DE1290347B - Anordnung zum Erzeugen eines von der Winkelstellung zweier gegeneinander drehbarer Koerper abhaengigen Anzeige-und/oder Steuersignals - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Erzeugen eines von der Winkelstellung zweier gegeneinander drehbarer Körper abhängigen Anzeige- und/oder Steuersignals mit einer gegenüber dem einen Körper ortsfesten Abtasteinrichtung aus mindestens zwei in bestimmtem Abstand voneinander angeordneten Abtastern, die in einem von einer einzigen Strahlungsquelle erzeugten, mittels einer bewegten Blendeneinrichtung örtlich periodisch geänderten Strahlungsfeld angeordnet sind.
• Bei einer bekannten Anordnung dieser Gattung ist die an dem zweiten Körper befestigte Blendeneinrichtung eine kreisförmige Scheibe mit in Drehrichtung abwechselnd aufeinanderfolgenden Schlitzen und Spiegeln. Von den als Photozellen ausgebildeten Abtastern ist der eine derart angeordnet, daß er bei bestimmten Drehwinkelstellungen der Blendeneinrichtung Licht durch einen der Schlitze erhält, und der zweite Abtaster ist auf derselben Seite wie die Lichtquelle derart angeordnet, daß er jeweils unmittelbar nach der Belichtung des ersten Abtasters Licht erhält, das von dem neben dem betreffenden Schlitz angeordneten Spiegel reflektiert worden ist.
• Die Drehbewegung der Blendenscheibe soll mit der Bewegung eines zweiten Körpers synchronisiert werden, der eine Skaleneinteilung aufweist, von der das Licht einer weiteren Lichtquelle in sich periodisch verändernder Intensität auf eine dritte Photozelle reflektiert wird. Die beiden ersten Photozellen erzeugen keine eigenen Steuerimpulse, sondern dienen nur als Ventil für die Impulse der dritten Photozelle und sind derart an eine Steuereinrichtung angeschlossen, daß ein Impuls der dritten Photozelle, der durch das von der ersten Photozelle gebildete Ventil hindurchgelangt, eine Relativbewegung der beiden zu synchronisierenden Körper in der einen Richtung erzeugt, während ein Impuls der dritten Photozelle, der durch das von der zweiten Photozelle gebildete Ventil hindurchgelangt, eine Relativbewegung in der anderen Richtung hervorruft.
• Es sind auch Anordnungen bekannt, mit denen sich die Drehzahl eines umlaufenden Körpers, z. B. einer Welle, dadurch bestimmen läßt, die Häufigkeit des Erscheinens einer oder mehrerer an dem umlaufenden Körper vorgesehener Marken an einem ortsfesten Abtaster bestimmt wird, der beim Erscheinen der Marken Impulse abgibt, deren Frequenz gemessen wird und ein Maß für die Drehzahl darstellt.
• Die Impulsabgabe kann dabei auf mechanischem, magnetischem, kapazitivem, induktivem oder lichtelektrischem Wege erzeugt werden.
• Die Entfernung des Körpers von einer bestimmten Ausgangslage bzw. die vom Körper durchlaufende Strecke läßt sich bei diesen Einrichtungen durch Zählen aller von dem Abtaster seit dem Entfernen des Körpers aus der Ausgangslage abgegebenen Impulse bestimmen.
• Eine auf diese Weise vorgenommene Entfernungs-bzw. Lagebestimmung eines Körpers ist um so genauer, je enger und genauer die abgetastete Teilung ist. Es ist daher bereits vorgeschlagen worden, sehr genaue und insbesondere für die Messung kleiner Wegstrecken geeignete Teilungen auf optischem Wege durch die Interferenz von Gitterstrichen zweier übereinanderliegender optischer Gitter zu erzeugen.
• Die mit dem Abzählen von Impulsen arbeitenden Einrichtungen lassen nur dann eine Lagebestimmung zu, wenn der Körper eine Strecke tatsächlich durch- laufen hat, da andernfalls gar keine zählbaren Impulse erzeugt werden.
• Soll die Bestimmung der Lage aus der durchlaufenen Strecke auch dann möglich sein, wenn der Körper seine Bewegungsrichtung wechselt, ist eine Unterscheidung der in der einen oder anderen Bewegungsrichtung abgegebenen Impulse und entsprechende Addition bzw. Subtraktion erforderlich. Bekannte Einrichtungen, bei denen eine durchleuchtete Strichplatte oder ein Interferenzmuster auf photoelektrischem Wege abgetastet werden, weisen zwei oder drei Photozellen auf, die das Muster in geringem Abstand voneinander abtasten und ständig gegenseitig phasenverschobene Signale abgeben, wobei aus der Phasenverschiebung die Bewegungsrichtung des Körpers bestimmt wird. Über entsprechend betätigte Kippschaltungen werden die aus einem der Signale abgeleiteten Zählimpulse entweder dem Additions- oder dem Subtraktionskanal eines Zählers zugeleitet.
• Die Erfindung ist eine Weiterbildung eines bereits bekanntgewordenen Prinzips zum Erzeugen eines von der Lage zweier gegeneinander drehbarer Körper abhängigen Anzeige-und/oder Steuersignals. Für die Lagebestimmung nach diesem Prinzip ist es nicht erforderlich, daß der Körper eine Maßstrecke durchläuft; die Lage des Körpers läßt sich daher z. B. auch dann bestimmen, wenn der Körper anfänglich noch keine Bewegung ausgeführt hat. Aufgabe der vorliegenden Weiterbildung ist es, das sowohl bei linearen Bewegungen wie bei Winkelbewegungen anwendbare Prinzip gemäß dem älteren Patent in einer einfachen und doch zuverlässig und genau arbeitenden Anordnung zum Messen und gegebenenfalls Beeinflussen der Winkelstellung zweier gegeneinander drehbarer Körper zu verwirklichen.
• Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Anordnung der eingangs beschriebenen Gattung ist zur Erzielung des sich örtlich ändernden Strahlungsfeldes zwischen der gegenüber den Abtastern ortsfest angeordneten Strahlungsquelle und den in vorbestimmten Abständen auf einem Kreis um die Strahlungsquelle vorgesehenen Abtastern die an dem zweiten Körper befestigte Blendeneinrichtung mit in Drehrichtung abwechselnd gleichmäßig aufeinanderfolgenden, strahlungsdurchlässigen und strahlungsundurchlässigen Blendenteilen vorgesehen, und der Kreisabstand zwischen den einzelnen Abtastern weicht derart von dem Kreis abstand zwischen den einzelnen strahlungsdurchlässigen und/oder zwischen den strahlungsundurchlässigen Blendenteilen ab, daß die Summe aller Abstandsdifferenzen kleiner oder gleich dem Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Blendenteilen ist, und die Ausgangssignale der Abtaster sind zum Vergleich mit einem vorgegebenen, die einzelnen Abtaster in strahlungsempfindliche Betriebsbereitschaft setzenden Schaltzyklus zeitlich nebeneinander angeordnet.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jedem Abtaster ein optisches System mit einer oder mehreren Linsen zugeordnet.
• Eine Anordnung mit den Merkmalen der Erfindung läßt sich auch zum Messen oder Zählen von Relativdrehungen eines ersten Körpers gegenüber einem zweiten in der Weise verwenden, daß sie mit einer oder mehreren gleichartigen Anordnungen durch ein Getriebe derart verbunden ist, daß der sich drehende Teil jeder nachgeordneten Anordnung im Verlauf von jeweils mehreren Umläufen der vorangehenden Anordnung einmal umläuft.
• Die Blendeneinrichtung kann derart gestaltet sein, daß die Beleuchtungsintensität an jeder Photozelle bei einer Umdrehung der Blendeneinrichtung eine vollständige Periode durchläuft; wenn eine höhere Genauigkeit gefordert wird, ist es aber zweckmäßig, wenn die Blendeneinrichtung so gestaltet ist, daß die Beleuchtungsintensität bei einer Umdrehung mehrere vollständige Perioden durchläuft.
• Die erfindungsgemäße Anordnung ergibt auch bei hohen Drehzahlen der Blendeneinrichtung von beispielsweise 30 000 U/min Anzeige- und/oder Steuersignale, die der Winkelstellung der beiden gegeneinander drehbaren Körper mit praktisch der gleichen Genauigkeit entsprechen wie bei geringer Drehgeschwindigkeit.
• Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an drei Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in Fig. 1, 2 und 3 jeweils in einer perspektivischen Ansicht dargestellt sind.
• In F i g. 1 ist eine Welle 1 einer Werkzeugmaschine dargestellt, deren Winkelstellung gemessen werden soll. An der Welle 1 ist koaxial eine zylindrische Blendeneinrichtung 2 mit in gleichmäßigen Winkelabständen aufeinanderfolgenden Blendenfingern 3 befestigt, radial innerhalb der Blendenfinger eine ortsfeste Glühlampe 4 und radial außerhalb ein ebenfalls ortsfestes Linsensystem 5 vorgesehen.
• Das Linsensystem umfaßt vier teilzylindrische Linsen 6 von denen jede so angeordnet ist, daß sie das Licht der Glühlampe 4 auf eine von vier Photozellen 7 fallen läßt.
• Die Beziehung zwischen der Anordnung der Linsen 6 und Photozellen 7 und der Breite und Teilung der Blendenfinger 3 ist derart, daß bei jeder Stellung der Blendeneinrichtung 2 jede der Photozellen mit einer Beleuchtungsintensität beaufschlagt wird, die gegenüber der Beleuchtungsintensität an einer der anderen Photozellen um 900 phasenverschoben ist. Die Anordnung ist derart, daß jede Photozelle 7 einem trapezförmigen Beleuchtungszyklus ausgesetzt ist, bei dem die Photozelle während eines kleinen Abschnitts der Drehbewegung der Welle 1 eine maximale Beleuchtung empfängt und dann jeweils für einen größeren Abschnitt einer stetig abnehmenden Beleuchtung ausgesetzt ist, um schließlich während eines ebenso kleinen Abschnitts wie der erste Abschnitt mit minimaler Intensität beleuchtet zu werden, worauf die Beleuchtungsstärke am Ende des Zyklus erneut stetig auf den Maximalwert zunimmt.
• Gegebenenfalls könnte auch eine dreieckige oder auch eine eher sinusförmige Wellenform vorgesehen sein.
• Die vier Photozellen 7 werden von einer Schalteinrichtung 8 abwechselnd jeweils für die Hälfte des Zyklus der Schalteinrichtung ein- und ausgeschaltet; die Zeitpunkte, in denen die vier Photozellen eingeschaltet werden, sind um jeweils 900 des Schaltzyklus gegeneinander versetzt, d. h., die Einschaltzeit jeder Photozelle überlappt sich mit den Einschaltzeiten von zwei anderen Photozellen um jeweils 900.
• Die Ausgangssignale der Photozellen werden kombiniert, und das Kombinationssignal wird durch eine Entzerrungsstufe geleitet und dann in Rechteckimpulse umgeformt, deren zeitliche Phase die räumliche Phase des Beleuchtungsverlaufs und damit auch die Winkelstellung der Blendeneinrichtung 2 wiedergibt. Die Art der Steuerung der Photozellen 7 und der Verarbeitung ihrer Ausgangssignale ist in dem eingangs erwähnten Patent beschrieben.
• Es hat sich gezeigt, daß die Winkelstellung der Welle auch dann mit hoher Genauigkeit ermittelt werden kann, wenn die Welle mit hoher Drehzahl umläuft; in der Praxis wurden Messungen mit einer Genauigkeit von etwa 6 Bogenminuten durchgeführt.
• Man kann verschiedene Vorrichtungen benutzen, um zu gewährleisten, daß die maximale Beleuchtung jeder Zelle die gleiche ist; bei der Ausbildungsform gemäß F i g. 1 ist eine kleine Schraube 9 vorgesehen, mit der jede Photozelle parallel zur Wellenachse verstellt werden kann, bis bei allen Photozellen gleich große maximale Beleuchtungswerte erzielt werden.
• An Stelle des im vorstehenden beschriebenen, eine Lichtquelle, Linsen und Photozellen umfassenden optischen Systems kann man, um eine gleichwertige Wirkung zu erzielen, auch eine andere elektromagnetische oder eine elektrostatische Strahlungsquelle vorsehen. Als Blendeneinrichtung könnte dann ein umlaufender Leiter vorgesehen sein, und die Abtaster könnten in kapazitiver Beziehung zu dem Leiter stehende elektrostatische Abtaster sein.
• Die vier Linsen 6 in Fig. 1 sind jeweils von einem Teil eines zylindrischen Stabes gebildet. Diese Linsen sind getrennt an einer segmentförmigen Tragplatte 16 befestigt; die Achsen der vier Linsen verlaufen parallel, und die Linsen sind um die Drehachse des Verschlusses herum so angeordnet, daß sie sich gerade gegenseitig berühren. In dieser Anordnung sind die Innenflächen der vier Stababschnitte auf einer Drehbank bearbeitet worden, so daß die teilzylindrischen konkaven Innenflächen der vier Linsen auf einer mit der Blendeneinrichtung gleichachsigen Zylinderfläche 17 liegen. Der Winkel, unter dem der Stabdurchmesser von der Drehachse aus erscheint, muß von dem Winkel, unter dem die Breite jedes Blendenfingers 3 erscheint, um die erforderliche Phasenverschiebung zwischen den Abtastern 7 abweichen, damit die Linsen Licht mit der erforderlichen phasenverschobenen Intensität auf die vier Photozellen 7 fallen lassen.
• Bei der Anordnung nach F i g. 1. sind zehn Blendenfinger 3 vorgesehen, so daß die Beleuchtung der Photozellen 7 bei jeder Umdrehung der Blendeneinrichtung 2 zehn Perioden durchläuft. Bei dieser Anordnung ist es zweckmäßig, das Linsen- und Abtastersystem 5 in der dargestellten Weise auf einem kleinen Segment anzuordnen, doch könnte jede Zelle auch so angeordnet sein, daß sie der Beleuchtung während einer anderen der zehn Perioden ausgesetzt ist, vorausgesetzt, daß die richtige Phasenbeziehung gewährleistet ist.
• Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 2 ist die Blendeneinrichtung eine Scheibe 11, die um ihre Hauptachse drehbar ist, mit Fingern 12, die sich radial nach außen erstrecken; die Lichtquelle 4 und das Linsen- und Photozellensystem 5 sind auf entgegengesetzten Seiten der Scheibe angeordnet.
• Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 3 ist als Blendeneinrichtung ein zylindrischer Körperl3 mit für Licht undurchlässigen und durchlässigen Teilen 14 und 15 vorgesehen, die sich nach Art eines Gewindes schraubenlinienförmig über den Umfang des Körpers erstrecken, so daß jede Photozelle 7 bei jeder Umdrehung eine Periode vollständiger Dunkelheit und der vollen Beleuchtungsstärke durchläuft. Bei dieser Ausführungsform lassen sich die Photozellen 7 um ihre eigene Achse drehen, um gleich große Werte der maximalen Beleuchtungsstärke einzustellen.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Anordnung zum Erzeugen eines von der Winkelstellung zweier gegeneinander drehbarer Körper abhängigen Anzeige- und/oder Steuersignals mit einer gegenüber dem einen Körper ortsfesten Abtasteinrichtung aus mindestens zwei in bestimmtem Abstand voneinander angeordneten Abtastern, die in einem von einer einzigen Strahlungsquelle erzeugten, mittels einer bewegten Blendeneinrichtung örtlich periodisch geänderten Strahlungsfeld angeordnet sind, d a du r c h g ekennzeichnet, daß zur Erzielung des sich örtlich ändernden Strahlungsfeldes zwischen der gegenüber den Abtastern (7) ortsfest angeordneten Strahlungsquelle (4) und den in vorbestimmten Abständen auf einem Kreis um die Strahlungsquelle vorgesehenen Abtastern die an dem zweiten Körper (1) befestigte Blendeneinrichtung (2) mit in Drehrichtung abwechselnd gleichmäßig aufeinanderfolgenden, strahlungsdurchlässigen und strahlungsundurchlässigen Blendenteilen (3; 12; 14, 15) vorgesehen ist und daß der Kreisabstand zwischen den einzelnen Abtastern derart von dem Kreisabstand zwischen den einzelnen strahlungsdurchlässigen und/oder zwischen den strahlungsundurchlässigen Blendenteilen abweicht, daß die Summe aller Abstanddifferenzen kleiner oder gleich dem Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Blendenteilen ist, und daß die Ausgangssignale der Abtaster zum Vergleich mit einem vorgegebenen, die einzelnen Abtaster in strahlungsempfindliche Betriebsbereitschaft setzenden Schaltzyklus zeitlich nebeneinander angeordnet sind.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Abtaster ein optisches System (6) mit einer oder mehreren Linsen zugeordnet ist.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Zählen von Relativdrehungen eines ersten Körpers gegenüber einem zweiten mit einer oder mehreren gleichartigen Anordnungen durch ein Getriebe derart verbunden ist, daß der sich drehende Teil jeder nachgeordneten Anordnung im Verlauf von jeweils mehreren Umläufen der vorangehenden Anordnung einmal umläuft.