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Anordnung zum Bestimmen u.Darstellen der Position eines ersten
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Glieds gegenüber einem zweiten Glied in einem n-Ziffern-Code Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Bestimmen und Darstellen
der Position eines ersten Glieds gegenüber einem zweiten, relativ zum ersten bewegbaren
Glied in einem n-Ziffern-Code, bestehend aus einem Trägerelement für die in n getrennten
Bahnen angeordneten Code-Elemente und aus einem Verteiler, welcher relativ zum Trägerelement
und synchron mit einem der beiden genannten Glieder bewegbar ist.
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Es sind bereits verschiedene Formen von Code-Anordnungen in Benutzung,
um die Lage eines bewegbaren mechanischen Glieds oder Elements relativ zu einem
anderen Glied oder Element zu bestimmen. Zum Beispiel kann zum Bestimmen der Winkelposition
der Verdrehung einer Welle eine sogenannte Codierscheibe benutzt werden, welche
in Form einer Scheibe auf dieser Welle befestigt ist und mit dieser Welle in Drehung
versetzt wird, und welche eine Vielzahl von elektrisch leitenden Segmenten aufweist,
die so angeordnet sind, daß sie mit einer Schleifkontaktanordnung zusammenwirken,
wobei die Segmente in einem solchen
Schema angeordnet sind, daß,
wenn sie sich in gleitendem Eingriff mit der genannten Gleitkontaktanordnung befinden,
beispielsweise ein binär-codiertes Signal erhalten wird, welches die Winkelposition
der Welle anzeigt. Um Betriebsstörungen infolge der mechanischen Abnutzung der Gleitkont
akt anordnung zu vermeiden, sind diese gleitenden Kontakte in der Praxis oft durch
sogenannte opto-elektrische Anordnungen ersetzt worden.
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Ein Nachteil bei dieser Art von Anordnungen, ganz gleich ob gleitende
Kontakte benutzt werden oder ob das Abtasten auf optischem, magnetischem oder irgendeinem
anderen Weg erreicht wird, besteht darin, daß eine Vielzahl von Abtasteinrichtungen
erforderlich ist. Wenn z. B. eine Umdrehung in sechzehn Bogensegmente unterteilt
ist, ist es notwendig, eine Reihe von vier Abtasteinrichtungen für die Codierscheibe
vorzusehen. Eine Anordnung dieser Art kann in vielen Fällen, wie z. B. bei metallverarbeitenden
Maschinen, Instrumenten usw. gerechtfertigt sein, während in anderen Anwendungsfällen
(wie z. B. in Automobilen, Nähmaschinen oder anderen Haushaltsgeräten) dieses Verfahren
zu aufwendig ist. In den zuletzt genannten Fällen wird normalerweise ein sogenannter
Stufenanzeiger verwendet. Diese Anzeiger, wie sie z. B. zum Bestimmen der Winkelposition
einer rotierenden Welle benutzt werden, weisen entlang der Peripherie dieses Anzeigers
eine Vielzahl von Markierungen auf, welche im wesentlichen unter gleichen Abständenvoneinander
angeordnet sind, etwa in Form von transparenten Löchern oder dgl. Zum Abtasten bzw.
Abfühlen dieser Markierungen ist eine Abtast- bzw. Abfühleinrichtung vorgesehen,
welche ein Signal in Form von Impulsen liefert, die in einer Zähleinrichtung registriert
werden, wobei die Anzahl der Impulse in Relation zu der Anzahl der Markierungen
steht. An einer Stelle der Peripherie ist auch eine Markierung vorgesehen, welche
für diese Stelle ganz spezifisch ist, und welche Markierung durch eine separate
Abtasteinrichtung abgetastet wird, wobei das Ausgangssignal aus dieser Abtasteinrichtung
den
Zähler auf Null stellt. Auf diese Weise kann der Zähler immer die Zahl der Markierungen
anzeigen, um die die Welle seit der letzten Nullstellung verdreht worden ist.
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Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß der Zähler, bevor er
das erste Mal auf Null gesetzt wird, eine falsche Einstellung anzeigt. Außerdem
liefert dieser Zähler eine falsche Anzeige, wenn die Drehrichtung der Welle in einem
Drehabsohnitt umgekehrt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Positionsanzeige
anordnung zu finden, welche die vorstehend genannten Nachteile der bereits bekannten
Anordnungen überwindet.
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Die erfindungsgemäße Lösung ist gekennzeichnet durch einen Schaltkreis,
der so ausgelegt ist, daß er eine Ladespannung mit sich ändernder Wellenform an
einen Verteiler liefert, welcher wiederum so angeordnet ist, daß er eine von der
genannten Wellenform der Ladespannung abgeleitete Spannungswellenform an irgendein
vom genannten Verteiler gerade überstrichenes Codeelement beträgt; und durch entsprechend
angeordnete n Konverter welche die Signale von den auf verschiedenen Bahnen liegenden
Codeelementen empfangen und einen n-Ziffern-Code erzeugen.
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Vorzugsweise ist der Verteiler so angeordnet, daß er kapazitiv mit
jedem Codeelement verbunden ist, das er gerade überstreicht, und daß die Ladespannung
vom Ausgang eines Oszillators entnommen wird, welcher Ausgang kapazitiv mit dem
Verteiler gekoppelt ist.
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Die Nachteile, wie sie der vorstehend beschriebene Stand der Technik
enthält, werden durch die vorliegende Erfindung eliminiert oder zumindest entscheidend
reduziert.
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Im folgenden soll anhand von Ausführungsbeispielen die erfindungsgemäße
Anordnung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen näher erläutert werden;
es zeigen: Fig. 1 eine kreisrunde Codescheibe, welche vom Typ her grundsätzlich
bekannt ist und in welcher die Codeelemente in Übereinstimmung mit dem sogenannten
Gray-Code angeordnet sind; Fig. 2 eine erste Ausführungsform, welche ein Schaltkreisdiagramm
der erfindungsgemäßen Anordnung enthält; Fig. 3 eine Variante der Schaltkreise,
welche im Schaltkreisdiagramm nach Fig. 2 enthalten sind; Fig. 4 ein Zeitdiagramm
für die Signale, die an einer Koppelungsstelle für den Verteiler nach Fig. 2 ankommen;
Fig. 5 eine zweite Ausführungsform einer Codescheibe und eines Verteilers für die
erfindungsgemäße Anordnung; Fig. 6 eine weitere Ausfuhrungsform einer Codescheibe
und eines Verteilers; Fig. 7 eine andere Ausführungsform einer Codescheibe und eines
Verteilers; Fig. 8 eine Ausführungsform nach Fig. 7, bei einer Nähmaschine angewandt;
und Fig. 9 die Charakteristik-von bevorzugten Verstärkern, die in der erfindungsgemäßen
Anordnung eingebaut sind.
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Das in Fig. 2 gezeigte Schaltdiagramm enthält die zum Funktionieren
der Anordnung notwendigen Elemente. Von einem Oszillator 1 bekannter Bauart, z.
B. einem astabilen Multivibrator, wird ein Signal a (s. Fig. 4) erhalten. Dieses
Signal wird auf ein von den Teilflächen 2 getrenntes Koppelungsglied 3 einer Codescheibe
übertragen, welche Teilflächen in Form von kreisbogenförMigen Codeelementen 2',
2", 2"' mit verschiedenen Radien in getrennten Bahnen auf dieser Code scheibe angeordnet
sind, wie dies in Fig. 1 und 2 dargestellt ist, und einen Gray-Code bilden. Dieses
Koppelungsglied 3 ist so angeordnet, daß das Signal kapazitiv mit einem beweglichen
Glied in Form eines Verteilers 4 verbunden ist. Das Signal ist außerdem über die
durch den Verteiler 4 gebildeten Kapazitäten mit den Codeelementen 2', 2", 2"' verbunden.
Wenn der Verteiler 4 in eine Stellung gebracht wird, in der er das Codeelement 2"'
überdeckt, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, wird das Signal kapazitiv an dieses
Element weitergeleitet und an den Eingang eines Verstärkers 5"' übertragen. An dieser
Stelle weist das Signal die Konfiguration auf, wie sie durch das Zeitdiagramm b
in Fig. 4 dargestellt ist. Dieses Zeitdiagramm zeigt, in welcher Art das Signal
verändert wird, wenn der Verteiler 4 über dem Codeelement 2"' angeordnet wird, wie
dies in Fig. 2 gezeigt ist.
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Jeder der Verstärker, welche vorzugsweise in Form eines Schmitt-triggers
ausgebildet sind, weist eine Hysteresis-Schleifencharakteristik auf, wie sie in
Fig. 9 dargestellt ist. Nach Durchgang durch den Verstärker 5"'zeigt das Signal
die Konfiguration c in Fig. 4. Das Signal wird dann an ein RC-Filter 6"' weitergegeben,
wo es unmittelbar nach Durchgang durch dieses Filter die Konfiguration d gemäß Fig.
4 aufweist. Das Signal durchläuft dann eine weitere Verstärkerstufe 7"', nach der
es die in Fig. 4 gezeigte Konfiguration e aufweist. In ähnlicher Weise werden Signale
von den Verstärkern 7' und 7" erhalten, welche repräsentativ für die Stellung des
Verteilers 4 bezüglich der Codeelemente 2' bzw. 2" sind; in der in Fig. 2 dargestellten
Position
sind die "Signale" für die Code elemente 2' und 2" logische Nullen. Auf diese Weise
zeigen die Signale die Stellung des Verteilers 4 in Beziehung zur Codescheibe im
Digitalcode an.
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Alternativ können die RC-Filter 6 durch Koppelungselemente nach Fig.
3 ersetzt werden, in welchen logische Gates zur Bildung der Speicherelemente 8',
8" und 8" ' zusammengeschlossen worden sind, in welchen außerdem die Signale von
jedem Verstärker an die eine Seite der betreffenden Speicherelemente weitergegeben
werden, nachdem sie umgekehrt worden sind, und in welchen auf die andere Seite eines
jeden Speicherelements ein rückstellender Impuls F aufgegeben wird, welcher von
den Vorderflanken des Oszillator-Ausgangssignal abgeleitet wird.
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Sobald ein Signal von einem Verstärker auftritt, wird der Ausgang
des betreffenden Speicherelements auf eine logische "1" gesetzt. Das Signal übertrifft
den Rückstellimpuls infolge der Tatsache, daß es in diesem Zeitpunkt die rückstellenden
Impulse überlagert. Wenn das Signal jedoch aufgrund der Tatsache abbricht, daß der.
bewegliche Verteiler 4 so bewegt wird, daß die kapazitive Koppelung zu dem betreffenden
Codeelement unterbrochen wird, wird das entsprechende Speicherelement durch den
nächsten auftretenden rückstellenden Impuls zurückgestellt. Zur Erreichung dieses
Zwecks sind im Rahmen der Erfindung auch viele andere Variationen möglich.
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Vorstehend wurde eine Anordnung beschrieben, welche ein berührungsfreies
Abtasten der Position des beweglichen Glieds gegenüber einem Abtastelement erlaubt,
wobei wegen der kapazitiven Koppelung kein bewegliches (acting) Abtastelement erforderlich
ist.
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Bei der praktischen Anwendung der Erfindung wird die Kapazität zwischen
dem beweglichen Glied und den festangeordneten Codeelementen möglichst groß gemacht.
Es ist jedoch günstig, wenn
die Verstärker 5 eine hohe Eingangsimpedanz
aufweisen. Auf diese Weise wird eine hohe Zeitkonstante erhalten und kann eine Verzerrung
des Signals auf dem Weg der kapazitiven Koppelung niedrig gehalten werden.
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Eine hohe Kapazität kann erhalten werden, wenn die Oberflächen so
groß wie möglich und der Abstand so gering wie praktisch möglich gemacht werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung wird ein solcher geringer
Abstand zwischen dem beweglichen Glied und den Abtastflächen durch Dazwischenlegen
einer dielektrischen Schicht 9 (vgl.
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Fig. 5) aus Teflon (eingetragenes Warenzeichen), Polytetrafluoräthylen
oder einem ähnlichen Material ermöglicht. Auf diese Weise wird ein Schaden aufgrund
einer unebenen Bewegung des beweglichen Glieds und ein übermäßiges Ansteigen der
Dielektrizitätskonstanze vermieden. Eine alternative Anordnung zur Erreichung desselben
Zwecks besteht darin, die Flächen aus Aluminium herzustellen und diese zu oxydieren.
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In Verbindung mit einem bevorzugten AusfUhrungsbeispiel werden die
Verstärker 5 in der sogenannten "MOS (Metalloxyd-Halbleiter)-Technik" hergestellt,
um die gewünschte hohe Eingangsimpedanz zu erhalten.
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In Fig. 2 ist eine Kombination aus einem beweglichen Glied und Abtastflächen
in der Form beschrieben, daß die Codeelemente auf einer Codescheibe angeordnet sind
und daß dazu ein rotierendes Verteilerstellglied vorgesehen ist. Die Erfindung kann
aber genausogut verwirklicht werden, wenn die Code elemente zum Beispiel als Platten
oder Streifen auf der inneren Zylinderoberfläche eines Hohlzylinders ausgebildet
sind, wobei das bewegliche Glied um die Zylinderachse drehbar ist (vgl. Fig. 6),
oder wenn die Codeelemente im wesentlichen als ebene Platten oder Streifen ausgebildet
sind und das bewegliche Glied in einer
linearen Bewegung darüber
hinweggeführt wird (Fig. 7). Alle diese Anordnungen können sehr gut zum Feststellen
der Position eines Maschinenelements innerhalb eines Bewegungsbereichs verwendet
werden; wie in Fig. 8 gezeigt ist, kann damit die Position eines Gleiters 10 auf
einer linearen Skala 11 bei einer Nähmaschine festgestellt werden.
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In Fig. 8 sind 2n Symbolzahlen gezeigt, die an den Ausgängen der
Verstärker als binäre Codewörter dargestellt werden können.
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Bei den konventionellen Code-Anzeigern treten insbesondere beim Verschieben
des beweglichen Glieds von einer Stellung, welche durch ein spezifisches Codewort
charakterisiert ist, zu einer benachbarten Stellung, welche durch ein weiteres Codewort
charakterisiert ist, gewisse Unsicherheiten auf, wenn diese zwei Codewörter sich
voneinander in mehr als einer Binärstelle unterscheiden. In solchen Fällen können
vorübergehend falsche Codes auftreten. Dies wird vermieden, wenn die Codeelemente
in einem einschrittigen (reflected) Binär-Code (z. B. Gray-Code), wie in Fig. 1
gezeigt, angeordnet sind. Dieser Code hat den Vorteil, daß sich nur eine Binärstelle
bei jedem Grenz(limit)-Übergang ändert.
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L e e r s e i t e