DE1448881A1

DE1448881A1 - Digitaler Verschluessler mit Nonius

Info

Publication number: DE1448881A1
Application number: DE19631448881
Authority: DE
Inventors: Gunther Wolff
Original assignee: Machine Tool Automation Inc
Current assignee: Machine Tool Automation Inc
Priority date: 1962-02-15
Filing date: 1963-02-15
Publication date: 1969-06-26
Also published as: US3182305A; GB1028365A; DE1448881B2

Description

Machine Tool Automation,Inc,
Southport, Connecticut

Unser Zeichen: M 853

Digitaler Verschlüssler mit Nonius.

Die Erfindung betrifft einen digitalen Verschlüssler, d.h. eine Einrichtung, die im Stande ist, eine mechanische Stellung in ein verschlüsseltes und/oder quantisiertes elektrisches Signal zu übersetzen. Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung, bei der die Quantisierungsteile, oder Quanten, mit denen sie arbeitet, außerordentlich klein sind und die eine sehr hohe Auflösung hat.

Bei einem derartigen digitalen Verschlüssler wird ein beweglicher Teil gegenüber einem feststehenden Teil verschoben. Der feststehende Teil ist im Stande, zwischen zwei (oder zwischen mehr als zwei) Eigenschaften, die ihm der bewegliche Teil darbieten kann, zu unterscheiden, z.B. zwischen einem hohen und einem

■■-*'. * niedrigen

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niedrigen magnetischen Widerstand, zwischen einer optischen Lichtundurchlässigkeit und einer Lichtdurchlässigkeit, zwischen einer elektrischen Leitfähigkeit und einer Isolation, usw. Der "bewegliche Teil ist dabei so gestaltet, daß er bei seiner Bewegung dem feststelaiden Teil eine Folge einander abwechselnder Flächen darbietet, die durch solche entgegengesetzte Eigenschaften charakterisiert sind. Der feststehende Teil dagegen ist so ausgebildet, daß er bei jedem Wechsel der Eigenschaft, den er im beweglichen Teil bei dieser "Abtastung" feststellt, den elektrischen Zustand am Ausgang wechselt (z.B., daß die Ausgangsspannung von 10 Volt auf Kuli geht und umgekehrt.

Bis jetzt war es üblich, die Verschlüsselungsspur des beweglichen Teils aus Elementarflächen zu bilden, die jeweils dieselbe Breite wie das Quantisierungsteil, oder Quantum, mitunter für gewisse Oodes auch die Breite von zwei Quantisierungsteilen, aufwiesen, wobei das Ausgangssignal des feststehenden Teils bei jedem Übergang von einer zur nächstfolgenden Fläche auf dem beweglichen Teil wechselte.

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Es wurde versucht, die Auflösung eines solchen digitalen Verschlüsslers dadurch zu vergrössern, daß man die Breite der einzelnen elementaren Quantisierungsflächen auf der Verschlüsselungsspur mehr und mehr verkleinerte. Aber zwei wesentliche Hindernisse traten auf, die jeder weiteren Verkleinerung der Breite dieser Teile im Wege standen; Schwierigkeiten bei der Herstellung der hierzu erforderlichen außerordentlich feinen "Gitter" und "begrenztes Vermögen der im feststehenden Teil befindlichen Tastorgane, die Grenzen dieser "Gitter^Flächen zu erkennen, also Schwierigkeiten bei der Verwirklichung dieser Tastorgane.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines derartigen digitalen Verschlüsslers, bei dem aber die Breite der auf der Verschlüsselungsspur abwechselnden Flächen ein Vielfaches der Breite sein kann, die ein Aussageverschlüsselungsquantum definiert, so daß die Ausführungsschwierigkeiten außerordentlich verringert werden können, und bei dem die Tastorgane auf einen Wechsel der Eigenschaften des beweglichen Teiles äußerst schnell und sehr genau ansprechen.

Zur

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Zur Erreichung dieses Zieles ist ein digitaler Verschlüssler gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß er ein bewegliches Verschlüsselungsteil enthält, in dem die Breite der zur Verschlüsselung dienenden Flächen größer ist als die Breite, die ein Aussageverschlüsselungsquantum definiert, und daß dem beweglichen Verschlüsselungsteil ein Lesekopf zugeordnet ist, der mehrere. Tastorgane enthält, die in Abständen angeordnet sind, die jeweils einem Verschlüsselungsschritt des beweglichen Verschlüsselungsteils plus zwei Quanten entsprechen,und von denen jedes nur dann ein Ausgangssignal liefern kann, wenn es zentrisch zu einer der charakteristischen Flächen dieses Verschlüsselungsteiles steht.

Gemäss einem weiteren Kennzeichen der Erfindung weist jedes dieser Tastorgane zwei gegeneinanderarbeitende Tastteile auf und es spricht nur auf-die algebraische Summe der Ausgangssignale dieser beiden Tastteile an.

Bei einer bevorzugten Ausführung wird di.e Verschlüsselung des beweglichen Teiles durch Änderungen des magnetischen Widerstandes erreicht, und jedes Differenztastorgan weist zwei Polteile auf und liefert ein Ausgangssignal, das der algebraischen Summe der Flüsse in diesen Polteilen proportional ist, wobei sich die Flüsse entsprechend den

relativen

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relativen Verschiebungen des beweglichen Teiles ändern.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Ss zeigen:

Figur 1 eine Schnittansicht eines digitalen Verschlüsslers mit Nonius gemäss der Erfindung,

Figur 2 eine Unteransicht des Lesekopfes des Verschlüsslers nach Figur 1, entsprechend der Linie 2-2 von Figur 1.

Figur 3 den Verschlüssler im Schnitt, entsprechend der Linie 3-3 von Figur 1,

Figur 4 eine Oberansicht der Verschlüsslerspur im wesentlichen entsprechend der Linie 4-4 von Figur 3,

Figur 5 eine Schaltung, die für den Verschlüssler nach Figur 1 bis 4 zur logischen Zusammenfassung der vom Lesekopf gelieferten Signale benutzt werden kann.

Die Bezeichnung "digitaler Verschlüssler mit Nonius"

ist 909826/0298

ist so zu verstehen, daß die Anordnung der leseköpfe in einem Verschlüssler gemäss der Erfindung dem Prinzip des Nonius der Längenmaßstäbe entspricht.

In Figur 1 sind die vom beweglichen Teil getragene Verschlüsselungsspur 1o und der gesamte Lesekopf 11 zu sehen. Bei dem dargestellten Beispiel bilden die Spur und der Lesekopf zusammen eine lineare Einrichtung, die zum Verschlüsseln einer gegenseitigen linearen Verschiebung von zwei Teilen, auf denen die zwei Teile des Verschlüsslers befestigt sein können, geeignet ist.(Die Bezeichnungen "feststehend" und "beweglich" in der Beschreibung sind nur in relativem Sinne zu verstehen). Pur das Verschlüsseln einer Drehbewegung können die Teile folgerichtig abgewandelt werden.

Der Lesekopf 11 besteht aus mehreren Tastorganen, die im vorliegenden Fall auf Differenzflüsse ansprechende Wandler mit veränderlichem magnetischem Widerstand sind, welche Entnahmewicklungen 12 bis 27 tragen. Figur 5 zeigt ein ausführlicheres Beispiel dieser Tastorgane. Die Entnahmewicklung 24 umschliesst zwei magnetische Polteile 29 und 30. Wenn in diesen Polteilen ein magnetischer Wechselfluß 909826/0298

fluß fließt, wird eine der Zahl der Flußlinien proportionale Spannung in dieser Entnahmewicklung ^f induziert. Pur jeden Polteil ist- eine gesonderte magnetomotorisohe Kraftquelle in Form einer Wicklung 31 bzw. 32 vorgesehen. Diese Wicklungen können bei dem dargestellten Beispiel den sechzehn Tastorganen des Lesekopfes gemeinsam sein. Diese magnetomotorischen Kräfte sind immer so gepolt, daß die entsprechenden magnetischen Flüsse in den Polteilen 29 und entgegengesetzte Richtungen haben. Folglich ist die Ausgangespannung der Entnahmewicklung 24 proportional der Differenz der Flüsse in den Polteilen 29 und 30. Der Fluß in diesen Polteilen ist sehr gering, es sei denn, der Magnetkreis der Erregerwicklung wird durch magnetische Joohe 33 aus Weicheisen auf der beweglichen Versohlüsselungsepur 10 vervollständigt. Die Abstände einerseits zwieohen den Jochen' 33 (siehe Figur 4) und andrerseits zwischen den magnetischen Polteilen 29 und 30 (siehe Figur 2) sind so bemessen, daß der magnetische Fluß für einen halben Schritt der Verschlüsse lungs spur in dem einen Polteil und für den nächsten halben Schritt im anderen Polteil zu einem Maximum wird. Bei der Verschiebung der Spur gegenüber dem Lesekopf ist der mit der Wicklung 24 gekoppelte resultierende Fluß konstant und von gleichbleibender Polarität, bis er schlagartig in die andere Polarität wechselt und bei diesem Übergang durch Null geht. Der

90 9 826/0298 resultierende

resultierende Fluß bleibt nun annähernd während des nächsten Halbschrittes konstant und kehrt dann p-^lötzlieh zu seiner ersten Polarität und zu seinem ersten Wert zurück. Dieser Vorgang wiederholt sioh bei der weiteren Verschiebung der Spur. In der Entnahmewicklung wird eine Wechselspannung erzeugt, deren Wert bis auf einen plötzlichen V-förmigen Einschnitt, der die doppelte Frequenz wie die Schritte auf der Verschlüsselungsleiste hat, konstant ist. Die beschriebene Magnettechnik kann durch eine andere Technik bekannter Art ersetzt werden; es ist z.B. möglich, vor einem G-laslineal mit abwechselnd lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Teilen zwei Photozellen anzubringen, oder ein Paar leitender Sonden könnten über Widerstände (galvanisch) oder kapazitiv mit einer aus abwechselnd leitenden und isolierenden Flächenstücken zusammengesetzten Spur gekoppelt werden. Man kann auch strahlungsempfindliche Köpfe verwenden, die einer Bleiplatte zugeordnet sind, usw.

Jedes einzelne Tastorgan erzeugt also einen elektrischen Ausgangsimpuls, der einer sehr kleinen mechanischen Verschiebung der Spur (z.B. in der Größenordnung von 1/1000 Zoll, d.i. ungefähr 0,025 mm) entspricht und sich in regelmässigen Abständen (z.B. in Abständen von 0,032 Zoll, d.i. ungefähr 0,8 mm) wiederholt. Wenn gemäss Figur 1 und Figur 2 mehrere

Tastorgane in Schrittabständen angeordnet sind, die 909826/0298

dem

dem Schritt der Verschlüsselungsspur plus dem ._% doppelten Abstand zwischen den von einem Tastorgan gelieferten Impulsen entsprechen, wird bei dem vollständigen Vorbeigehen der Verschlüsselungsspur eine stetige Folge von elektrischen Impulsen geliefert.

Die Erregerwicklungen 31 und 32 sind, wie gesagt, allen Entnahmewicklungen gemeinsam. Biese Ausführung vereinfacht den mechanischen Aufbau und ergibt außerdem eine konstante und von der Verschiebung der Verschlüsselungsspur gegenüber dem Lesekopf unabhängige Eingangsimpedanz, weil der resultierende magnetische Widerstand für die primäre magnetomotorische Kraft beinahe konstant bleibt.

Ein Hauptproblem der Einrichtungen mit veränderlichem magnetischem Widerstand ist das Problem der Streuflüsse. Der Streufluss beeinflusst die Entnahmewicklung selbst dann, wenn der magnetische Steuerkreis geöffnet worden istβ Bei der Anordnung gemäss der Erfindung fliesst der Streufluss von den Seiten der Polteile 29 und 30 entweder zur Spur 10 oder zu dem die Erregerwicklungen 31 und 32 umschliessenden Eisenteil 34. Leitende Platten 35 verkleinern diesen Fluss jedoch durch die Wirkung der Wirbelströme, ebenso wie eine leitende Platte 36. Die Platte 36 dient ausserdem dazu, die Enden der Polteile 29 und 30 genau in Stellung zu halten.

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Die

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Die Folge der elektrischen Ausgangeimpulse, die bei der Verschiebung der Spur gegenüber dem Lesekopf erzeugt wird, kann in eine binär verschlüsselte Impulsfolge für eine "Schrittversohlüsselung" oder, bei Benutzung von verschiedenen leseköpfen mit unterschiedlichen Impulsabständen, in einen Code für eine "absolute" Verschlüsselung umgewandelt werden.

Fig. 5 stellt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung dar, die zum Zusammenfassen der Ausgangssignale der sechzehn Entnahmewicklungen 12 bis 27 bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 bis 4 verwendet werden kann. Damit wird ein Ausgangssignal erhalten, in welchem die binären Ziffern 1 und 0 mit einer Frequenz, die dem halben Abstand der Impulserzeugung entspricht, abwechseln« In dieser Sohaltung werden zunächst die Ausgangss.ignale von je vier Wicklungen zusammengefasst und zwar jeweils jeder vierten Wicklung. Dann werden die aus diesen vier Vierergruppen erhaltenen Signale verstärkt und die vier verstärkten Signale wiederum zusammengefasst. Die Ausgangssignale der einzelnen Wicklungen können gemäss einer anderen Ausführungsform auch direkt vor der Verstärkung in gleicher Weise wie die Ausgangssignale der Gruppen 12-16-20-24, 13-17-21-25, 14-18-22-26 und 15-19-23-27 zusammengefasst werden. Die Arbeitsweise der dargestellten Schaltung wird verständlich, wenn man zum Beispiel die erste Gruppe betrachtet. Der Ausgangswechseistrom

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der

der Entnahmewicklung 12 wird mittels einer Diode 37 gleichgerichtet und den Klemmen eines Widerstandes 38 •und eines Kondensators 39 in Parallelschaltung zugeführt. Durch das Bestehen einer gleichgerichteten Spannung wird über eine Diode 40 der Basisstrom einea Transistors 41 blockiert· Der Transistor wird also nur dann Strom führen, wenn die Bntnahmewicklung 12 keinen oder nur einen sehr geringen Strom abgibt. Dies geschieht jedesmal dann, wenn die Spur um den entsprechenden Impulsabstand verschoben wird. Jede Entnahmewicklung 16,20 und 24 trägt auf die gleiche Weise zur Steuerung des Transistors 41 bei Verschiebung der Spur um die jeweiligen Impulsabstände bei. Dioden 40*, die der Diode 40 gleich sind, gewährleisten mit dieser, daß die Wirkungen der Wicklungen auf den Transistor 41 getrennt sind und daß Rückwirkungen zwischen den Wicklungen vermieden werden. Transistoren 42, 43 und 44 werden in gleicher Weise von den anderen Entnahmespulengruppen gesteuert. Die Ausgangssignale der Transistoren 41 bis 44 werden sodann auf übliche Weise über Summierwiderstände zusammengefasst, so daß an den Klemmen eines AbschlusswiderStandes ein Signal entsteht, in welchem die Binärziffer 1 jedesmal erscheint, wenn eine der Spulen 12 bis 27 ihren Impulsabstand überschreitet, also den Abstand, der für die Erzeugung von zwei aufeinanderfolgenden Impulsen 909826/0298

sen durch die Entnahmewicklung notwendig ist, wie aus vorstehender Beschreibung hervorgehtο Eine solche Anordnung verhält sich also wie ein Sohrittverschlüssler,,

Bei einer anderen Ausführungsart der elektrischen Schaltung können die Ausgangssignale der Wicklungen so kombiniert werden, daß ein "absoluter" Verschlüssler entsteht, d.h. ein Verschlüssler,der eine direkt verschlüsselte Binärzahl liefert. Der Impulsabstand einer Wicklung kann gemäss vorstehender Beschreibung durch die Auslöseschwelle des zugeordneten Transistors eingestellt werden. Wenn nun auf derselben Spur ein zweiter Lesekopf angebracht wird, dessen Sohrittabstand doppelt so gross wie bei dem ersten Lesekopf ist, und wenn der Transistor ebenfalls so eingestellt wird, daß er den Impulsabstand verdoppelt, so liefert der zweite Lesekopf eine Binärziffer dee Stellenwerts, der unmittelbar über dem Stellenwert der vom ersten Leeekopf gelieferten Ziffer liegt. Entsprechend können weitere Anordnungen vorgesehen werden, deren Schritte und Impulsabstände jeweils doppelt so gross wie bei dem vorhergehenden Lesekopf sind. Dadurch wird ein vollständiger Binärcode gebildet und dennoch braucht nur eine einzige Verschlüsselungsspur vorgesehen zu werden.

Patentansprüche 909826/0298

Claims

Patentansprüche t

1) Digitaler Verschlüssler mit Nonius, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Verschlüsselungsspur enthält, welche durch abwechselnde Flächen mit unterschiedlichen Eigenschaften für eine Ablesung gebildet ist, von denen jede breiter ist als das für die gewünschte Auflösung erforderliche Abstandsquantum, daß der Verschlüsselungsspur ein Lesekopf mit mehreren gesonderten Tastorganen zugeordnet ist, von denen ein jedes dann und nur dann ein Ausgangssignal liefert, wenn es zentrisch zu einer der die kennzeichnenden Eigenschaften aufweisenden Flächen der Verschlüsselungsspur steht, daß die Tastorgane in ÜBtänden angeordnet sind, die gleich einem Schritt der kennzeichnenden Flächen plus zwei Abstandsquanten sind, und daß die Verschlüsselungsspur relativ zu dem Lesekopf verschiebbar ist.

2) Verschlüssler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Tastorgan zwei gegeneinander arbeitende Tastteile aufweist und nur auf die algebraische Summe der Ausgangssignale der einzelnen Tastteile anspricht.

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3) Verschlüssler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verachlüsselungaapur und die Taatorgane ao ausgebildet sind, daß sie auf optische Eigens chgcf ten ansprechen»

4) Verschlüssler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- ^: zeichnet, daß die Verachlüaselungaspur und die Tastorgane so ausgebildet aind, daß aie auf elektrische Eigenschaften ansprechen.

5) Verschlüssler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlüsaelungsspur und die Tastorgane so ausgebildet sind, daß sie auf magnetische Eigenschaften ansprechen.

6) Verschlüssler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlüsselungsspur und die Tastorgane so ausgebildet sind, daß sie auf Änderungen des magnetischen Widerstandes ansprechen»

7) Verschlüssler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Tastorgan zwei Polteile aufweist, daß die beiden Polteile mit einer gemeinsamen Entnahmewicklung versehen sind, und daß die Erregung aller Tastorgane durch eine allen gemeinsame Wicklung erfolgt*

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θ) Vera chilis sler nach Anspruch. 7, dadurch gekennzeichnet, daß die abwechselnden Flächen der Verschlüsselungsspur unterschiedliche magnetische Widerstände haben, und daß der magnetische Kreis so ausgeführt ist, daß der gesamte magnetische Widerstand des Erregerflusspfades im wesentlichen konstant und von den Verschiebungen des Lesekopf es gegenüber der Verachlüsselungsspur unabhängig ist.

9) Verschlüssler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wirbeletromabschirmung in der Nähe der um die zwei Polteile dee Tastorgans gewickelten Entnahmewicklung derart angeordnet ist, daß jedes Tastorgan gegen alle magnetomotorischen Kräfte ausser gegen die magnetomotorische Kraft, die in dem durch die Verschlüsselungsspur hindurchgehenden Hagnetkreis erwünscht ist, unempfindlich gemacht ist.

10) Verschlüssler nach einem der Ansprüche 7-9» dadurch gekennzeichnet, daß jedes elektrische Ausgangssignal der einzelnen Tastorgane gleichgerichtet und mit den anderen gleichgerichteten Ausgängen der anderen Tastorgane des Lesekopfes entweder direkt oder in Gruppen zusammengefasst ist, und daß dadurch wenigstens eine Einrichtung mit zwei Zuständen, nämlich einem blockierten und einem nichtblockierten Zustand, gesteuert wird, welche das Ausgangssignal des Verschlüsslers abgibt.

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11) Verschlüssler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ein Transistor ist.

12) Verschlüssler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere leseköpfe einer einzigen Verschlüsselungsspur zugeordnet sind, und daß die Schritte zwischen den Tastorganen und die Ausgangsdiskriminatoren so "bemessen sind, daß die von allen Leseköpfen gelieferten Signale zusammen eine Binärzahl bilden, in welcher jeder Stellenwert durch die Eigenschaften eines Lesekopfes und der zugehörigen Schaltungen definiert ist.

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Le e rs e i t e