CN1015013B

CN1015013B - 位置指示装置

Info

Publication number: CN1015013B
Application number: CN89101665A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·施密特; 贝尔特·奥尔勃利希; 盖尔特·诺尔; 古斯塔夫·罗尔
Original assignee: Frankl and Kirchner GmbH and Co KG
Current assignee: Frankl and Kirchner GmbH and Co KG
Priority date: 1988-03-22
Filing date: 1989-03-20
Publication date: 1991-12-04
Also published as: CN1036236A; DE3809569A1; EP0334018A1; US4988865A; EP0334018B1; KR890014822A; JPH01276018A; DE58902396D1

Abstract

一种位置指示装置，特别是用于工业缝纫机的位置指示装置，包括槽轮(3)和含有多条槽孔(4)的第一组槽轨(6)和具有不同宽度的多条槽孔(7)的第二组槽轨(8)。第一组槽轨(6)和两组光栅装置(包括发射器(111)、(112)，接收器(121)、(122)相关联，第二组槽轨(8)和另一组光栅装置相关联。本装置可以只转过一个小的旋转角范围而实行零点同步。通过和接收器(121)、(122)、(123)的输出端相连的计算系统(141)-(145)，(281)、(282)，可以确定槽轮(3)的旋转角方位。

Description

本发明涉及一种位置信号装置，特别是用于工业缝纫机的位置信号装置。

此种类型的位置指示装置在美国专利3723748中已公布过。对于位置指示装置的许多应用场合，例如，在机械工具中，必须测定驱动轴的转动角的绝对角方位，因为这些角方位都和工具的特定位置相对应。又如，在缝纫机中，有两个通用的停止位置，可称之为位置1和位置2，分别和针的上抬位置和下压位置相对应。上述位置是由位置指示装置的零点来确定的。该缝纫机转动之后，必须呈零点同步状态。通常的位置指示装置，为达到上述目的必须至少分别旋转180°和360°的角度范围，以保证零点能可靠地测知。为了建立能确定上述位置，也就是位置1和位置2的角方位系统，除了测定旋转速度的槽轮以外，通常需要另加一些和槽轮在同一轴上的，但和槽轮相隔一定距离的轮子，例如，加上第二个轮子以确定停止位置1，加上第三个轮子以确定停止位置2。

本发明的目的是提供一种新的位置指示装置，该装置的零点同步状态只要转过一个很小的转动角就能达到，用很简单的方法设定和测出角方位，不需要另外附加轮子。

本发明的目的是这样实现的：在槽轮上有由第二组多条槽孔形成的第二组槽轨，该第二组槽轨沿径向位置而离开第一组槽轨，该第二组槽轨在圆周方向上的槽孔宽度是各不相同的，为该第二组槽轨配置有第三光发射器和第三光接收器，当第三光接收器的脉冲宽度（窗口宽度）对应于一个特定的槽孔宽度时，和第一电子计标系统连接的第二电子计算系统和第三光接收器的输出端连接以计算第一或第二光接收器的光脉冲或光脉冲波前，由此来鉴别第二组槽轨的相应的槽孔和该槽轮的角方位。

根据本发明提出一种具体装置，在该装置中，第一组和第二组槽轨上的槽孔的排布和尺寸互相对应成由第二组槽轨上槽孔宽度所确定的每一个窗口宽度中都落入不同数目的第一组槽轨的完整的槽孔，由第二计算系统计算对应于这些槽孔的脉冲数。换而言之，在该具体装置中，全部脉冲都被列入计算。同时，应该考虑到被计数的脉冲宽度，小于根据第一组槽轨的槽孔宽度所测定的脉冲宽度，这是由于在所有情况下，在槽轨后面都有固定的槽孔遮光框所致。

在另一种具体装置中，第一组和第二组槽轨上槽孔的排布和尺寸互相对应成由第二组槽轨的槽孔宽度所确定的每一个窗口宽度中都相应地落入不同数量的第一组槽轨槽孔的前缘或后缘，第二计算系统分别计算对应于这些前缘和后缘的正的即上升的脉冲前沿数，或负的即下降的脉冲后沿数，这种脉冲波前计算方法能够做到识别特别灵敏的信号和准确无误地协调位置。

为了建立不受旋转方向影响的计算系统，设备应具有如下功能：由第二计算系统计算按第一方向转动（向前）时的正的、即上升的脉冲前沿数，并计算按第二方向转动（向后）时的负的、即下降的脉冲后沿数。就此而论，设备最好应使得第一组和第二组槽轨上槽孔的排布和尺寸相互对应成被计数的、形成脉冲波前的第一组槽轨的槽孔边缘数（落入由第二组槽轨的槽孔所确定的每一个窗口区域中的槽孔边缘数）应大于形成未计算在内的脉冲波前的边缘数。这就意味着在旋转方向上首先出现的第一组槽轨槽孔的边缘数被列入计算，这些槽孔排布成和第二组槽轨的槽孔有这样的相应位置：落入窗口宽度范围内的前边缘数比后边缘数多，也就是一个后边缘可以被窗口宽度范围切去。在向相反方向旋转时也同样可以应用，在此情况下，同样数目的槽孔边缘被列入计算，但这些是下降的脉冲后沿数。同时，设备最好应装置成使得第二组槽轨和与其相关联的第三发射器和接收器，位于第一槽轨的沿径向方向的内侧。对第一组槽轨来说，沿径向向外延伸部位占据的圆周部分大些，将有利于在它上面的较细狭槽孔的排布。

一个较佳的具体装备，其第一组槽轨具有2^N条槽孔，特别是512条槽孔，第二组槽轨具有2^K条槽孔，特别是8条槽孔，K和N都是整数，而且K小于N。该数值有这样的效果，即使得第一组槽轨上的槽孔数是二的整数次方，以建立一简单的计数计算系统。考虑到轮的直径受结构尺寸的影响，由上述要求得出较佳槽孔数为512。如果在轮内围槽轨上配置有8条槽孔，当轮的外围槽轨具有512条槽孔时，内围槽轨上的槽孔可具有不同的宽度，尽管如此，内围槽轨，即第二组槽轨的最宽槽孔和次宽槽孔之间还可以保持充分的相隔距离。第二组槽轨的槽孔的一个边缘和与其相关的对应槽孔边缘之夹角要求为45°。这种等距离排布有助于计算，因为至少能确定一条槽孔边缘相对于其他槽孔边缘的位置。为保证上述功能，在计算脉冲波前时，该要计算的波前不要太靠近窗口宽度范围的边缘，设备要装置成使第一组和第二组槽轨的槽孔和与用来计算脉冲波前的接收器相联的遮光框槽孔相互能够对应，这样，要计数的脉冲波前将大致位于第二组槽轨的最小槽孔的中心，或位于由该槽孔构成的窗口宽度范围的中心。一种特别简单的有利于计算的零点测定方法是把第二组槽轨上的一个槽孔边缘作为零点的。

根据本发明提出的位置指示装置，用于缝纫机中，在实际操作时当发生驱动断路和用手轮转动的情况下特别有效。在驱动控制断路状态时，手轮的转动带来的后果是：驱动控制再次启动时，如果不实行另一个零点同步作用，整个同步和计算就再也不会准确。本发明所提出的装置能够特别快地实现这样的零点同步作用。

根据本发明的要求所安装的槽轮，除了要求特定的窗口宽度以外，还要求在一个不大于例如45°的角度范围内进行零点测定或零点同步。这一点可以利用计算落入确定的窗口宽度中的相应的脉冲数而通过电子计算，测定而得。也就是说，为了测定该槽轮的绝对角方位，仅需要确定第二组槽轨上的一条槽孔，包括该槽孔的边缘的位置，根据上述原理，就能够利用已贮存在计算系统中的零点的或其他角方位的相应位置，测知零点位置或其相应位置。同时，零点位置或特殊位置在电子计算系统中的贮存，使得能利用电子设备来改变该零点或这些位置的状态，特别是利用数字程序。

根据本发明所提出的位置指示装置具有几项优点：（1）结构简单，在设备上只用一个简单的槽轮，其他位置也都可以确定和变化，所以，对于普通缝纫机所必需采用的机械调节程序，即采用转动三个各自相联的圆盘，然后，销住这些圆盘的机械可被省略;（2）使用方便：只要转动一个很小的转动角就可以达到零点同步状态;（3）具有有自由编程序性，该装置可以作多方面的应用，因为通过编制程序，实际上可以建立任意所需数目的确定的、可以再次调用的角方位。

本发明的细节、和其它附加特点，将根据下述较优的具体装置，籍助于附图，进一步加以阐述。

图1是根据本发明的位置指示装置的重要操作部件的结构示意图。

图2是根据本发明的装置的槽轮示图。

图3和图4表示第一和第二组槽轨的槽孔的两个不同相对位置的对应状态。

图5是图4表示的具体装置中，第一和第二组槽轨的槽孔和固定的遮光框的槽孔对应位置的形象化示意图。

图6是计算系统的电路方块示意图。

在图1中，简略地表示了带有驱动轴（2）的马达（1），该驱动轴带动一台机器，例如一台缝纫机，被带动的机器在图中被省略。槽轮（3）装在驱动轴（2）上，在该槽轮的轮面上有多条槽孔。因为槽孔的数目是2的整数次方，在具体装置中较优数目是512。外围槽轨（6）是由多条槽孔（4）形成的。在该槽轮（3）上，沿径向朝轴心方向的区域，由第二组槽孔（7）形成第二组内围槽轨（8）。在该区域总共有八条槽孔（7），即槽孔（71）-（78），每条槽孔宽度都不相同，最狭的槽孔（71）的宽度和槽孔（4）的宽度大致相同。在槽轮（3）的旋转方向上首次出现的槽孔（7）的边缘（9）排列成每相邻两条之间都有同样的夹角，在具体装置实例中，该夹角α为45°。其中最宽的槽孔（78）的边缘（9）是作为零点（0）的。上述的槽孔（4）、槽孔（7）和槽轮（3）的配置情况在图2中可以清楚地看出。

如图1所示，三个光发射器（111）、（112）、（113）沿着和驱动轴（2）的轴心线（10）平行的方向安装在槽轮（3）的前面，发射器（111）和（112）配置在离开轴心线（10）的径向位置上，和槽孔（4）形成的外围槽轨（6）相对应，发射器（113）配置在沿径向的位置上，和槽孔（7）形成的第二组槽轨（8）相对应。基于光栅处理方法，在槽轮（3）的另一侧与每一个光发射器对应，相应装有光接收器（121）、（122）、（123），光接收器（121）和（122）相应配置在沿径向较向外的位置上，光接收器（123）则配置在沿径向较向内的位置上。以光发射器（111）、（112）及槽轮（3）作为一侧，接收器（121）和（122）作为另一侧，两侧之间分别安装有两个固定的槽孔遮光框（131）和（132）。

借助于槽轮上槽轨（6）的槽孔（4）和槽脊（5），沿圆周向排布而相互有一定夹角的发射器（111）、（112），以及相应配置的槽孔遮光框（131）、（132）和接收器（121）、（122）的作用，驱动轴（2）的旋转速度可由相应的第一电子计算系统（141）-（145）测出。旋转方向可由光束a和b的信号的相位移测出。此项内容已在美国专利 3723748中叙述过，可参见，在此不重复。图2中所示的槽孔（4）和槽脊（5）的宽度大小并不代表实际的比例。

参照图3到图5，下面将对槽孔（4）和（7）以及遮光框（13）的槽孔（15）相互对应的较佳尺寸和排布情况进行阐述。为了达到便于了解的目的，这些实际上为弧形的槽孔都用一条排在另一条下面的直线来表示。

图3表示一种具体装置。在该装置中，相应于槽轨（6）上的槽孔（4）的全部脉冲由电子装置计数，因为有遮光框（13），该脉冲宽度并不完全和槽孔（4）的宽度相对应。槽轨（6）及其槽孔被设置成能和槽轨（8）及其槽孔（7）有这样的对应关系，也就是槽孔（7）横跨的每一个窗口宽度W在所有情况下都包括表示槽孔（4）数目的一个整数。在图3表示的实例中，由槽轨（8）的槽孔（71）确定的窗口宽度w包括槽轨（6）的一条槽孔（4），槽轨（8）的槽孔（72）的宽度包括2条槽孔（4），槽轨（8）的槽孔（73）的宽度包括3条槽孔（4）等等。一般而言，如假定脉冲之间或相邻波前或者说相邻槽孔边缘之间的距离为P，窗口宽度的大小和在每一个窗口中的脉冲数目M的关系为：

（M-1）P＜W＜M·P

在图4表示的具体装置中，只有脉冲波前（16）被计数，而不是整个脉冲被计数。在第一旋转方相时，这些波前是上升的前沿，而在第二旋转方向时，则为下降的后沿。因此，下降或上升的波前都根据旋转方向被计数。该装置的几何结构组成为在所有情况下，基于槽轨（6）的槽孔（4）而被列入计算的一系列确定数目的脉冲波前（16）都落入到由槽轨（8）的槽孔（7）所跨的窗口宽度W中。为此，一个波前（16）落入槽孔（71）的窗口宽度中，二个波前（16）落入槽孔（72）的窗口宽度中，等等。在每个窗口区域中被列入计算的波前（16）的数目总是比未列入计算的波前（17）的数目大1。在这种形式的计算中，波前数M和窗口宽度W有如下的关系：

（M-1）P＜W＜ (2M-1)/2 P

图5表示合成脉冲（18）是怎样在槽轨（6）的槽孔（4）和固定的遮光框（13）的槽孔（15）的相互配合下形成的。槽轨（6）与槽轨（8）的槽孔（4）和（7）以及遮光框（13）的槽孔（15）的相对位置要选定为：脉冲（18）或被计数的相应的脉冲波前将位于相应于槽轨（8）的槽孔（71）所决定的最小窗口宽度W的中心部位。

图6简略地表示了旋转速度的计算，旋转方向和零点同步作用以及确定角方位的过程。在此图的上面部分，槽轮上的槽轨（8）和槽轨（6）表示成沿不同径向距离一条排在另一条的上面。发射器（111）、（112）、（113）和接收器（121）、（122）、（123）在图中以方块状表示。放大器（19）和每一个接收器（121）、（122）、（123）相连接。在计算系统（141）-（145）中，通过计算器（142）和相位比较器（141）以及包括有微信息处理机的逻辑计算元件（143），在输出端（20）上产生的输出信号代表旋转方向，在输出端（21）上产生的信号代表旋转频率，在输出端（22）上产生的输出信号代表角方位1。如箭头符号（23）所表示，角方位1可以被编制程序后输入到逻辑计算元件（143）的记忆系统中。继而，如图所示，可以通过图中的方块（144）和（145）以及箭头符号（24）和（25），对相应于特定机器（如缝纫机）的操作角方位编制程序，然后将这些信号通过输出端（26）和（27）输出。

为了测定和输出上述的角方位信号，计算系统（141）-（145），和与第二组槽轨（8）相应的接收器（123）的输出端相连的计算系统（281）、（282）协同配合，该计算系统包括计数器（281）和包含有微信息处理机的逻辑计算元件（282），通过该计算系统，零点参比信号传送到输出端（29），相应于特定的槽孔（71）的位置信号传送到输出端（30）。

由以上叙述已可清楚地看到，根据本发明所提出的装置，槽轮（3）以及与其相应的驱动轴（2）的绝对角方位可以被测定。该过程为：在槽轨（8）上的一个槽孔（7）转过时，通过对槽轨（6）上的槽孔进行计数，就可以确定特定槽孔（71）的宽度。由于所有的槽孔（7）的宽度各不相同，就能够用这种方法识别特定的槽孔（71），并且也可能根据储存在计算系统中的已知的角方位来确定零点和附加方位。为了识别特定的槽孔（71）并以此来实现零点同步，必须有一个旋转角的转动范围。通常，该转动范围大大小于180°。在许多起动位置不利的情况下，起始转动时，要转过大约45°的角范围，以便有可能实现角方位的精确识别。

Claims

1、一种位置信号装置，特别是用于工业缝纫机的位置信号装置，具有一个可旋转的，能和该机器驱动轴联结的槽轮，在该槽轮上具有多条相等宽度和以等距离排布的槽孔和槽脊，该槽孔和槽脊形成第一组槽轨，有固定的槽孔遮光框，沿轴向方位安装在上述槽轮的背后，该遮光框和上述槽轮同轴安装，相邻遮光框之间按圆周方向呈一定的夹角，在上述遮光框上具有与上述槽轮部位相对应的槽孔和槽脊，在每一个槽孔遮光框后面有沿着轴向而平行地安装的光发射器或光接收器，在上述槽轮的另一侧也分别有沿着轴向而平行地安装的光发射器或光接收器，有根据由槽孔产生的光脉冲数来测定旋转速度和旋转角度，以及根据由槽孔遮光框的角偏移所引起的信号相位移测定旋转方向的电子计算系统，其特征是，槽轮(3)具有形成第二组槽轨(8)的第二组多条槽孔(7)，所述第二组槽轨沿径向排布成离开第一组槽轨(6)，第二组槽轨(8)上的槽孔(7)在圆周方向上具有不同的槽孔宽度(W1)，有为第二组槽轨(8)安装的第三光发射器(113)和第三光接收器(123)，当第三接收器(123)发出相应于某一特定槽孔宽度(W1)的脉冲，在该脉冲周期(窗口宽度)内，和第一计算系统(141)-(145)相连的第二电子计算系统(281)，(282)与第三光接收器(123)的输出端接通对第一或第二接收器(121)或(122)的光脉冲或光脉冲波前进行计数，以识别第二组槽轨的相应槽孔(71)即确定槽轮的角方位。

2、根据权利要求1所述的位置信号装置，其特征是第一组槽轨（6）的槽孔（4）和第二组槽轨（8）的槽孔（7）的排布和尺寸互相对应成不同数量的第一组槽轨（6）的完整的槽孔（4）对应地落入每一个由第二组槽轨（8）的槽孔（71）的槽宽（W1）所决定的窗口区域中，并且第二计算系统（281），（282）测定相应于所述这些槽孔（4）的脉冲数目。

3、根据权利要求1所述的位置信号装置，其特征是第一组槽轨（6）的槽孔（4）和第二组槽轨（8）的槽孔（7）的排布和尺寸互相对应成由第二组槽轨（8）的槽孔（71）的槽宽（W1）所决定的每一个窗口区域中落入不同数目的被计测到的第一组槽轨（6）的脉冲波前（16），并且第二计算系统（281），（282）测定这些脉冲波前（16）的数目。

4、根据权利要求3所述的位置信号装置，其特征是第二计算系统（281），（282）根据第一旋转方向（向前）的旋转位移计算出正的，也就是上升的脉冲前沿（16），并且根据第二旋转方向（向后）的旋转位移计算出负的，也就是下降的脉冲后沿（16）。

5、根据权利要求3所述的位置信号装置，其特征是第一组槽轨（6）的槽孔（4）和第二组槽轨（8）的槽孔（7）的排布和尺寸相互对应成被计测到的形成脉冲波前（16）的第一组槽轨（6）的槽孔边缘数大于未被计测的，形成脉冲波前的槽孔边缘数，所述被计测到的槽孔边缘数是落入由第二组槽轨（8）的槽孔（71）所确定的每一个窗口区域（W1）中的。

6、根据权利要求1所述的位置信号装置，其特征是第二组槽轨（8）和相关联的第三发射器（113）和接收器（123）都排布在沿径向的第一组槽轨（6）的内侧。

7、根据权利要求1所述的位置信号装置，其特征是第一组槽轨（6）具有2^N条槽孔，特别是具有512条槽孔，第二组槽轨（8）具有2^K条槽孔，特别是具有8条槽孔，K和N是整数，并且K＜N。

8、根据权利要求7所述的位置信号装置，其特征是第二组槽轨（8）上的所有槽孔（7）的一条槽孔边缘（9）和其相邻的相应边缘的夹角（α）都为45°。

9、根据权利要求3所述的位置信号装置，其特征是第一组槽轨（6）的槽孔（4）和第二组槽轨（8）的槽孔（7）以及遮光框（13）的槽孔（15）都相应排布成被计测的脉冲波前（16）大致地位于第二组槽轨的最小槽孔（71）或由此形成的窗口区域（W1）的中心，与所述遮光框相关的接收器（121）与（122），分别用以计测脉冲波前（16）。

10、根据权利要求1所述的位置信号指示装置，其特征是第二组槽轨的一条槽孔即槽孔（78）的一条槽孔边缘（9）用作零点（0）。