Das
ist jetzt die 5.Variante des Themas Drehzahlmesser.
Die neue Version wurde notwendig da einige Bauteile der anderen Version nicht mehr lieferbar sind.
- große und helle Anzeige
- kompakter Aufbau
- weiter Messbereich 5 - 99999 U/m
- einstellbare Übersetzungsverhältnisse
- Anschluß für Reflexlichtschranke mit Kontroll LED
Beschreibung
Bei
der zerspanenden Bearbeitung von Werkstücken ist die Drehzahl ein
wichtiges Kriterium für den korrekten Betrieb der Maschine. Ist
die Drehzahl zu hoch kann es zu unnötiger Erwärmung des
Schneidwerkzeuges kommen bis hin zum ausglühen der Schneiden. Von
daher ist die Kenntnis der korrekten Drehzahl eine wichtige Information
für den Maschinenbediener.
Erste
mechanische Drehzahlmesser wurden schon Anfang des 19.Jahrhunderts von
Dietrich Uhlhorn 1817 für Textilmaschinen erfunden. Sie
funktionierten nach dem Fliehkraftprinzip. Seit 1840 kamen diese
nachdem Fliehkraftprinzip funktionierenden Drehzahlmesser bei
Lokomotiven zum Einsatz. 1888 wurde von Josip Belušić der erste
elektromechanische Drehzahlmesser erfunden. Ein angetriebener Magnet
induzierte in einem Messwerk eine Spannung die proportional zur
Drehzahl der antreibenden Welle war. So funktionierende Drehzahlmesser
werden heute noch produziert und z.B. in der Bahntechnik eingesetzt.
Aber
zurück zur Materialzerspanung und der Drehzahlmessung. Es gibt in
der Elektronik zwei Methoden zur Ermittlung einer Drehzahl:
- zählen der Umdrehungen innerhalb eines festen Zeitfensters
- messen der Zeit die eine Umdrehung benötigt.
Die
erste Methode ist die genaueste da sie direkt und ohne Umrechnung den
gewünschten Wert ausgibt. Sie hat aber einige entscheidende
Nachteile.
- für genaue Werte muss mindestens 1 Minute gemessen werden, was zu einer langsamen Anzeige führt.
-
misst man in einem kleineren Zeitfenster (1 sec.) dann muss der
Messwert mit 60 multipliziert werden um auf einen Minutenwert zu
kommen. D.h. der kleinste Messwert ist somit auch 60, was unbrauchbar
ist.
Die zweite Methode ist in unserem Fall die Bessere. Es wird die Zeit
gemessen die eine Umdrehung benötigt. Aus diesem ermittelten Wert
wird die Drehzahl errechnet. Damit dies funktioniert muss eine genaue
Zeitmessung erfolgen. Dies ist mit modernen µProzessoren kein
Problem wenn der Takt über ein Quarz erzeugt wird. Die hiermit
erreichbare Genauigkeit ist voll ausreichend.
Um
ein „wackeln“ der Anzeige zu vermeiden wird nicht nur eine
Umdrehung ausgewertet sondern mehrere aus denen dann der Mittelwert
errechnet wird. Dieses Verfahren führt zu einer bedeutend
ruhigeren Anzeige.
Das
nächste Bauteil das benötigt wird ist ein Sensor der die
Umdrehungen der Welle auswertet. Hier hat man die Qual der Wahl:
- Optische Reflexmessung
- Lichtschrankenmessung
- Hallgenerator
- Näherungssensor
Die
Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Ich habe mich in
dem Drehzahlmesser Projekt für die optische Reflexmessung
entschieden. Diese ist am einfachsten zu realisieren und benötigt
als Reflektionsfläche nur einen schwarz/weißen
Papierstreifen. Wegen seiner guten Verfügbarkeit habe ich einen
CNY70 Reflexsensor ausgewählt der in einem selbst gedrehten
Alugehäuse steckt mit einer M8 Schraubbefestigung. Aber Vorsicht
mit dem Bauteil die Pin Belegungen sind von Hersteller zu Hersteller
unterschiedlich. Immer das Original Datenblatt des Herstellers zu Rate
ziehen. Der Sensor besteht aus einer Infrarot-Diode und einem
Fototransistor. Da man mit dem bloßen Auge das Leuchten der
Infrarotdiode nicht sehen kann, ist eine Digital Kamera sehr Hilfreich.
Sie ist in der Lage das Infrarote Licht sichtbar zu machen. Bei richtig
angeschlossener Diode leuchtet diese blass bläulich im Display der
Kamera. Auf dem Foto des Sensors an der Bohrmaschine ist dies gut zu
sehen.
Jetzt
stecken wir schon voll in der Beschreibung des Drehzahlmesser
Projektes. Deshalb vorab noch ein paar Kenndaten des Messgerätes:
Meßbereich 5 -99999 U/m (RPM)
Stromversorgung 9V/ 30mA
Anzeige 4 oder 5 stellig
Einstellbare Unter oder Übersetzung von 1:99 – 99:1
Anschluss für optischen Sensor
Das
sind die Eckdaten der Schaltung. Die gesamte Schaltung ist auf 2
Platinen verteilt die oberste Platine trägt die Anzeigen mit dem 7
Segment Decoder, die unterste Platine den µProz. die
Stromversorgung und die Signalaufbereitung. Die Schaltung kann 4 oder 5
stellig aufgebaut werden. Die linke Anzeige kann bei der 4 stelligen
Variante einfach weggelassen werden.
Nun
zur Beschreibung der Schaltung. Die Stromversorgung wird über eine
Schutzdiode vor Verpolung geschützt. Der daran anschließende
Längsregler LM7805 macht aus der mindestens 3 V höheren
Versorgungsspannung die 5V Logikspannung. Spannungslieferant kann ein
beliebiges Steckernetzteil mit 9V Ausgangsspannung sein. Ein
Kühlkörper ist nicht nötig da die Verlustleistung gering
ist. Der zweite wichtige Schaltungsteil ist der Schmitt-Trigger
für die Reflex Lichtschranke. Der Schmitt-Trigger sorgt dafür
dass die vom Sensor eingehenden Drehimpulse in ein sauberes TTL Signal
umgewandelt werden. Das Poti am Schmitt-Trigger ermöglicht es die
Empfindlichkeit der Schaltung einzustellen. Eine LED auf der
Anzeigeplatine hilft dabei die richtige Einstellung zu finden.
Die
3 Taster können weggelassen werden, dann arbeitet die Schaltung im
1:1 Modus d.h. eventuelle Getriebe werden bei der Messung nicht
berücksichtigt. Aber nicht immer ist es möglich die Drehzahl
direkt am Werkzeug zu messen. Manchmal ist der Getriebekasten der
bessere Ort für die Drehzahlmessung. Deshalb gibt es die 3 Taster
hier können Getriebe Unter oder Übersetzungen eingestellt
werden. Dies ist im Bereich von „1 : 99“ bis „99 :
1“ möglich.
Wie
funktioniert das nun. Drückt man kurz auf die OK Taste so
erscheint in der Anzeige „12345“ für eine kurze Zeit.
Danach wird das aktuelle Übersetzungsverhältnis angezeigt. Im
Auslieferungszustand 1:1. Mit den beiden Tastern R&L kann jetzt die
linke oder die rechte Anzeige hochgezählt werden. Ist man bei
„99“ angekommen springt sie wieder auf „1“. Hat
man das passende Übersetzungsverhältniss eingestellt so kann
man durch drücken der OK-Taste die eingestellten Werte
abspeichern. Die Werte werden dauerhaft im EERAM des Prozessors
abgespeichert und werden bei jedem Neustart eingelesen.
Das
Herz der Schaltung ist der ATMEGA8 Prozessor. Er wird mit 16MHz
getaktet und ist Quarzstabilisiert. Dies ermöglicht eine optimale
und genaue Zeitmessung. Die 7 Segment Anzeigen werden über einen
CD4543 Decoder angesteuert, dies erspart dem Prozessor die aufwendige
Dekodierung der angezeigten Zeichen und spart Ports am Prozessor, die
dann für andere Funktionen genutzt werden können. Sollten
Dezimalpunkte in der Anzeige erscheinen so ist das die Information dass
die gemessene Drehzahl größer als 99999 U/m ist. Dies kann
auch durch Störimpulse verursacht werden, deshalb wird das
Programm von einem Watchdog überwacht der nach 4 Sec. das Programm
neustartet wenn ein Fehler vorliegt.
Der
Prozessor kann direkt in der Schaltung programmiert werden hierzu dient
der ISP-Stecker. Als Programmiersprache ist BASCOM von mir eingesetzt
worden. Dies ermöglichte es mir komfortabel einen schnellen und
kompakten Quellcode zu erzeugen. 
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