DE19626654C2 - Multiturn-Drehgeber - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Multiturn-Drehgeber, der sich insbe­ sondere durch einen einfachen mechanischen Aufbau auszeichnet.

Neben Winkelmeßsystemen, die eine Winkelmessung an einer drehbaren Welle in inkrementalen Meßschritten ermöglichen, sind auch sogenannte Code-Drehgeber bekannt. Diese gestatten eine Absolutwinkel-Bestimmung innerhalb einer einzigen Wellenumdrehung. Ist zudem die Erfassung der Anzahl erfolgter Wellenumdrehungen nötig, so werden üblicherweise soge­ nannte Multiturn-Drehgeber eingesetzt. In derartigen Multiturn-Drehgebern erfolgt die Bestimmung der absoluten Winkelposition innerhalb einer Wel­ lenumdrehung, d. h. zwischen 0° und 360°, über eine mit der Welle verbun­ dene Codescheibe, die mit Hilfe einer geeigneten photoelektrischen Ab­ tasteinheit abgetastet wird. Zur Gewinnung der erforderlichen Informationen über die Anzahl der erfolgten Wellenumdrehungen ist üblicherweise ein Untersetzungsgetriebe vorgesehen, über das ein oder mehrere weitere Teil­ scheiben bzw. Codescheiben bei sich drehender Welle in eine Drehbewe­ gung mit geringerer Umdrehungszahl versetzt wird. Die Drehbewegung der zusätzlichen Codescheiben wird ebenfalls mit ein oder mehreren photoelek­ trischen Abtasteinheiten in bekannter Art und Weise erfaßt. Aufgrund der bekannten Untersetzung der Drehbewegung der zusätzlichen Codescheiben läßt sich derart die Zahl erfolgter Umdrehungen der Welle ermitteln. Eine Messung der Absolutposition der angetriebenen Welle ist somit auch über mehrere Umdrehungen hin möglich.

Ein entsprechend aufgebauter Multiturn-Drehgeber ist beispielsweise aus der EP 0 143 354 A2 der Anmelderin bekannt.

Die bei derartigen Multiturn-Drehgebern erforderlichen Untersetzungsge­ triebe müssen weitgehend spielfrei sein, um eine präzise Erfassung der Wellenumdrehungen zu gewährleisten. Es ergeben sich somit hohe me­ chanische Anforderungen an diesen Teil des Multiturn-Drehgebers. Deswei­ teren stellen auch die mindestens zwei erforderlichen Codescheiben inklu­ sive zugehöriger photelektrischer Abtasteinheiten einen erheblichen Auf­ wand dar. Insgesamt resultiert bei einem solchen Aufbau eines Multiturn- Drehgebers ein relativ teures Gesamtsystem.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Multiturn-Drehgeber zu schaffen, der einen einfachen Aufbau aufweist und eine kostengünstige Fertigung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Multiturn-Drehgeber mit den Merk­ malen des Anspruches 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Multiturn-Drehgebers ergeben sich aus den Maßnahmen in den abhängigen Ansprüchen.

Die erfindungsgemäße Auslegung des Multiturn-Drehgebers ermöglicht nunmehr den Einsatz von deutlich preiswerten Untersetzungs-Getriebestu­ fen, die keinen derart extremen Präzisionsanforderungen mehr genügen müssen wie dies bei den oben beschriebenen Meßsystemen der Fall ist. So wirkt sich nunmehr insbesondere ein eventuell vorhandenes Getriebespiel deutlich weniger auf die Meßgenauigkeit aus.

Desweiteren entfällt der bislang erforderliche Aufwand für mehrere Code­ scheiben und die zugehörigen Abtasteinheiten. Die Erfassung der untersetz­ ten Wellen-Drehbewegung erfolgt nunmehr mit Hilfe eines preisgünstigen dehnungsempfindlichen Sensorelementes. Hierbei wird die Wellen-Drehbewegung in eine geeignet untersetzte Drehbewegung ein oder mehrerer Ge­ triebeteile umgewandelt, die mit Hilfe des dehnungsempfindlichen Sensor­ elementes einfach detektiert werden können. Bei einer Drehbewegung der Getriebeteile resultiert ein vorzugsweise sinusförmiges Ausgangssignal des bzw. der Sensorelemente, das in direktem Zusammenhang mit der Anzahl erfolgter Wellenumdrehungen steht.

Winkelmeßanordnungen mit Dehnungsmeßstreifen sind beispielsweise aus der GB 2 080 542 A oder der DD-PS 151 999 bekannt; die dort vorgeschlagenen Meßsysteme ermöglichen jedoch keine Erfassung mehrerer Wellenumdre­ hungen.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten des erfindungsgemäßen Multiturn- Drehgebers ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Aus­ führungsbeispieles anhand der beiliegenden Figuren.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine seitliche Schnittdarstellung eines Ausfüh­ rungsbeispiels des erfindungsgemäßen Multi­ turn-Drehgebers inclusive der nachgeordneten Auswerteeinheit;

Fig. 2 eine weitere Schnittansicht des erfindungsge­ mäßen Multiturn-Drehgebers aus Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine seitliche Schnittansicht einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multiturn-Drehgebers (1) inklusive der nachgeord­ neten Auswerteeinheit (100) dargestellt. Die Auswerteeinheit (100) ist hier­ bei lediglich in schematisierter Form angedeutet. Eine weitere Schnittansicht dieses Ausführungsbeispiels ist in Fig. 2 dargestellt.

Anhand der beiden Figuren soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.

Der erfindungsgemäße Multiturn-Drehgeber (1) ist über eine sogenannte Stator-Kupplung (20) mit einem - nicht dargestellten - Antrieb bzw. Motor verbunden, der eine Welle (2) antreibt. Die Drehbewegung der Welle (2) soll absolut über mehrere Umdrehungen erfaßt werden. Mit der drehbaren Welle (2) ist eine in bekannter Art und Weise ausgebildete Codescheibe (3) mit mehreren Einzelspuren verbunden, die sich bei der Drehbewegung der Welle (2) entsprechend mitdreht. Statorseitig ist eine ebenfalls bekannte photoelektrische Abtasteinheit vorgesehen, mit der die Codescheibe (3) während der Drehung abgetastet wird. Die Abtasteinheit umfaßt sendeseitig eine Lichtquelle (4a), die z. B. als LED ausgebildet ist. Der Lichtquelle (4a) sind eine Kondensoroptik (4b) sowie eine Abtastplatte (4c) mit mehreren Abtastfenstern vorgeordnet. Sämtliche Abtastfenster sowie die entspre­ chenden Spuren auf der Codescheibe (3) werden von der Lichtquelle (4a) ausgeleucht. Daneben umfaßt die Abtasteinheit ferner mehrere Detektor­ elemente (4d), die gegenüber der Abtastplatte (4c) auf einer stationären Platine (5) angeordnet und den einzelnen Abtastfenstern der Abtastplatte (4c) zugeordnet sind. Die Detektorelemente (4d) sind z. B. als bekannte Photoelemente ausgebildet, deren Ausgangssignale zur Positionsbe­ stimmung einer nachgeordneten Auswerteeinheit (100) zugeführt werden. Die Auswerteinheit (100) kann z. B. in Form eines Rechners mit geeigneter Auswertesoftware ausgeführt sein.

Neben der Möglichkeit, eine externe Anordnung der Auswerteeinheit vorzu­ sehen, ist es selbstverständlich auch möglich die Auswerteeinheit in inte­ grierter Form ganz oder teilweise im oder am erfindungsgemäßen Multiturn- Drehgeber anzuordnen.

Mit Hilfe der Codescheibe (3) sowie der zugeordneten Abtasteinheit wird in bekannter Art und Weise die Winkelposition der angetriebenen Welle (2) innerhalb einer Wellenumdrehung absolut erfaßt. Hinsichtlich der Ausbil­ dung der Codescheibe (3) existieren eine Reihe möglicher Ausführungsfor­ men. Beispielsweise können die verschiedenen Teilspuren der Codescheibe (3) in Form eines Dual-Codes, Gray-Codes oder aber Pseudo-Random- Codes ausgeführt sein. Daneben gibt es selbstverständlich weitere Möglich­ keiten zur Bestimmung der absoluten Winkelposition innerhalb einer Wel­ lenumdrehung, die im erfindungsgemäßen Multiturn-Drehgeber realisiert werden können.

Neben den beschriebenen, in bekannter Art und Weise ausgebildeten Mit­ teln zur Erfassung der absoluten Winkelposition der Welle (2) innerhalb einer Umdrehung umfaßt der erfindungsgemäße Multiturn-Drehgeber (1) die nachfolgend erläuterten Mittel zur Bestimmung der erfolgten Wellen-Umdre­ hungen. Hierzu ist ein Untersetzungsgetriebe in einem Getriebegehäuse (6) vorgesehen, das im dargestellten Ausführungsbeispiel insgesamt drei Ge­ triebestufen umfaßt. Das Getriebegehäuse (6) ist in der Darstellung der bei­ den Figuren jeweils oberhalb der angetriebenen Welle (2) erkennbar.

Die angetriebene Welle (2) ist zur Einleitung einer Drehbewegung im Unter­ setzungsgetriebe mit einem axial montierten Zahnrad (7) versehen, welches in ein darüber angeordnetes Zahnrad (8a.1) der ersten Getriebestufe des Untersetzungsgetriebes eingreift. Oberhalb des ersten Zahnrades (8a.1) der ersten Getriebestufe sind die beiden weiteren Zahnräder (8b.1, 8c.1) der ersten Getriebestufe angeordnet. Aufgrund des gewählten Untersetzungs­ verhältnisses dreht sich das oberste Zahnrad (8c.1) der ersten Getriebstufe mit einer bekannten, verringerten Umdrehungsgeschwindigkeit im Vergleich zur Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle (2). Parallel benachbart und ver­ bunden mit der ersten Getriebestufe sind beim dargestellten Ausführungs­ beispiel zwei weitere Getriebestufen mit je zwei Zahnrädern (9a.2, 9b.2, 10a.3, 10b.3) angeordnet, die die Drehbewegung der Welle (2) nochmals definiert verringern bzw. untersetzen.

Die obersten Zahnräder (8c.1, 9b.2, 10b.3) der einzelnen Getriebestufen sind in einem bekannten Verhältnis zur Drehbewegung der Welle (2) unter­ setzt, d. h. sie drehen sich mit verringerter Geschwindigkeit. Über die Erfas­ sung der Drehbewegung dieser drei Zahnräder (8c.1, 9b.2, 10b.3) läßt sich demzufolge die Zahl der erfolgten Wellenumdrehungen eindeutig ermitteln. Hierzu ist nunmehr erfindungsgemäß vorgesehen, jedem dieser einzelnen Getriebeelemente respektive jedem der obersten Zahnräder (8c.1, 9b.2, 10b.3) ein dehnungsempfindliches Sensorelement (11.1, 11.2, 11.3) zuzu­ ordnen, mit dem die resultierende Drehbewegung absolut innerhalb einer Umdrehung des jeweiligen Zahnrades (8c.1, 9b.2, 10b.3) erfaßbar ist. Die dehnungsempfindlichen Sensorelemente (11.1, 11.2, 11.3) sind hierbei je­ weils auf Biegeelementen in Form von Biegebalken (12.1, 12.2, 12.3) ange­ ordnet, die an einem Ende fest mit dem Gehäuse (6) des Untersetzungsge­ triebes verbunden sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich das andere Ende des Biegebalkens (12.1, 12.2, 12.3) jeweils in formschlüs­ sigem Kontakt mit einem axial angeordneten Exzenteransatz (13.1, 13.2, 13.3) des obersten Zahnrades (8c.1, 9b.2, 10b.3). Bei einer resultierenden Drehbewegung des oberen Zahnrades (8c.1, 9b.2, 10b.3) ergibt sich somit eine definierte, positionsabhängige Auslenkung des jeweiligen Biegebalkens (12.1, 12.2, 12.3). Die aktuelle Auslenkung des Biegebalkens (12.1, 12.2, 12.3) wiederum wird über das auf dem Biegebalken (12.1, 12.2, 12.3) ange­ ordnete dehnungsempfindliche Sensorelement (11.1, 11.2, 11.3) erfaßt, dessen Ausgangssignale der nachgeordneten Auswerteeinheit (100) zuge­ führt werden.

Alternativ zum dargestellten Ausführungsbeispiel ist es selbstverständlich auch möglich, den Biegebalken an den beiden Enden fest am Gehäuse des Untersetzungsgetriebes anzuordnen, so daß mindestens ein bestimmter Abschnitt des Biegebalkens in formschlüssigem Kontakt mit dem Exzen­ teransatz steht. Im Fall der Rotationsbewegung des Exzenteransatzes ergibt sich auch in dieser Ausführungsform eine drehwinkelabhängige Auslenkung des Biegebalkens sowie die entsprechenden Ausgangssignale des darauf angeordneten Sensorelementes.

Je nach der gewünschten Form der Ausgangssignale ist der Exzenteransatz geometrisch zu dimensionieren. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Exzenteransatz so gestaltet, daß die bei einer vollständigen Umdrehung des Zahnrades resultierenden Ausgangssignale des Sensorelementes si­ nusförmig sind. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die nachge­ ordnete Auswerteeinheit eine derartige Signalform der anliegenden Signale voraussetzt. Grundsätzlich ist jedoch lediglich sicherzustellen, daß eine ein­ deutige Zuordnung der Ausgangssignale des Sensorelementes zu einem definierten Drehwinkel innerhalb einer Zahnrad-Umdrehung gewährleistet ist.

In der dargestellten Ausführungsform sind insgesamt drei Getriebestufen mit jeweils zugeordneten Sensorelementen (11.1, 11.2, 11.3) vorgesehen, aus deren Ausgangssignalen die Auswerteeinheit (100) bei bekannten Unterset­ zungsverhältnissen die Anzahl erfolgter Wellenumdrehungen bestimmen kann. Grundsätzlich könnten jedoch auch mehr oder weniger Getriebestufen sowie entsprechend zugeordnete Sensorelemente zu diesem Zweck vorge­ sehen werden. Die Zahl der Getriebestufen richtet sich jeweils nach der ge­ wünschten Auflösung, d. h. nach der Zahl der Wellenumdrehungen, die in der erfindungsgemäßen Art und Weise erfaßt werden können. Je mehr derartige Getriebestufen vorhanden sind, desto mehr Wellenumdrehungen las­ sen sich demzufolge auflösen; im dargestellten Ausführungsbeispiel ermög­ lichen die drei Getriebestufen bei den entsprechenden Untersetzungsver­ hältnissen und einer Unterteilung der Signale pro Getriebstufe in 16 Schritte etwa eine Auflösung von 4096 Wellen-Umdrehungen.

Die dehnungsempfindlichen Sensorelemente (11.1, 11.2, 11.3) sind in der dargestellten Auführungsform als Dehnungsmeßstreifen ausgebildet. Diese liefern jeweils drehwinkelabhängige Ausgangssignale, die proportional zur Auslenkung des Biegebalkens (12.1, 12.2, 12.3) bzw. zur absoluten Winkel­ position des zugeordneten Zahnrades (8c.1, 9b.2, 10b.3) innerhalb einer Umdrehung sind. Die verwendeten Sensorelemente sind demzufolge vor­ zugsweise so ausgebildet, daß eine mechanische Beanspruchung, bei­ spielsweise eine Dehnung, eine Änderung des elektrischen Widerstandes zur Folge hat. Geeignete Materialien für derartige Sensorelemente sind z. B. Konstantan, Nickel oder aber Halbleiter wie Silizium. Mögliche Ausführungs­ formen von Dehnungsmeßstreifen sehen etwa auf eine Folie geklebte Drähte vor; alternativ sind auch Folien-Dehnungsmeßstreifen einsetzbar. Die Befestigung der Dehnungsmeßstreifen auf den Biegebalken erfolgt ent­ weder durch Aufkleben oder aber über Aufdampfen.

Hinsichtlich weiterer Details zu Dehnungsmeßstreifen sei etwa auf das Kapi­ tel 2 "Grundlagen und Anwendungen der Dehnungsmeßstreifen-Technik" in "Mechanische Grössen elektrisch gemessen" von R. K. Müller, expert Verlag, 1984, 2. Auflage verwiesen.

Innerhalb der nachgeordneten Auswerteeinheit (100) werden die drehwin­ kelabhängigen Ausgangssignale der vorgesehenen drei Sensorelemente (11.1, 11.2, 11.3) ausgewertet, so daß bei gleichzeitig bekanntem Unterset­ zungsverhältnis der Getriebestufen stets Informationen zur aktuellen Um­ drehungszahl der angetriebenen Welle (2) zur Verfügung stehen. Hierbei kann desweiteren vorgesehen sein, die Ausgangssignale innerhalb der Auswerteeinheit (100) pro Umdrehung in eine Anzahl vorbestimmter Schritte zu unterteilen.

Neben der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Multiturn-Drehgebers sind selbstverständlich auch andere, abgewandelte Varianten realisierbar, die eine einfache Erfassung der Anzahl er­ folgter Wellenumdrehungen auf Grundlage des Prinzips der vorliegenden Erfindung ermöglichen.

Claims (10)

1. Multiturn-Drehgeber mit

• - Mitteln (3, 4) zur Bestimmung der absoluten Winkelposition einer sich drehenden Welle (2) innerhalb einer Wellenumdrehung sowie
• - ein oder mehreren Getriebestufen zur Umsetzung der Drehbewegung der Welle (2) in eine Drehbewegung mit jeweils definiertem Überset­ zungsverhältnis,
• - wobei jede Getriebestufe mindestens ein Zahnrad umfaßt, das sich in einem definierten Untersetzungsverhältnis zur Drehbewegung der Welle dreht, so daß sich aus der Erfassung der Drehbewegungen jeweils ei­ nes Zahnrades aus jeder Getriebestufe die Zahl der erfolgten Wellen­ umdrehungen ermitteln läßt und
• - zur Erfassung der Drehbewegung des Zahnrades jeweils das Zahn­ rad (8c.1, 9b.2, 10b.3) zumindest teilweise in formschlüssigem Kontakt mit einem mindestens einseitig am Drehgeber befestigten Biegeelement (12.1, 12.2, 12.3) steht, auf dem mindestens ein dehnungsempfindliches Sensorelement (11.1, 11.2, 11.3) angeordnet ist, so daß bei der Dreh­ bewegung des Zahnrades (8c.1, 9b.2, 10b.3) ein drehwinkelabhängiges Signal des Sensorelementes (11.1, 11.2, 11.3) resultiert.

2. Multiturn-Drehgeber nach Anspruch 1, wobei das Zahnrad (8c.1, 9b.2, 10b.3) einen axial angeordneten Exzenteransatz (13.1, 13.2, 13.3) auf­ weist, der bei der Drehbewegung das Biegeelement (12.1, 12.2, 12.3) drehwinkelabhängig auslenkt.

3. Multiturn-Drehgeber nach Anspruch 1, wobei das dehnungsempfindliche Sensorelement (11.1, 11.2, 11.3) als Dehnungsmeßstreifen ausgebildet ist, der dehnungsabhängige Ausgangssignale liefert.

4. Multiturn-Drehgeber nach Anspruch 1, wobei dem Sensorelement (11.1, 11.2, 11.3) eine Auswerteeinheit (100) nachgeordnet ist, die aus dem resultierenden Signal die Anzahl der erfolgten Wellen-Umdrehungen bestimmt.

5. Multiturn-Drehgeber nach Anspruch 1, wobei zur Bestimmung der ab­ soluten Winkelposition innerhalb einer Wellenumdrehung eine kreisför­ mig angeordnete Teilungsstruktur auf einer mit der Weile (2) verbunde­ nen Codescheibe (3) vorgesehen ist, die von einer Abtasteinheit (4a bis 4d) abtastbar ist, um ein winkelabhängiges Ausgangssignal zu erzeu­ gen.

6. Multiturn-Drehgeber nach Anspruch 1, wobei mehrere Getriebestufen innerhalb eines Getriebegehäuses (6) angeordnet sind.

7. Multiturn-Drehgeber nach Anspruch 6, wobei das Biegeelement (12.1, 12.2, 12.3) als Biegebalken ausgebildet ist, der an einem Ende am Ge­ triebegehäuse (6) befestigt ist.

8. Multiturn-Drehgeber nach Anspruch 3 und 7, wobei der Dehnungsmeß­ streifen auf dem Biegebalken aufgedampft ist.

9. Multiturn-Drehgeber nach Anspruch 5, wobei die Teilungsstruktur als mehrspurige Codestruktur ausgebildet ist.

10. Multiturn-Drehgeber nach Anspruch 2, wobei der Exzenteransatz (13.1, 13.2, 13.3) geometrisch so dimensioniert ist, daß die resultierenden Ausgangssignale des Sensorelementes (11.1, 11.2, 11.3) sinusförmig sind.