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Drehzahlmesser für Drehbänke, Fräsmaschinen, Bohrmaschinen
Version 2, 5 stellig


 

Einleitung
Die Drehzahl ist beim arbeiten mit spanenden Maschinen eine wichtige Information für optimale Arbeitsergebnisse. Die in diesem kleine Projekt vorgestellte Messeinrichtung ermöglicht es auf eine Umdrehung genau dies an einer Maschine zu ermitteln.

Maximale Ub 9V-35V DC, 9V-24V AC. Max. Spannung von C2 beachten!
Eingänge 1 x Komparator für Lichtschranken, 1 x Optokoppler, wahlweise über JP1
Anzeige Stellen 4
Maximale RPM 99999 RPM
max. Stromaufnahme 80mA incl. Lichtschranken LED
Platinengröße 75 x 100 mm
Messzyklus 1:1 

Die Theorie
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 Umrechnunng 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 genau 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 die Anzeige ruhig zu halten wird der Mittelwert aus 10 Messzyklen gebildet. D.h. eine Spindel muss sich erstmal 28 mal drehen bevor der erste Messwert ausgegeben wird. Dies verhindert flackern und zappeln der Anzeige.

Die Schaltung
Die eingesetzte Schaltung besteht aus 5 Blöcken

- +5V Regler
- Anzeige mit Decoder
- µProzessor Atmega8
- Optokoppler für externen Sensor
- Komparator für Reflex oder Gabel Lichtschranke

Die Schaltung kann sowohl mit Gleichspannung als auch mit Wechselspannung versorgt werden. Ideal sind 9V, mit dieser Spannung wird der Spannungsregler am geringsten thermisch belastet. Meine Tests haben ergeben das bis 12V DC kein Kühlkörper notwendig ist. Höhere Spannungen erfordern eine Kühlung von IC1. Maximal dürfen 24V AC oder 35V DC verwendet werden. Mehr hält der Regler nicht aus. Werden mehr als 25V DC erreicht muss der Kondensator C2 durch einen spannungsfesteren Typ ersetzt werden am besten 470µF/63V.
Der Trimmer R1 dient zur Einstellung der Schaltschwelle des Komparators für die Lichtschranke. Er sollte so eingestellt werden das die Schaltsignale eindeutig erkannt werden können.
Die Lichtschranken müssen über ein 4 adriges abgeschirmtes Kabel angeschloßen werden. Die Schirmung darf nur einseitig aufgelegt werden und zwar auf der Seite der Platine. Maximale Länge des Kabels 1m.

Unter diesem Link gibt es ein kleines Video das den Drehzahlmesser im Einsatz zeigt.

Sensoren
Wichtigster Bestandteil der ganzen Schaltung sind die Sensoren die die mechanische Rotatiosbewegung in ein elektrisches Signal wandeln. Die Schaltung hat zwei Eingänge die per Jumper JP1 ausgewählt werden können:

Ist Pin 1 und Pin2 von JP1 gebrückt so wird der Eingang für Lichtschranken aktiviert.
Ist Pin 3 und Pin2 von JP1 gebrückt so wird der Optokoppler Eingang (OK1A) aktiviert.

Der Eingang für die Lichtschranken enthält neben dem Komparator für die Signalaufbereitung auch die Widerstände für die Arbeitspunkt Einstellung der Lichtschranke. Die angebene Dimensionierung ist für die Reflexlichtschranke CNY70 ausgelegt. Kommen andere Lichtschranken mit dem gleichen Schaltungsprinzip zum Einsatz so müssen sowohl R2 & R3 gemäß der Hersteller Vorgaben angepasst werden. Die Beschaltung des Komparators R1 & R19 sind davon nicht betroffen. Mit R1 muss nur ein neuer Arbeitspunkt eingestellt werden, der ein jitterfreies Signal an den µProzessor liefert.

Wird der Optokoppler Eingang verwendet so können dort fertige Sensoren angeschloßen werden. Die entweder einen PNP oder NPN Ausgang haben. Aber Achtung auf die richtige Polung  der LED achten.

- Näherungsschalter
- Magnetsensoren
- Reedkontakte (nur bei niedrigen Drehzahlen)
- etc.

Da der Optokoppler den Sensor galvanisch von der Messschaltung trennt muss die LED-Seite des Optokopplers von der Stromversorgung des Sensors versorgt werden. Hierbei muss beachtet werden das der angegebene Wert von R8 für eine 3V Stromversorgung dimensioniert ist. Hier noch die Werte für die weiter üblichen Versorgungsspannungen von 5V, 12V und 24V:


Spannung 5V 12V 24V
R8 220 Ohm 680 Ohm 1,5kOhm/1W

Da die Eingangs LED ohne jeglichen Überspannungsschutz versehen ist muss man vorsichtig zu Werke gehen und immer den richtigen Vorwiderstand verwenden.

Bei der Platzierung des Sensor an der Maschine sollte man auf folgendes achten:

- Vibrationsfreie Montage

- Kein Öl, Fett oder KSM Kontakt für den Sensor. Wichtig vor Allem bei optischen Sensoren.

- Sensorkabel schirmen, Prinzip schon weiter oben erklärt.

- Sensorkabel darf sich weder in Werkstücken noch in rotierenden Maschinenteilen verfangen können.

- Die Nähe von Motorendstufen möglichst meiden.

Anzeige
Die Anzeige übermittelt verschiedene Informationen zum Betriebszustand des Messgerätes.
Nach dem Einschalten werden 5 Nullen in der Anzeige angezeigt. Wird der erste Messimpuls empfangen wird nur noch eine Null angezeigt ab der nächsten Umdrehung erfolgt dann die Anzeige des ersten Messwertes.
Sollte die Drehzahl über 99999 RPM gehen oder der Messimpuls unsauber sein, werden 5 Nullen mit eingeschalteten Dezimalpunkten angezeigt, dies ist die Überlauf Anzeige.
Fallen die Messimpulse aus wird nach 2048mS die Anzeige auf Null gesetzt.  Laufen wieder saubere Messimpulse ein aktualisiert sich die Anzeige automatisch.

Wenn Jemand die Platine oder den programmierten Prozessor benötigt bin ich gerne behilflich. Mail genügt.

Salu Hans

Versuchsaufbau und creatives Chaos


Drehzahlmesser im Einsatz



Sensor Montage



Schaltbild und Bestückungsplan





Bauteile

Menge Wert Device
1 Stromversorgung 2polige Stiftleiste
1 Jumper 3polige Stiftleiste
1 Anschluß LS 5polige Stiftleiste
1 ISP 2x5polige Stiftleiste
1 MEGA8-16PU Atmel-µController
1 Dil-Gleichrichter B80C800DIP
1 CD 4511N Decoder
1 1000µF/25V Elko
3 0,1µF Keramik Kondensator
2 22pF Keramik Kondensator
1 Klemme Klemme 2polig 5mm
1 LM393 Komparator
1 PC817 Optokoppler
1 16Mhz Quarz HC49/U-S
1 CNY70 Reflex Lichtschranke
5 7 Segment Display SC56-11GWA Knightbright
1 LM7805 Spannungsregler
1 6,8µF Tantal
1 Reset Taster
1 10k Trimmer 6mm
9 100 Widerstand 1/2W
1 39k Widerstand 1/2W
1 4,7k Widerstand 1/2W
1 1,2k Widerstand 1/2W
2 1M Widerstand 1/2W
1 100 Widerstand 1/2W
4 10k Widerstand 1/2W