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Kodiereinrichtung fUr die Bestimmung des Arbeitszustandes einer Welle.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kodiereinrichtung, die eine digitale
Information als Punktion der Winkelstellung einer Welle liefert und insbesondere
diq Bestimmung einer außerordentlich genauen Information bezüglich der Winkelstellung
und der Winkelgeschwindigkeit einer Welle mittels eines sogenannten Inkrement-Kodierers
ermöglicht.
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Bei einem typischen Inkrement-Kodierer wird die Winkelstellung in
Verbindung mit einem einen Kode tragenden Teil, wie z. B. einer Scheibe, bestimmt,
die an ihrem Umfang mit einer Spur von miteinander abwechselnden (z. B. liohtundurchlässigen
und lichtdurchlässigen0 Inkrementen versehen , ist, welche abwechselnd ein zweckentsprechendes
Atastorgan, wie einen photoelektrischen Übertrager, betätigen, beispielsweise durch
unmittelbares Auftreffenlassen einer Strahlung auf das Abtastorgan und Absperren
der Strahlung von ihm. Das Ablesen erfolgt durch ZKhlen der abwechselnden Inkremente
von einem Bezugspunkt aus, um Impulse zu erzeugen, welche die
Winkelstellung
oder Winkelgeschwindigkeit der Welle in digitaler Form anzeigen. Eine Begtrenzung
der winkligen Auflösung ist die Inkrementbreite longs der Kodespur oder, in anderen
horten, die Gesamtzahl der Inkremente, die in der Kodespur physisch spezifiziert
sind (z. B. durch 3eschränkungen hinsichtlich des verfügbaren Lichtes und der baulichen
Ausbildung). Jedoch kann eine größere Auflösug als die in dieser Weise spezifizierte
erwünscht sein. Es wurde gefunden, dad die Winkelverschiebung eines Inkrement-Kodierers
der vorgenannten Art bewirkt, daß das Abtastorgan ein Ausgangssignal erzeugt, welches
praktisch sinusfdrmig ist.
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Der Hauptzweck der Erfindung besteht darin, wenigstens zwei Abtastorgane
der vorstehend genannten Art in verschiedenen Winkelstellungen mit Bezug auf die
Kodespur zu verwenden, um mindestens zwei Wellenformen su erzeugen, die gegeneinander
in der Phase verschoben sind. Diese Wellenfbrmen werden mittels einer Vektorsummierungsvorrichtung
analysiert, die in der Bge ist, die kleinsten Inkremente der Kodespur in kleinere
Inkremente zu unterteilen.
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Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, die X-Achsen und
de Y-Achsen-Ablenkung einer Kathodenstrahlröhre mittels im wesentlichen sinusförmiger
Signale der vorgenannten Art zu steuern, um einen Abtastzyklus optisch darzustellen,
und zu ermöglichen, diesen Abtastzyklus mit Hilfe einer zweckentsprechenden optischen
Maske in Komponenten zu zerlegen.
Die sich ergebende Aufeinanderfolge
optischer Impulse liefert die durch die Erfindung beabsichtigte erhöhte Auflösung.
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Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, 2. viei Trägersignale
von verhältnismäßig hoher Frequenz mit im wesentlichen sinusförmigen Signalen der
vorgenannten Art zu modulieren, um eine elektro-mechanische Auflösveorrichtung zu
erregen. In diesem Fall liefern die an die AuSlösevorrdchtung angelegten Signale
von verhältnismößig hoher Frequenz die durch die Erfindung beabsichtigte erhöhte
Auflösung.
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Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, im wesentlichen sinusförmige
Signale der vorgenannten Art an ein Widerstands-Netzwerk anzulegen, um an zweckentsprechend
angeordneten Anzapfungen eine Mehrzahl von sinusförmigen Aus-' @ von zweckentsprechender
Phase zu erzeugen, die eine Folge von Informationen in Form von Impulsen ergeben.
In diesem Fall liefern diese Impulse die durchhie Erfindung beabsichtigte erhöhte
Auflösung.
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Ein spezieller Zweck der Erfindung besteht darin, einen Kodierer
der oben genannten Art mit einer Frazisiondrehseheibe derjenigen Art zu Konbinieren,
wie sie zum Prüfen von Kreiseln o. dgl. verwendet wird. Eine solche Drehscheibe
ist derart ausgebildet, daß sie sich mit einer genauen Winkelgeschwindigkeit dreht,
um den Ausgang eines auf ihr angeordneten
Kreisels zu prüfen. Diese
Kombination aus einer Drehscheibe und einem Kodierer ist in der Lage, eine Wwinkelgescwhinigkeitsinformation
von bisher unerreichter Präzision und demzufolge eine Kreiselprüfungsinformation
von außergewöhnlicher Genauigkeit zu liefern.
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Weitere Zwecke der Erfindung gehen aus der nachfolgenden eschreibung
hervor.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung an mehreren
Ausführungsbeispielen nSher erläutert.
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Fig. 1 ist eine schematsAche Wiedergabe einer ausführungsform einer
Kodiereinrichtung gemäß der Erfindung.
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Fig. 2 ist eine schematische Wiedergabe einer aus einer KreiselprUfdrehscheibe
und einer Kodiereinrichtung bestehenden Kombination gemäß der Erfindung.
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Fig. 3 ist eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung gewisser
Grundsätze der Erfindung.
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Fig. 4 ist eine schematische Wiedergabe einer weiteren Ausführungsform
einer Kodiereinrichtung gemäß der Erfindung.
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Fig. j ist ein elektrisches Schaltungsschema eines logischen Ausgangskreises
fUr die Kodiervorricthung gemäß Fig. 4.
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Fig. 6 ist eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung gewisser
Arbeitsprinzipien der Einrichtung gemäß Fig. 4 und 5.
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Jede der dargestellten Ausführungsformen der Erfindung umfaßt allgemein
als Kodiervorrichtung, die mit der Ausgangswelle eines Instrumentes zusammenarbeitet,
eine Scheibe, die an ihrem Umfang eine Spur von miteinander abwechselnden lichtundurchlässigen
und lichtdurchlässigen Kodeinkrementen aufweist, zwei Photozellen, die längs der
Spur gegeneinander um 90°, bezogen auf einen einzigen Zyklus von lichtundurchlässigen
und lichtdurchlässigen Inkrementen, verschoben sind, und eine zum Beleuchten der
Kodespur dienende Strahlungsquelle, die in usrichtung mit Schlitzen oder Spalten
zum Durchlassen der Strahlung zu den Photozelolen liegt, Die Scheibe besteht gewohnlich
aus Glas, und die Kodespur wird durch Halogensilberphotographie in Form von versilberten
und klarer Zonen in einer Gelatineschicht erhalten. Die Ausgänge der Photozellen
sind zwei Analogstellungssignale 3 von der Form E = Em sin 2#n # und E = Em cos
2#n #, worin E die augeblickliche Amplitude, Em die maximale Amplitude, 1 die Periodendauer
und 9 die augenblickliche Winkelverschiebung bedeuten.
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Jedes Ausgangssystem umfaßt allgemein zwei Verstärker fUr die Analogstellungssignale,
eine Vektorsummierungsvorrichtung zum Vergleich der augenblicklichen Amplitude der
resultierenden Signale und eine Anzeigevorrichtung zur Wiedergabe der sich ergebenden
Information.
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Bei der AusfUhrungsform gemäß Fig. 1 weist die Vektorsummierungsvorrichtung
die X-Achsen und die Y-Achsen-Steuerelektroden
einer Kathodenstrahlröhre
auf, wahrehd die Anzeigevorrichtung die Leuchtfläche der Kathodenstrahlrohre enthält.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 weist die Ve@ orsummierungsvorrichtung eine
elektro-mechanische Auflosevorrichtung und die Anzeigevorrichtung eine Kodiervorrichtung
auf. Bei der AusfUhrungsform gemä3 Fig. 4 weist die Vektorsummierungsvonichtung
ein Widerstands-oder Impedanz-Netzwerk und die Anzeigevorrichtung eine Kippkreis-Anordnung
auf.
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Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung enthält allgemein eine Kodiervorrichtung
10, die mit einem gewünschten Instrument und einem Ausgangssystem 12 verbunden ist.
Die Kodiervorrichtung 10 weist eine durchsichtige runde Glasscheibe 14 auf, die
auf einer Welle 16 angeordnet ist, um sich mit ihr zu drehen. Die Glasscheibe 14
ist an ihrem Umfang mit einer Spur von miteinander abwechselnden lichtdurchlässigeß.
Inkrementen 18 und lichtundurchlässigen Inkrementen 20 versehen. Zwei mit der von
diesen Inkrementen gebildeten Spur in Ausrichtung liegende Photozellen 22 und 24
sind derart angeordnet, daß sie gegeneinander in der Phase um 90°, ausgedrückt in
einem einzigen Zyklus von druchlässigen und undurchlässigen Inkrementen, verschoben
sind. Die Abtastung der Spur durch die Photozellen 22 und 24 findet durch (nichtdargestellte)
Schlitze oder spalte hindurch statt, die eine Auflösung zwischen benachbarten durchlässigen
und undurchlässigen Inkrementen herbeisuführen vermUgen. Mit den Photozellen 22
und 24 liegt eine auf
der anderen Seite der Scheibe 14 angeordnete
Strahlungsquelle 26 in Ausrichtung.
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Aus den Photozellen 22 und 24 treten sinusförmige Signale aus, die
durch zwei stabilisierte Gleichstromverstärker 30 bzw. 32 hindurchgeführt und in
der folgenden n Weise verwendet werden : Die am Ausgang der Verstärker 30 una 32
erhaltenen verstärkten Signale werden an di-X-Achsen-Ablenlcplatten 34, 36 bzw.
an die Y-Achsen-Ablenkplatten 38, 40 einer Kathodenstrahlröhre 42 angelegt. Doe
Kathodenstrahlröhre 42 sowie die Ubrigen Teile der Einrichtung werden aus einer
Energiequelle 44 in zweckentsprechender Weise gespeist, und die Vorspannung an den
Ablenkplatten 34, 36 und 3E, 40 wird mit Hilfe von Stellgliedern 46 eingestellt.
Die Kathodenstrahlröhre 42 enthält eine Elektronenaussende- und -be schleunigungskanone
48, die einen Elektronenstrahl 50 erzeugt.
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Der Elektronenstrahl 50 trif'ft auf die Leuchtfläche 52 der Kathodenstrahlrohre
42 auf. Zur Bildung eines Lichtflecks 54 erzeugen die in der Phase verschobenen,
an die Ablenkplatten 34, 36 bzw. 38, 40 angelegten Signale einen sich wiederholenden
kreisförmigen Zyklus 56. Vor der Leuchtfläche 52 der Rbhre ist eine Maske 58 angeordnet,
die eine Folge von miteinander abwechselnden undurchlässisen Sektoren 60 und durchlässigen
Sektoren 62 aufweist. Es ist ersichtlich,
daß, wenn der Lichtfleck
54 sich auf seiner'1ahn bewegt, eine Reihe von Lichtimpulseri erzeugt wird. Diese
Lichtimpulse werden mittels einer Objektivlinse 64 auf einer Photomultiplikatorröhre
66 gesammelt, deren Ausgang einem wird Zähler oder Impulsfrequenzmesser 68 zugeführt.
D eser Zähler oder Impulsfrequenzmesser zeigt die augenblickliche Geschwindigkeit
bzw. den augenblicklichen Winkel der Welle 16 an.
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Beim Arbeiten der komoinierten Einrichtung gemäß Fig. 1 ist die Drehung
der Welle 16 von ein er analogen Drchung der die Kodeinkremente tragenden Scheibe
l4 begleitet. Demzufolge erzeugen die Photozellen 22 und 24 sinusförmige Signale,
die in der Phase um 0° verschoben sind. D ese Signale werden nach Verstärkung in
den Verstärkern 30 bzw. 32 an die Ablenkplatten 34, 36 bzw. 38, 40) der Kathodenstrahlrohre
42 angelegt. Die die Vorspannung bestimmenden Stellglieder 46 können von Hand so
eingestellt werden, daß in der Einrichtung vorhandene Ungenauigkeiten, eineschließlich
von Ungenagikeiten in der Orientierung oder Zentrierung der Jcheibe l4 ausgeglichen
werden. Der entstehende Lichtfleckkreis wird von den Sektoren 60 und 62 der Maske
58 zerlegt oder zerhackt, um in der Photomultiplikatorröhre 66 eine eihe von Impulsen
zu erzeugen, die dem Zähler oder. Impulsfrequenzmesser 68 zugeführt werden. Es wird
eine Reihe von gegeneinander austauschbaren Scheiben mit Sektoren von ausgewählten
Formen vorgesehen.
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Die in Fig. 2 wiedergegebene AusfUhrungsform stellt eine Kombination
aus einer Drehscheibe von der Art,-wie sie fUr die Prüfung von Kreiseln-verwendbar
3st, und einer Kodiervorrichtung gemäß der Erfindung dar, die dazu disent., die
augenblickliche Geschwindigkeit der Drehscheibe sehr genau anzuzeigen. Die allgemein
mit 70 bezeichnete Drehscheibe weist einen Antriebsmotor 72, eine Ausgangswelle
74 und einen Aufsatz 76 auf, der mittels eines (nicht dargestellten)Universalgelenks
schwenkbar gelagert ist. Auf der Welle 74 ist eine optische Kodiervorrichtung 78
von der,"*rt der Scheibe 10 der Ausführungsform gemäß Fig. 1 befestigt. Die optische
Kodiervorrichtung 78 hat eine Spur von miteinander abwechselnden lichtundurchlSssigen
Zonen 80 und lichtdurchlSssigen Zonen 82. Mit dieser Spur liegen zwei Photozellen
84, 86, die in einem solchen Abstand voneinander angeordnet sind, wie dies in bezug
auf die Photozellen 22, 24 der Ausführungsform gemäß Fig. 1 beschrieben wurde, und
eine ihnen zugeordnete Strahlungsquelle 88 in Ausrichtung.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 erfolgt die AuflUsung der sich
ergebenden sinusförmigen Signale durch Modulation eines niederfrequenten Trägersignals,
das von einem Oszillator 92 erzeugt wird. Die Modulation wird von zwei Modulatoren
94 und 96 bewirkt, an welche einerseits das von dem Oszillator 92 erzeugte Trägersignal
angelegt wird und andererseits die von den Photozellen 84 bzw. 86 gelieferten sinusfdrmigen
Signale angelegt werden.. Die am Ausgang der
Modulatorer. erhaltenen
modulierten Signale werden' an die Eingangsspluen 38 bzw. 100 eienr elektro-mechanischen
Auflosevorrichtung 102 angelegt. Die Folgespule 104 der Auflosevorricntung 102 nimmt
in jedem Zeitpunkt eine Large ein, die durch die Vektorsumme der Niederfrequenzsignale
bestimmt wird. Die Folgespule 104 steuert über einen Verstärker 107 und einen Servomotor
108 den Ausgang eines Tachometers 106. Eine zweckentsprechende Kodiervorrichtung
110, die von der gleichen A@t wie die Kodiervorrichtung 78 sein kann, liefert eine
Information hinsichtlich der Winkelgeschwindigkeit.
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In Fig. 3 sind bei (a) und (b) die an die Modulatoren ange. legten
sinusförmigen Signale und bei (c) und (d) die sich ergebenden modulierten Cignale
veranschaulicht.
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Wenn im Betrieb die Drehscheibe beispielsweise mit einer einzigen
Grundfrequenz (one earth rate) umläuft, liefert die Kodiervorrichtung zwei Signale
mit einer Frequenz von 1 Hz. Diese Signale werden mit 400 Hz bei unterdrückter Trigerfrequenz
moduliert. Der Nullpunkt der Auflösevorrichtung 102 wird in solcher Weise festgelegt,
das sich eine Ausgangsdrehung von 360° fUr eine Drehung der Kodiervorrichtung Uber
einen Bogen von 15"ergibt. Daher ergibt eine Winkelgeschwindigkeit der Drehscheibe
von einer einzigen Grundfrequenz (one earth rate) eine Drehzahl der Servomotorwelle
von 60 U/min.
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Die hohe Drehgeschwindigkeit der Welle wird von dem Tachometer gemessen,
und ihre Winkelabweichung wird von der Kodiervorrichtung
110 gen.
esser.. In dem angenommenen Beispiel führt die urs rängliche Wellendrehung von einer
einzigen Grundjrequenz (one earth rate) leicht zu einem durch die Kodiervorrichtung
gelieferten Ausgang von 1000 H@.
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Die indenl-"guren4und5wiedergegebeneAuführungsform weist allgemein
eine Kodiervorrcithung 112, die mit irgendeinem gewünschten Instrument verbunden
ist, und ein Ausgangssystem 114 auf. Die Kodiervorrichtung 112 umfaßt eine mit einem
Kode versehene Scheibe 116, zwei Photozellen llb, und eine Strahlungsquelle, und
alle diese Teile sind den entsprechenden Teilen der Ausfährungsform gemäß Fig. 1
ähnlich.
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Die aus den Photozellen 118, 120 erhaltenen beiden sinusförmigen
sgnale werden in Verstärkern 122 bsw. 124 verstärkt. Diese ueiden verstärkten Signale
stellen zusammerl mit zwei zusätzlichen Signalen, weiche durch sie in Umformern
126 bzw. !28 erzeugt werden, eine Gesamtheit von vier um 0 phasenverschobenen Signalen
dar, die an die vier Eckpunlcte eienr aus Widerständenl32 bestehenden Drückenschaltung
130 angelegt werden. Es sei bemerkt, da^. sich in diesem Fall der rhasenwinkelaufdieMellenstellungbezieht.
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Durch benutzung einer Aufeinanderfolge von sich gegenüberliegenden
Anzapfungen 134 der Brückenschaltung 130 wird eine Mehrzahl von außer Phase berindlichen
sinusförmigen Signalen erzeugt, wie dies in Fig. 6 veranschaulicht ist. Diese Signale
werden an übliche Ubergangs-Detektionskreise 136 (Fig. 5) angelegt, um eine Folge
von Impulsen zu erhalten, die an eine
Aufeinanderfolge von Kippkreisen
138 angelegt werden. Diese Kippkreise 138 sind in zweckentsprechender Weise mit
einer logischen Schaltung 140 für die Dekodierung in einer geeigneten Ausgangsvorrichtung
142 verbunden.
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Im Betrieb unterscheidet die logische Schaltung 140 zwischen der
Folge von Impulsen, die eine Drehung der Welle in Uhrzeigerrichtung darstellen,
und der Folge von Impulsen, die eine Drehung der Welle in Gegenuhrzeigerrichtung
darstellen. Es sei bemerkt, daß die Anzahl sinusförmiger Signale von der in Fig.
6 wiedergegebenen Art entsprechend der Anzahl der an der Brückenschaltung 130 zur
Verfügung stehenden Anzapfungen 1 4 geändert werden kann.
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Lie Erfindung schafft somit einfache und doch wirksame Mittel, welche
die Auflosung einer optischen Kodiervorrichtung im Vergleich zu derjenigen, die
sich normalerweise aus der Beschränkung auf eine bestimmte Anzahl von Spurinkrementen
ergibt, wesentlich zu erhöhen gestatten.
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An den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen können im Rahmen
der Erfindung verschiedene Abänderungen vorgenommen werden.