Sensoren für Handhabungssysteme

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Kristin Fertig
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1 Versuch 4 Sensoren für Handhabungssysteme Versuchsbeschreibung In diesem Versuch werden Weg- und Winkelmeßsysteme, sowie Näherungssensoren untersucht. Im ersten Teil des Versuches werden Schaltabstand und Schalthysterese eines kapazitiven und eines induktiven Näherungssensors mit Hilfe eines Linearpositioniersystems für verschiedene Schaltmaterialien vermessen. Das Positioniersystem ist spindelgetrieben. Diese wird zu Beginn des Versuches mit Hilfe eines hochgenauen Lineartasters kalibriert (A = ±0,5 µm). Teilscheibe Schaltfahne induktive und kapazitive Näherungssensoren Positionierschlitten Spindel Lineartaster Im zweiten Versuchsteil geht es um Inkrementale Winkelgeber und um Interpolation inkrementaler Signale. Die Versuchsanordnung besitzt drei Winkelgeber auf einer Welle, die über ein Getriebe feinstufig verdreht werden kann. Multiturngeber - M1 = 13 Spuren - N = 512 Winkelschrittgeber N = 1024 Resolver M = 16 Getriebe am bm a1 b1 C1 CH1 CH2 CH3 CH4 Es handelt sich um einen Multiturngeber, einen Winkelschrittgeber und einen Resolver. Alle drei Geber sind über Meßumformer-Baugruppen an einen Rechner angeschlossen, über die die Meßwerte auf den Bildschirm angezeigt werden. Die absoluten Meßdaten des Multiturngebers werden über eine synchronserielle EnDat-Schnittstelle übertragen. Die Inkrementspur des Multiturngebers und 1

Versuch 4: Sensoren für Handhabungssysteme 2 der Inkrementalgeber liefern Sinussignale, die im Meßumformer interpoliert werden können. Dadruch kann die Auflösung der Geber vervielfacht werden.

2 Versuch 4: Sensoren für Handhabungssysteme 2 der Inkrementalgeber liefern Sinussignale, die im Meßumformer interpoliert werden können. Dadruch kann die Auflösung der Geber vervielfacht werden. Die Sinus-Signale a und b der Inkrementalspuren können auf einem Oszilloskop dargestellt werden. Resolver Resolver gleichen eher einer elektrischen Maschine. Sie sind Drehtransformatoren mit zwei um 90 versetzten Spulen, die sinusförmige Signale liefern, deren Amplitude vom Drehwinkel moduliert werden. Dieser kann daher aus den Signalen ermitelt werden. U 2 U 1 U r φ cosθ φ θ φ sinθ Der Rotor erzeugt den Fluß φ, in die um 90 versetzten Statorspulen werden die Flüsse φ sin θ und φ cos θ eingespeist und führen zu den Spannungen u1 = k ur sin θ und u2 = k ur cos θ Dabei ist ur die Spannung an der Rotorspule (Referenzspannung) und k der transformatorische Koppelfaktor. Aus der Beziehung θ = arctan2 (u1/u2) kann im Prinzip der Drehwinkel ermittelt werden. Aufgaben: 1 Kalibrieren der Spindel Den Meßtisch möglichst nahe an die Teilscheibe fahren. Dabei das Klemmen der Spindel vermeiden. Den Taster mit Hilfe der Motorsteuerung an den Meßtisch anfahren und dann die Anzeige auf Null stellen. Den Meßtisch verfahren und die dazugehörenden Werte auf der Teilscheibe und der Anzeige des Tasters ablesen. a) Messen Sie den Weg als Funktion der Umdrehungen n. Bilden Sie eine ideale Gerade, die den Verlauf möglichst gut beschreibt (z. B. durch Regression). b) Stellen Sie fest, wieviele Skalenteile die Scheibe besitzt. Welche Skalenkonstante ergibt sich damit (Weg/Skalenteil)? Welche Spindelsteigung Pideal ergibt sich. In beiden Fällen auf glatte Werte runden. c) Nehmen Sie die Abweichnug x = xa - xw der Spindel über die gesamte Spindellänge auf. xa ist die Anzeige des Meßtasters, xw = Pideal * n.

3 Versuch 4: Sensoren für Handhabungssysteme 3 2 Bestimmung der Schaltschwellen von induktiven und kapazitiven Näherungssensoren Eine Schaltfahne (Kunststoff, Aluminium, Kupfer, Messing, Eisen) in die Aufnahme des Meßtisches einsetzen und den Schaltabstand (Abstand der Fahne vom Geber) für die Ein- und Ausschaltung der Geber durch Drehen der Teilscheibe bestimmen. Daraus ermitteln Sie die Schalthysterese. Metallische Scheiben geerdet und ungeerdet untersuchen. Versuch wiederholen, bis alle Materialien verwendet worden sind. 3 Untersuchung eines inkrementalen Winkelmessers Starten Sie das Programm Inkrementalgeber AE ERO Auf dem Bildschirm erscheint eine Winkelanzeige und ein 32stelliges Binärregister. Die 4 niederwertigsten Bits ganz rechts sind immer 0 werden aber mit ausgewertet. Die 12 Bits im blauen Feld sind mögliche Interpolationsbits. Im gelben Feld stehen 10 Bits, die die auf der Scheibe vorhandenen Striche während einer Umdrehung zählen. Die oberen 6 Bits im roten Feld sind Überlaufbits, die zur Zählung mehrerer Umdrehungen dienen. Stellen Sie die Interpolationsbits auf 0 und drücken Sie RESET. Danach sollten alle Zählerstellen auf 0 stehen. Notieren Sie jeweils den Binär- und den Dezimalwert. 1. Verdrehen Sie die Welle, bis der Winkelwert 1 Bit anzeigt. Welcher Drehwinkel gehört zu diesen Werten? 2. Verdrehen Sie die Welle weiter nach rechts bis alle Binärstellen der Winkelanzeige besetzt sind. Welcher Winkel wird jetzt gemessen? 3. Drehen Sie noch 1 Bit weiter. Welche Dezimal- und Binärzahl ergeben sich und zu welchem Winkel gehören sie? Welcher Zählerwert erscheint, wenn Sie vom Zählerstand 0 um 1 Inkrement nach links drehen? Wie ist dieser Wert zu deuten? 4. Drücken Sie RESET. Wenn alle Zählerstellen auf 0 stehen fügen Sie 2 Interpolationsbits hinzu. Was zeigt der Zähler an, wenn bei allen 4 möglichen Interpolationswerten RESET gedrückt wird? 5. Bis zu wievielen Interpoaltionsstellen kann das LSB noch manuell gezielt verändert werden? 4 Untersuchung des Multiturngebers Starten Sie das Programm Multiturngeber ROQ 425. Der Bildschirm zeigt zwei Winkelanzeigen. Im oberen Anzeigefeld werden der Winkel als analoge Größe (Zeigerinstrument) und der absolute Kode in Binärform ausgegeben. Das untere Feld zeigt die Anzeigen der Inkrementalspur der Hauptscheibe. Notieren Sie zu allen Versuchsschritten die Binär- und Dezimalwerte. 1. Stellen Sie die Anzeigen der Hauptscheibe auf 0 (Kode und Dezimalwert). Bei der inkrementalen Anzeige stellen Sie 0 Interpolationsbits ein und drücken RESET. Drehen Sie um 1 Bit nach rechts. Welcher Dezimalwert wird angezeigt? Wie kann man den Wert begründen? 2. Bei welchem Binärwert der Kodescheibe zählt die Inkrementscheibe gerade 1 Schritt? Welche Erklärung läßt sich dafür angeben? Geben Sie die Binärwerte und die Dezimalwerte der beiden Anzeigen für die Drehwinkel 0, 90, 180, 270 und 360 an.

4 Versuch 4: Sensoren für Handhabungssysteme 4 3. Drehen Sie soweit nach rechts (etwa eine Umdrehung) bis alle Binärstellen des Winkel-Zählers der Inkrementalspur 1 sind. Welche Zählerwerte lesen Sie ab? Wieviel Striche besitzt damit die Inkrementalspur? Wieviel Spuren M1 hat die Hauptscheibe? 4. Stellen Sie die Anzeigen wieder auf 0. Drehen Sie die Absolutanzeige um 1 Bit nach links. Welcher Wert erscheint in der Absolutanzeige? Wieviel Bits hat der Geber insgesamt und wieviele Umdrehungen kann er zählen? 5. Stellen Sie einen Drehwinkel von 90 ein und beenden Sie das Programm. Welche Werte werden nach einem Neustart angezeigt? 6. Fügen Sie beim Inkrementalgeber Interpolationsbits hinzu, bis die gleiche Auflösung wie bei der absoluten Messung erreicht ist. Versuchen Sie durch RESET beide Anzeigen gleichzeitig auf 0 zu bringen. Was stellen Sie fest? 5 Untersuchung des Resolvers Zur Anschauung steht ein Resolver mit Anschluß an ein Oszilloskop zur Verfügung. Stellen Sie die Signale des Resolvers für einige Perioden auf dem Bildschirm dar. Starten Sie das Programm Resolver. Das Bild zeigt die Sinussignale der Spannungen u1 und u2 sowie den Drehwinkel analog (Zeigerinstrument), binär und dezimal. 1. Sehen Sie sich die Signale des Resolvers am Oszilloskop an. 2. Stellen Sie das LSB auf 1. Welcher Winkelwert gehört dazu? 3. Bestimmen Sie die Zahlenwerte der Anzeigen für 0, 90, 180 und Welche Bedeutung kann man den Bits 15 und 16 der Binäranzeige zuordnen? 5. Welche Phasenlagen haben die Spannungen in den vier Quadranten? 6. Wie kann der Drehwinkel aus den Spannungen berechnet werden? 7. Stellen Sie den Drehwinkel auf 90 und beenden Sie das Programm. Was lesen Sie nach dem Neustart ab? Welche besondere Eigenschaft besitzt der Resolver daher? 6 Kalibrierung des Resolvers Starten Sie das Programm Vergleich zweier Drehgeber. Das Programm zeigt die Zählerwerte der Inkrementalspur des Multiturngebers (Referenzgeber) und stellt diese den Anzeigen des Resolvers gegenüber. Außerdem wird die Differenz der Anzeigen dargestellt. In einer Liste lassen sich 36 Wertepaare der beiden Geber abspeichern. 1. Stellen Sie den Resolver auf 0 und führen Sie einen RESET beim Inkrementalgeber aus. Beide Binäranzeigen sollten nun lauter Nullen anzeigen. Drehen Sie in 1 Bit-Schritten nach rechts. Wie ändert sich die Anzeige des Inkrementalgebers? 2. Erhöhen Sie die Interpolationsbitzahl, um auf gleiche Auflösung zu kommen. Stellen Sie den Resolver auf 0. Was ergibt sich nach einem RESET des Inkrementalgebers? Wo liegt die Ursache? 3. Übernehmen Sie alle 10 die Anzeigen der beiden Geber in die Tabelle. Sichern Sie den Daten file und wiederholen Sie die Meßwertaufnahme. Stellen Sie zur Auswertung die Abweichung der Resolveranzeige von der Referenzanzeige als Funktion der Referenzanzeige graphisch dar. Vergleichen Sie die beiden Ergebnissätze. Könnte die Resolvermessung eventuell korrigiert werden?

5 Versuch 4: Sensoren für Handhabungssysteme 5 Auswertung 1 Zeichnen Sie die Linearitätsabweichung der Spindel als Funktion der Umdrehungen n. Was stellen Sie fest? 2 Wie hängen die Schaltschwellen der Näherungssensoren vom Material ab? Wodurch unterscheiden sich induktive und kapazitive Sensoren? 3 Ist die Interpolation erfolgreich? Welche Auflösung ist mit dem Laboraufbau maximal handhabbar? 4 Woher kommen die Abweichungen beim Resolver und welche Eigenschaften haben sie?

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