DE1219699B - Analog-Digital-Umsetzer zum Umsetzen eines Winkels in ein kodiertes elektrisches Signal - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

GOId

Deutsche KL: 42 d-2/50

Nummer: 1219 699

Aktenzeichen: L 47239IX b/42 d

Anmeldetag: 9. März 1964

Auslegetag: 23. Juni 1966

Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Umsetzer zum Umsetzen eines Winkels in ein kodiertes .elektrisches Signal mittels Kodescheiben, der zur Messung von Drehbewegungen bzw. für mittels Spindeln oder Zahnstangen in Drehbewegungen umgesetzte Längsbewegungen dient. Ein derartiger Umsetzer wird auch Winkelkodierer genannt. Dieser Winkelkodierer gewährleistet eine absolute Messung der Position, da jedes Wegelement als kodierte, insbesondere als binär kodierte Zahl dargestellt wird, wobei die zur Darstellung der Zahlen notwendigen Kodemuster auf der Kodescheibe aufgebracht sind; in der Regel ist dabei jeder Binärziffer eine Spur des Musters zugeordnet.

Besitzt der Winkelkodierer nur eine Kodescheibe, SO ist er nur zur Positionsablesung für Drehwinkel bis zu 360° geeignet. Der Meßbereich kann aber in vielen Fällen auch mehrere Umdrehungen umfassen, z. B. bei der Messung von Längsverschiebungen an Hand der Spindelumdrehungen.

In solchen Fällen könnte die Drehung so weit untersetzt werden, daß der Meßbereich nicht über eine Drehung hinausgeht. Fehler des Getriebes gehen dann aber in nachteiliger Weise direkt ein.

Aus diesem Umstand heraus verwendet man zur Erfassung einer Vielzahl von Umdrehungen mehrere durch Getriebe untersetzt angetriebene Kodescheiben, wobei die Positionsablesung nach der Methode der Zonenumschaltung, auch V-Ablesung oder Doppelabtastung genannt, erfolgt. Da bei einer derartigen Ablesung von Scheibe zu Scheibe wachsende Toleranzen zulässig sind, sind dadurch Getriebefehler innerhalb gewisser Grenzen unschädlich.

Die Kodescheiben des Winkelkodierers werden zweckmäßig photoelektrisch abgetastet. Im Hinblick auf die verbesserte Qualität der lichtempfindlichen Elemente ist es heute möglich, die Kodescheiben durch eine Lichtquelle, d. h. zentral, zu beleuchten.

Bei einem Winkelkodierer mif zwei Kodescheiben könnte man eine zentrale Beleuchtung, d. h. eine Beleuchtung durch eine Lampe in der Weise durchführen, daß die beleuchtende Lampe zwischen den beiden Kodescheiben, d. h. in dem Raum, der durch das Getriebe bedingt ist, liegt.

Aus konstruktiven und wartungstechnischen Gründen ist der Analog-Digital-Umsetzer zum Umsetzen eines Winkels in ein kodiertes elektrisches Signal mit mindestens zwei photoelektrisch abgetasteten Kodescheiben, von denen die eine durch ein Getriebe untersetzt angetrieben wird, im Hinblick auf eine zentrale Beleuchtung gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß die eine Kodescheibe nur auf einem Analog-Digital-Umsetzer zum Umsetzen eines
Winkels in ein kodiertes elektrisches Signal

Anmelder:

Licentia Patent-Verwaltungs-G. m. b. H.,

Frankfurt/M., Theodor-Stem-Kai 1

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Wolfgang Pabst, Neu Isenburg

Kreisring das Kodemuster trägt und im verbleibenden Teil zumindest teilweise transparent ist und die andere Kodescheibe gerade in dem Teil das Kodemuster aufweist, der dem transparenten Teil gegenübersteht.

Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, daß die photoelektrischen Abtaster für die beiden Kodescheiben räumlich relativ eng benachbart sind und daß daher die nachgeschalteten elektronischen Elemente in einem für beide Scheiben gemeinsamen Raum untergebracht werden können. Dieser Raum ist ebenso wie der Raum, in dem die Lampe sitzt, leicht von außen zugänglich, weil die Kodescheiben zwischen den beiden Räumen liegen.

Als transparent im Sinne der Erfindung ist dabei sowohl eine Kodescheibe zu verstehen, die teilweise aus lichtdurchlässigem Material besteht, als auch eine Scheibe, die einen kleineren Durchmesser hat, wenn der »transparente« Teil außen liegt«

Der Aufbau des erfindungsgemäßen Winkelkodierers kann daher auch so getroffen werden, daß die der Beleuchtungseinrichtung benachbarte Kodescheibe (transparente Scheibe) einen kleineren Durchmesser als die zweite Kodescheibe aufweist, wobei die transparente Kodescheibe auf der ganzen Fläche und die zweite Kodescheibe nur auf dem überstehenden Kreisring das Kodemuster trägt.

Bei einem Winkelkodierer mit nur zwei Kodescheiben ist jedoch die Auflösung bzw. die Anzahl der erfaßbaren Umdrehungen begrenzt. Es ist nämlich bei vertretbarem Aufwand nicht möglich, für beide Scheiben sehr feine Teilungen, z. B. 1024 Teilungen, zu verwenden und beide Kodescheiben durch ein hoch untersetzendes Getriebe, z. B. im Verhältnis 1:1024, zu untersetzen, da wegen der Toleranzen in

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der Lage der Abtaster der untersetzt angetriebenen Kodescheibe 2, die beispielsweise ein 'Kodemuster Kodescheibe das Getriebespiel begrenzt ist (theore- nach dem Dualkode beliebiger Teilung trägt. Diese tisch ein Viertel der Teilung). Aus diesem Grunde Kodescheibe 2 ist mit einem beispielsweise im Versind der Auflösung der untersetzt angetriebenen hältnis 32:1 untersetzenden Getriebe 4 verbunden, Scheibe und damit der maximalen Untersetzung des 5 auf dessen Abtriebswelle 5 eine Kodescheibe 6 sitzt, Getriebes Grenzen gesetzt. . i <ü_e für dieses Beispiel 32teilig ist. Diese Kodescheibe

Grundsätzlich kann diese Grenze durch Erhöhung weist einen transparenten Teil 6 α und einen das

der Präzision des Getriebes nach höheren Werten hin Kodemuster tragenden Teil 6 b auf. Die Kodescheibe 6

verschoben werden; jedoch ist von einem bestimmten ist mit einem ebenfalls beispielsweise im Verhältnis

Wert ab der Aufwand dafür in Relation zur erreich- io 32:1 untersetzenden Getriebe 8 verbunden, auf

ten Auflösung nicht mehr wirtschaftlich. dessen Abtriebswelle 9 eine Kodescheibe 10 sitzt, die

Zur Berücksichtigung des vorstehenden Umstandes ebenfalls ein Kodemuster gemäß dem Dualkode ist es für die Erfassung einer · Vielzahl von Um- tragen und 32teilig sein soll. Zur zentralen Beleuchdrehungen bei genügender Auflösung zweckmäßiger, tung der Kodescheiben ist eine Lichtquelle 11 vormehr als zwei, beispielsweise drei Kodescheiben mit 15 gesehen, die im Brennpunkt von zwei Kondensorgeringer Auflösung und dementsprechend auch Ge- Linsen 12,13 angeordnet ist. Durch die Kodescheiben triebe mit geringerem Untersetzungsverhältnis zu fällt daher annähernd paralleles Licht auf die scheverwenden. Im Hinblick auf die zentrale Beleuchtung matisch dargestellten photoelektrischen Empf angskönnte man· den Winkelkodierer nun so ausbilden, anordnungen3,7,14. Dadurch, daß gemäß derErfindaß die dritte zusätzliche Kodescheibe auf der der 20 dung die Kodescheibe 6 einen transparenten Teil 6 a Beleuchtungsquelle abgewandten Seite des aus zwei . aufweist, ist es möglich, auch die Kodescheibe 10 Kodescheiben bestehenden Winkelkodierers liegt, zentral zu beleuchten.

wobei die benachbarte Scheibe in dem Teil transpa- Es ist auch denkbar, die Kodescheibe 6 im Durchrent auszubilden wäre, der dem das Kodemuster messer kleiner zu halten, etwa wie die Kodescheibe tragenden Teil der' dritten Scheibe gegenüberliegt. 25 10 nach F i g. 1, und den Durchmesser der Kode-Ganz entsprechend -könnten auch eine vierte, fünfte scheibe 10 so groß zu machen wie den Durchmesser Scheibe usw. angeordnet werden. der Kodescheibe 6 nach Fi g. 1. Die Kodescheibe 10

Bei einem derartig aufgebauten Winkelkodierer, ist dann so auszubilden, daß sie in dem überstehen-

bei dem die Beleuchtungseinrichtung vor der ersten den Kreisring das Kodemuster trägt.

Kodescheibe sitzt und alle Scheiben damit von einer 30 Der dargestellte Winkelkodierer mit drei Scheiben

Seite beleuchtet werden, vergrößert sich der Durch- baut auf einem Winkelkodierer mit zwei Kodeschei-

messer der Kodescheiben mit ihrer Anzahl. ben auf, von denen eine, die Scheibe 6, gemäß der

Aus vorstehendem Gesichtspunkt heraus ist gemäß Erfindung transparent ist; die Lampe ist zwischen einem Ausbildungsmerkmal. der Erfindung die An- der dritten zusätzlichen Scheibe und der Zwei-Kodeordnung bei einem, Winkelkodierer mit einer dritten 35 Scheibenanordnung vorgesehen,
zusätzlichen Kodescheibe so getroffen, daß die Be- Den mit zwei Kodescheiben vorgesehenen, gemäß leuchtungseinrichtung zwischen der zusätzlichen und der Erfindung ausgebildeten Winkelkodierer erhält den beiden anderen Kodescheiben angeordnet ist. man, wenn bei der Anordnung nach Fig. 1 die

Dadurch kann die zusätzliche dritte Scheibe, die Kodescheibe 2 und in Verbindung damit auch das zweckmäßig unmittelbar mit dem in seiner Dreh- 40 Getriebe 4, die Linse 13 und die Empfangsanordbewegung zu erfassenden Anlagenteil gekuppelt ist nung 3 entfallen. Bei einem derartigen Winkelkodie- und über ein Getriebe "die transparente Kodescheibe rer sind, wie leicht zu erkennen, die Lampe 11, die antreibt, auf der ganzen Fläche ein . Kodemuster ja nur eine bestimmte Brenndauer hat und daher getragen, ohne daß dadurch der Durchmesser der legentlich ausgewechselt werden muß, sowie die beiden, anderen Kodescheiben beeinträchtigt würde. 45 photoelektrischen Empfangsanordnungen 7, 11 ein-Der Winkelkodierer kann infolgedessen in seinem schließlich der dazugehörigen elektronischen Bau-Durchmesser relativ Jclein gehalten werden. steine sehr leicht von außen zugänglich, wobei außer-

Darüber hinaus hat die vorstehend erläuterte dem die elektronischen Bausteine in einem gemeinerfindungsgemäße Lösung des zentralen Beleuchtungs- samen Raum untergebracht werden können,
problems bei einem Winkelkodierer mit drei Kode- 5° Die Fig. 1 zeigt lediglich eine prinzipielle Darscheiben gegenüber Lösungen mit Spiegel od. dgl. stellung, insbesondere hinsichtlich der Getriebe 4,8. den Vorteil, daß .der Durchmesser des Winkel- In der praktischen Ausführung wird man die Anordkodierers im wesentlichen durch den Durchmesser nung aus beleuchtungstechnischen Gründen so trefder Kodescheibe bestimmt wird und die zentrale fen, daß die Kodescheiben 6 und 10 möglichst eng Beleuchtungseinrichtung nicht vergrößert wird. Auf 55 benachbart sind. In der F i g. 2 ist eine derartige, für Winkelkodierer mit möglichst kleinem Durchmesser die praktische Ausführung geeignete Ausführungswird jedoch in der Praxis besonderer Wert gelegt. form dargestellt, wobei mit der F i g. 1 übereinstim-

Die Erfindung wird nunmehr an Hand der Be- mende Elemente mit denselben Bezugsziffern verschreibung von in der Zeichnung dargestellten Aus- sehen sind.

führungsbeispielen des Winkelkodierers erläutert. 60 Die Anordnung nach Fig. 2 unterscheidet sich Den Ausführungsbeispielen liegt dabei eine Ausfüh- von der Darstellung nach F i g. 1 im wesentlichen rungsform mit drei Kodescheiben zugrunde, wobei dadurch, daß durch eine besondere Anordnung der die Beleuchtungseinrichtung zwischen zwei Scheiben Getriebe die Lagen der Kodescheiben 6 und 10 verliegt, tauscht sind. Weiterhin sind in Fig. 2 der einfachen

Die Fig. 1 zeigt in schematicher Darstellung das 65 Darstellung wegen nur im Verhältnis 8:1 unterPrinzip, das der Erfindung zugrunde liegt. setzende Getriebe dargestellt. Es ist daher jeweils

Auf einer Welle 1,, die mit dem Anlagenteil, dessen noch ein 4:1 untersetzendes Zahnräderpaar hinzu-

Drehbewegung zu messen ist, gekoppelt ist, sitzt eine zudenken. ι

Auf der Welle 1, auf der die Kodescheibe 2 sitzt, ist das Zahnrad 4 α befestigt, das mit dem Zahnrad 4b im Eingriff steht. Die Welle la ist gegenüber der Welle 1 im Verhältnis 4:1 untersetzt. Auf der Welle la sitzt das Zahnrad 4 c, das mit dem Zahnrad 4d im Eingriff steht, wobei das Zahnrad 4 d das auf der die Kodescheibe 6 tragenden Welle 5 befestigte Zahnrad 4e antreibt. Die Wellen 5 und 5 a sind — mit entgegengesetztem Drehsinn — gegenüber der Welle la im Verhältnis 2:1 und damit gegenüber der Welle 1 im Verhältnis 8:1 untersetzt. Auf der Welle 5 a, der Antriebswelle des Getriebes 8, sitzt das Zahnrad 8 a, das mit dem Zahnrad 8 δ im Eingriff steht. Die Welle 5 b ist daher im Verhältnis 4:1 untersetzt. Über die Zahnräder 8 c, 8 d und 8 e findet eine weitere Untersetzung im Verhältnis 2:1 statt. Das Zahnrad 8 e, an dem die Kodescheibe 10 befestigt ist, ist dabei über Kugellager auf der Welle 5 drehbar gelagert. Die Kodescheibe 10 trägt in dem Teil 10 a das Kodemuster und ist in dem Teil 10 b transparent, während die Kodescheibe 6 im Teil 6 a das Kodemuster aufweist.

Ist wegen der Erfassung einer Vielzahl von Umdrehungen eine vierte Kodescheibe notwendig, so wird sie zweckmäßig der Kodescheibe 2 zugeordnet. Soll dabei die Kodescheibe 2 die mit dem Anlagenteil unmittelbar verbundene Kodescheibe bleiben, so wird die vierte Scheibe vorteilhaft transparent ausgebildet und rechts neben der Kodescheibe 2 angeordnet sowie mittels Kugellager auf der Welle 1 drehbar gelagert.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen wird davon ausgegangen, daß die Scheiben dual kodiert sind. Es können auch andere Kode, z. B. der dezimal-dual-Kode angewendet werden, wobei der Kode im Getriebe durch entsprechende Änderung der Übersetzungsverhältnisse je eines Zahnradpaares berücksichtigt wird.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Analog-Digital-Umsetzer zum Umsetzen eines Winkels in ein kodiertes elektrisches Signal mit mindestens zwei unter Verwendung einer zentralen Beleuchtungseinrichtung photoelektrisch abgetasteten Kodescheiben, von denen die eine durch ein Getriebe untersetzt angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kodescheibe (6) nur auf einem Kreisring (6 b) das Kodemuster trägt und im verbleibenden Teil (6 a) zumindest teilweise transparent ist und die andere Kodescheibe (10) gerade in dem Teil das Kodemuster aufweist, der dem transparenten Teil gegenübersteht.

2. Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Beleuchtungseinrichtung (11,12,13) benachbarte transparente Kodescheibe (6) einen kleineren Durchmesser als die andere Kodescheibe (10) aufweist und die transparente Kodescheibe (6) auf der ganzen Fläche und die andere Kodescheibe (10) nur auf dem überstehenden Kreisring das Kodemuster trägt.

3. Umsetzer nach Anspruch 1 oder 2 mit einer dritten zusätzlichen Kodescheibe, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung (11, 12, 13) zwischen der zusätzlichen (2) und der transparenten Kodescheibe (6) angeordnet ist.

4. Umsetzer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Scheibe (2) unmittelbar mit dem in seiner Drehbewegung zu erfassenden Anlagenteil gekuppelt wird und über Getriebe (4) die transparente Scheibe antreibt.

5. Umsetzer nach Anspruch 1 oder 2 mit zusätzlichen Kodescheiben, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Kodescheiben jeweils auf der der Beleuchtungsseite abgewandten Seite der Zwei-Kodescheibenanordnung angeordnet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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