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Drehzahlmesser für Drehbänke, Fräsmaschinen, Bohrmaschinen
Version 5, 4-5 stellig kompakt

 


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. Wer einen programmierten Prozessor benötigt oder die Platine kann sich gerne an mich wenden


Versuchsaufbau mit Vorteiler 1:10 für niedrige Drehzahlen


Fast maximal Anzeige



> 100.000 U/min



Die bestückten Platinen Version 5




Gehäusebau



Gehäuseteile











Lichtschranken Anschluß






Übersetzung 1:1