|
Ich hatte meine Drehbank, eine Optimum OPTI D 240 x 500 G, seinerzeit
in der Grundausstattung mit 400V Drehstrommotor gekauft, da ich das
folgende Zubehör selber nachrüsten wollte
- stufenlose Drehzahlregelung
- digitale Drehzahlanzeige
- digitale Positionsanzeige
|
Die stufenlose Drehzahlregelung läßt sich einfach durch einen
geeigneten Frequenzumrichter realisieren. Ein Bekannter hat mir
ein Gerät vom Typ (Berges ACM-S2) überlassen. Um jedoch die
gewünschte Drehzahl auch gezielt einstellen zu können, braucht die Maschine eine Drehzahlanzeige.
Das
Poti zur Drehzahleinstellung des Frequenzumrichters und die
digitale
Drehzahlanzeige der Hauptspindel soll wie bei der Optimum Opti D240x500
G Vario in dem kleinen Bedienfeld oberhalb der Spindel Platz finden.
Auf der Frontplatte findet sich noch der Platz für einen Schalter um die
Funktion der Kühlmittelpumpe zwischen Dauer- und
Automatikbetrieb umschalten zu können.
|
|
 |
... die drei Schritte zum Erfolg  |
|
|
 nach oben
|
Die Anforderungen an die Drehzahlanzeige sind:
- Wenige Bauteile und damit geringe Abmessungen
- Weiter Betriebsspannungsbereich
- Universell nutzbar an Drehbank, Fräse oder Ständerbohrmaschine
- Keine exotischen oder abgekündigten Bauteile
- 4-stellige
7-Segment LED Anzeige
- Zählerelektronik und Anzeige auf separaten
Platinen, um verschiedene 7-Segmentanzeigen nutzen zu können.
|
|
| Um eine geeignete
Zählerschaltung an die Impulserzeugung der Hauptwelle
anpassen zu können, habe ich mir eine passende Lochscheibe mit 60
Schlitzen aus Epoxyd Basismaterial hergestellt, schwarz lakiert und auf die Hauptspindel
montiert. Die Impulsaufnahme erfolgt mit einer Gabellichtschranke vom
Typ CNY36. |
 |
|
| Impulsscheibe mit 60 Schlitzen ... |
... montiert auf die Hauptwelle |
 |
 |
Mit 60 Schlitzen läßt sich das Impulssignal der Lochscheibe direkt auf einem
herkömmlichen Frequenzzähler darstellen. Der
Frequenzzähler zeigt dann direkt die Umdrehungen pro Minute an.
Da eine Drehzahlanzeige also nichts anderes als ein Zähler ist,
der die von einem geeigneten Abnehmer erzeugten Impulse einer sich drehenden Welle in einem
festgelegten Zeitfenster zählt und zur Anzeige bringt, habe ich das Internet
nach Frequenzzählern und allgemeinen Zählerschaltungen
durchsucht. Bei meinen Recherchen fand ich einige Schaltungen, die sich
in zwei Gruppen unterteilen lassen.
- Zählerschaltungen basierend auf einem Mikroprozessor
- Zählerschaltungen in diskreter Halbleitertechnik aufgebaut
Auf den ersten Blick bestechen die Schaltungen der ersten Gruppe durch
einen geringen Bauteileaufwand und den daraus resultierenden kleinen
Abmessungen, sowie der Möglichkeit wichtige und auch unwichtige
Zusatzfunktionen in die Programmierung mit einfließen lassen zu können.
Bezieht man jedoch auch das Programmiergerät nebst
Programmiersoftware und passendem Rechner mit ein,
dann erhöht sich der Aufwand, zumindest am Anfang, doch
erheblich. Wer noch niemals einen
Mikroprozessor programmiert hat schreckt hier vielleicht erstmal etwas
zurück.
In der Linksammlung befindet sich eine Übersicht zum diesen Schaltungen und Programmiergeräten.
Ich
selber habe meine Suche auf die diskret aufgebauten Zählerschaltungen
beschränkt, und meine Anzeige basierend auf dieser Schaltung aufgebaut:
|
Ansicht vergrößern |
Das Grundprinzip
der Zählerschaltungen ist eigentlich immer gleich. Ein
Quarz und ein Teiler erzeugen eine stabile Taktfrequenz und geben
zyklisch für die erzeugte Periodendauer den Takteingang eines
oder mehrerer
Zählerbausteine frei. Diese zählen dann, für den Zeitraum der Periodendauer, die
eingehenden Impulse eines Abnehmers an der Hauptspindel und
stellen das
Ergebnis auf einer mehrstelligen LED 7-Segmentanzeige in Umdrehungen
pro Minute dar. Es folgt ein Reset und der Zählvorgang
startet von vorne.
Zur Takterzeugung werden IC´s wie der CD 4521 oder 4060 eingesetzt.
Als Zähler kommen der 4026, 4553, 40192 oder der bereits
abgekündigte und auch nicht gerade preiswerte 74C926 in Frage.
Je nach Zählerbaustein ist noch ein BCD zu 7 Segment Konverter und Treiber dem Zähler nachgeschaltet.
Während der 4553 gleich 3 Anzeigen ansteuern kann, benötigt
man beim 4026 pro Segmentanzeige ein eigenes IC, dafür ist aber
der BCD zu 7 Segment Konverter und Treiber gleich mit drin.
Eine Ausnahme ist der 74C926, der ist Zähler, BCD zu 7 Segment
Konverter und Treiber, und daß gleich für 4-stellige
Anzeigen, aber wie gesagt abgekündigt und sehr teuer. |
Meine Wahl fiel auf die oben gezeigte Schaltung, die mit dem
4521 als Taktgeber, einigen NAND Gattern zur Signalaufbereitung, zwei
4553 als Zähler und zwei 4511 als Anzeigentreiber aufgebaut ist.
Die Schaltung ist einfach und lässt sich in weiten Teilen
verändern und anpassen.
Da mein Fundus alles, bis auf einen zweiten Zähler vom Typ 4553
hergab , habe ich die Schaltung erstmal 3-stellig aufgebaut.
Hunderter - Zehner - Einer.
Drehzahlen bis 999 U/min wurden auch einwandfrei dargestellt, für
höhere Drehzahlen fehlte dann doch die "Tausender" Stelle.
Da jedoch bereits eine weitere Dezimalstelle zwei
zusätzliche IC bedeutet hätte, habe ich mir eine
andere Lösung einfallen lassen.
|
nach oben
|
Das
folgende
Beispiel zeigt, wie die Schaltung der 6 stelligen Anzeige auf
vier Stellen zusammen schrumpfen kann und sich dabei 2
Anzeigen, ein Zähler und ein Anzeigentreiber
einsparen lassen. Dabei sei angemerkt, daß sich
diese Schaltung nur noch sehr bedingt für eine herkömmliche
Frequenzmessung eignet und der Messfehler astronomisch hoch wäre.
Die Spindeldrehzahl in diesem Beispiel soll konstant 1273 Umdrehungen
pro Minute betragen. Der 6-stellige Frequenzzähler würde bei
einem Abnehmer mit 60 Impulsen pro Umdrehung und einer Torzeit von einer Sekunde jetzt folgendes anzeigen: |
 |
Die ersten beiden 7-Segment Anzeigen können wegfallen, da sie bei
Drehzahlen unterhalb von 9999U/min sowieso nicht angesteuert werden.
Die Anzeige wird 4-stellig und sieht dann so aus: |
 |
|
Teilt man nun die Anzahl der Eingangsimpulse vom Drehzahlsensor durch
10, verschiebt sich die Anzeige um eine Stelle nach rechts. Damit
fallen in diesem Beispiel zwar die 3 Umdrehungen der Einerstelle unter
den Tisch, aber für die Drehzahlanzeige einer Drehbank, Fräs-
oder Bohrspindel ist das wohl unerheblich. |
|
|
|
Die linke Stelle ist somit frei geworden, sie würde erst ab
Drehzahlen über 9999 wieder angesteuert werden und kann daher
nebst Zähler und Anzeigentreiber wegfallen. Die Schaltung ist jetzt
also auf einen Zähler vom Typ 4553 und einen Anzeigentreiber 4511 zusammen
geschrumpft. Zur Darstellung der
Drehzahl ist sie aber nicht wirklich geeignet, da man den angezeigten
Wert immer erst mit 10 multiplizieren müßte. Also 10 x 127 = 1270 U/min. |
|
|
Montieren wir aber einfach eine 7- Segmentanzeige ganz rechts, und
schalten diese statisch auf den Wert "Null", dann wird die Anzeige
wieder vierstellig wobei der "Einer"- Wert immer auf Null stehen bleibt.
Die Null deshalb, damit auch bei Stillstand der Maschine in der Anzeige "0000" erscheint. |
|
|
Somit haben wir
aus der ursprünglichen Schaltung zwei IC´s , zwei
7-Segmentanzeigen und einige Widerstände
streichen können.
Damit die gerade genannten Maßnahmen zur Einsparung einiger
Bauteile auch erhalten bleiben und nicht ein
zusätzlicher 10:1 Teiler im Eingang der Zählerschaltung
erforderlich wird, teilt man nicht die von der Lochscheibe
kommenden Eingangsimpulse durch 10, sondern erzeugt statt der 60
Impulse pro Umdrehung einfach nur 6 Impulse. Damit ist diese
4-stellige Anzeige auch wieder an den Meßwert angepasst. |
|
|
Bei meinen
Tests mit dieser veränderten Schaltung sind mir
aber noch ein paar störende Kleinigkeiten aufgefallen. Steuert man
z.B. den Zähler direkt von der Lichtschranke an, dann kann je nach
Position der Lochscheibe bei Stillstand ein High oder Lowpegel am
Clockeingang (Pin 12) anstehen. Bei einem Highpegel übernimmt die
Anzeige diesen Wert und zeigt auf der jetzigen Zehnerstelle eine "1"
was 10 Umdrehungen entsprechen würde. Dieses Problem habe ich
durch das noch
freie NAND1 Gatter des 4093 und die Kombination aus Kondensator C1,
Widerstand R3 und Diode D1 beseitigt. Den Takteingang erreichen
über den Kondensator weiterhin die Impulse des Abnehmers,
aber bei Stillstand der Hauptwelle wird der Zählereingang
durch den Widerstand auf Lowpegel gezogen. Die Zehnerstelle der Anzeige
bleibt somit auf Null.
Weiterhin war mir die Torzeit von einer Sekunde für die Erfassung der
Drehzahlen doch etwas zu hoch, die Anzeige folgte einer Drehzahländerung immer mit
einer gewissen Verzögerung.
Auch diese Tatsache lässt sich einfach und ohne großen Aufwand beseitigen.
Der Taktgeber IC1 stellt an seinen Ausgängen verschiedene
Frequenzen zur Verfügung, ich habe einfach die Torzeit auf
¼ Sekunde (IC1 Pin 13) verringert,
dadurch wird die Anzeige jetzt statt 1 mal gleich 4 mal pro Sekunde
ausgewertet. Noch kleinere Torzeiten machten die Anzeige wieder
unruhiger.
Für diese Veränderung der Torzeit muß allerdings
die Eingangsfrequenz, also die Lochscheibe angepasst werden.
Die verkürzte Torzeit von ¼ Sekunde gibt dem Zähler
auch nur die Zeit ¼ der Eingangsimpulse zu zählen, daher
muß die Lochscheibe jetzt 4 mal mehr Impulse pro Umdrehung
erzeugen, aus den 6 Schlitzen wurden also letztendlich 24 Schlitze gemacht. |
nach oben
|
Die abgeänderte Schaltung sieht nun so aus:
|
| Zähler und Netzteil |
Display |
Ansicht vergrößern |
Ansicht vergrößern |
|
|
IC1
erzeugt in Verbindung mit dem 4,194304 MHz Quarz ein sehr genaues
Taktsignal . Teilt man die ungewöhnliche Frequenz von
4,194304 Mhz durch 222,
dann steht am Ausgang Q22 - Pin13 von IC1 ein Taktsignal von 1Hz an,
bzw. an Ausgang Q21 - Pin14 von IC1 ein Takt von 2Hz. Dieses Taktsignal
gelangt direkt auf den Disable Eingang Pin11 von IC2 und gibt somit den
Takteingang Pin 12 des Zählers für den Zeitraum der positiven
Signalflanke frei. Es werden jetzt alle Impulse, die von der
Gabellichtschranke über den Differenzierer und das NAND1 Gatter
ankommen solange gezählt, bis das Taktsignal von IC1 wieder
abfällt. Jetzt erhält der Latch Enable Eingang von IC2 einen
kurzen Impuls über das NAND2 Gatter und übergibt
sein Zählerergebnis an die Anzeige IC3, um kurz darauf
über die Gatter NAND 3 und 4 mit einem Masterreset wieder auf Null
zurück gesetzt zu werden. Der Zählvorgang beginnt mit dem
nächsten positiven Taktsignal von IC1. Die Ansteuerung des
Digitalpunktes in der Einer-Stelle vom Taktsignal aus hat keinen
Einfluss auf die Funktion und kann daher auch entfallen.
Da der Betriebsspannungsbereich der CMOS Bausteine zwischen 5
und 15 Volt liegen darf, läßt sich die
Spannungsversorgung um den Spannungsregler an vorhandene
Spannungsquellen anpassen. Man sollte dabei darauf achten, daß
die Spannungsdifferenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung des
Spannungsreglers nicht zu groß ist. Evtl. muß der
Spanungsregler durch ein kleines Alublech gekühlt werden.
Ebenso sollte der Wert des Widerstandes R1 bei höherer
Betriebspannung vergrößert werden.
Durch den Gleichrichter im Eingang lassen sich sowohl Gleich, wie
auch Wechselspannungsnetzteile anschließen, die wenigstens 300mA
liefern.
|
nach oben
|
Die Platinen sind in 3 Bereiche unterteilt, und
ermöglichen eine flexiblere Anpassung an verschiedenen 7
Segmentanzeigen. Vorraussetzung ist immer eine gemeinsame Kathode
der Anzeigen.
- Taktgenerator, Impulsaufbereitung, Zähler und Anzeigentreiber, Netzteil
- Anzeige
- Gabellichtschranke
Die Hauptplatine ist mit der Anzeige über zwei Steckerleisten (10pol und 3pol) verbunden. Die Platinen werden über Stehbolzen direkt hinter die Frontplatte geschraubt. |
|
| Die unbestückten Platinen |
die Impulsscheibe mit 24 Schlitzen |
 |
 |
|
|
|
das fertig bestückte und montierte Modul
 |
|
|
| ... und das funktionierende Anzeigemodul |
|
 |
|
|
|
|
