverhältnis von 1 :1 und erzeugt dadurch eine Ausgangsanalogspannung von 0 V. Ist-Soll-Abweichungen verändern das Pausenverhältnis und damit die analoge Ausgangsspannung. Der Drehzahlsollwert muß wegen der Oberwelligkeit mit einer Glättung von ca. 2 ms versehen werden, da sonst der Drehzahlregleraus gang teilweise durch die Oberwelligkeit des Sollwertes für das Stellglied unsymmetrisch wird oder die Verfahrachse in Resonanz bringt

Der Interpolator berechnet für eingegebene Interpolationsabschnitte die Bewegungsfolge für die Achsen, so daß die Kombination die gewünschte Kontur ergibt Ein Interpolationsabschnitt wird durch den Endpunkt, bezogen auf den Anfangspunkt, definier:, wobei der Anfangspunkt gleich dem Endpunkt des vorhergehenden Interpolationsabschnittes ist Bei der zweidimensio-

nalen Interpolation werden für eine Gerade die sogenannten Verfahrwege mit ihrem jeweiligen Vorzeichen berechnet und in den Integrator eingegeben. Für einen Kreis werden ebenfalls die Verfahrwege eingegeben, zusätzlich die Mittelpunktkoordinate sowie eine

Information, ob der Kreisabschnitt im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn durchfahren werden soll. Neben diesen geometrischen Angaben muß noch eine Angabe über die gewünschte Vorcchubgeschwindigkeit eingegeben werden, da jedes Rechenergebnis

des Interpolators unmittelbar und sofort in Maschinenbewegung umgesetzt wird (Echtzeitrechnung) (siehe Fig. HX Die Positionsangaben X und Y werden für den

Endwertspeicher berechnet. Als Steigungswerte für den Interpolator werden die Kreismittelpunktkoordinatcn eingerechnet. Über die Kreisweiche werden die Interpoiatorzuordnungen und Bewegungsrichtungen geschaltet Die Interpolationszuordnung der einzelnen Integratoren kann damit beliebig erfolgen. Durch diese Zuordnung ist auch Mitschleppen von einer oder mehreren Achsen oder mehrdimensionale Interpolation möglich.

Zentralregler: Das Einstellen der Antriebsregelung einer Maschine muß bei der dynamisch ungünstigsten Verfahrachse begonnen werden. Meist sind das Achsen, die infolge von mehreren Getriebestufen oder Gewichtsausgleich im Antrieb Spiel und Elastizität aufweisen und dadurch dynamisch ungünstig werden. Das Ausregeln der Dynamik wird mittels Frequenzteiler sowie mit einem Vor- und Rückwärtszähler gelöst. Die Ausgangsfrequenz des Frequenzteilers wird gleichzeitig als Zählfrequenz ausgenützt, womit ein Integrationsverhalten erreicht wird. Durch die hohe Steuerfrequenz (12MHz) ist die Anregelzeit so klein, daß die Vorschubfrequenz ständig an die dynamischen Verän-

s derungen auch während der Beschleunigung angepaßt werden kann. Mittels Frequenzteiler, der über einen Vor- und Rückwärtszähler gesteuert wird, kann die Grundfrequenz so verändert werden, daß der Istwert den Sollwert im Lageregler wieder einholt und damit jede Geschwindigkeitsänderung maschinenoptimal ausgeführt wird. Die für die Regelung notwendige Regelrückführung wird immer von der schlechtesten jAchse wirksam sein und damit das Verhalten der gesamten Maschine prägen.

Der konstruktive Aufbau des Bahnreglers kann mittels konventioneller Beschallung oder, was preisgünstiger ist, mittels programmierter Prozessoren erfolgen.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1
Patentanspruch

Elektrische Meßvorrichtung für Längen und/oder Winkel, beider an einem mit zwei phasenverschobenen Eingangssignalen einer ersten Frequenz gespeisten Meßelemeni (Meßlineal mit Mäander oder Drehmelder) sekundärseitig ein Spannungssignal abgegriffen wird, dessen Phasenlage von der Winkel- oder Wegverschiebung des Mcßelementes abhängt, und bei dem ein Meßwertzähler mit einem Grundfrequenzsignal getaktet wird, dem das sekundärseitig abgegriffene Spannungssignal digitalisiert zugeführt wird, wobei das Verhältnis zwischen der Grundfrequenz und der ersten Frequenz entsprechend der Zahl der pro Meßperiode (Meßmäander oder Umdrehung) gewünschten Quantisierungseinheiten gewählt Wird, dadurch gekennzeichnet, daß des weiteren ein mit dem Grundfrequenzsignal getakteter Referenzzähler vorgesehen ist, daß der Meßwertzähler durch das digitalisierte Spannungssignal einer Teillöschung unterworfen wird und daß der Meßwert für die Winkel- oder Wegverschiebung als Differenz des Zählerstandes des Meßwertzählers und Referenzzählers gewonnen und in einem Positionswertzähler (Istwertregister) gespeichert wird.