DE2030404A1 - Codiervorrichtung - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. R. B Ξ E T Z sen.

Dlpl-Ing. K. LANiPKSCHT

Dr.-lng. R. 3 2SiTZJr.
8 M U η ehe η 22, Stoinsdorfstr. 10

3IO-I5.8OIP I9.6.I97O

St£ D'OPTIQUE, PRECISION ELECTRONIQUE & MECANIQUE - SOPELEM

Paris (Prankreich)

Codiervorrichtung

Die Erfindung hat eine Codiervorrichtung zum Codieren der Lage eines beweglichen Bauelementes gegenüber einem anderen Bauelement zum Gegenstand.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich insbesondere zum Markieren der linearen oder winkelmäßigen Verschiebungen beispielsweise in Werkzeugmaschinen mit numerischer Steuerung oder bei Winkelmeßgeräten wie etwa Goniometern benutzen.

Bei Vorrichtungen dieser Art wird die Verschiebung eines Bauelementes gegenüber einem anderen in eine bestimmte Anzahl von nebeneinanderliegenden Elementarverschiebungen oder Inkrementen zerlegt. Das eine der beiden Bauelemente trägt eine numerisch codierte Skala, die mehrere Spuren enthält, von denen jede aus einer Aufeinanderfolge von durch Intervalle voneinander getrennten Streifen besteht.

310-(PID 69A1)-Df-r (?)

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Das andere der Bauelemente trägt eine Leseeinrichtung, die Detektoren enthält, die ein digitales Signal abgeben, wenn sie vor den Streifen vorbeigehen, wobei die Breite der Streifen und der Intervalle ebenso wie die Lage der Detektoren so gewählt sind, daß die Leseeinrichtung jedesmal dann ein Signal abgibt, wenn sich das bewegliche Bauelement um ein Inkrement verschoben hat. Die miteinander kombinierten Signale der Leseeinrichtung geben dann die Lage des beweglichen Bauelementes im Vergleich zu seiner Ausgangslage wieder. '

Die Streifen und die Intervalle dazwischen sind durch zwei unterschiedliche Zustände wie etwa Leitfähigkeit und Isolationsvermögen, Durchsichtigkeit und Opazität usw. voneinander unterschieden. Die Detektoren sind entsprechend beispielsweise Kontakte oder photoelektrische Bauelemente wie Photodioden.

Bei den üblichen Vorrichtungen dieser Art setzt sich die Skala aus mehreren nebeneinanderliegenden Spuren zusammen, deren Teilungen von zunehmender Größe sind. Die Spur mit der kleinsten Teilung setzt sich aus einer Folge von Streifen und Intervallen gleicher Größe zusammen. Der Detektor gibt dann jedesmal beim Vorbeigang an einem Streifen ein einer Digitalziffer entsprechendes Signal ab, während er beim Vorbeigang vor einem Intervall ein der inversen Digitalziffer entsprechendes Signal erzeugt. Er ändert daher jedesmal seinen Zustand, wenn er sich um einen Teilungsschritt verschoben hat, und man kann auf diese Weise die beiden Stellungen markieren. Das Inkrement auf der Spur der Skala entspricht daher in seiner Größe der Breite der Streifen und der Intervalle.

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Γ- Jj i ι** -'S*£"5;,·■'

Durch Kopplung dieser Spur mit einer zweiten Spur, deren Streifen und Intervalle eine der Schrittweite der vorhergehenden Spur entsprechende, also der Summe aus der Breite eines Streifens und eines anschließenden Intervalls entsprechende Breite aufweisen, kann man vier Stellungen markieren. In entsprechender Weise bieten drei Spuren die Möglichkeit zum Markieren von acht Stellungen, vier Spuren orgeben eine Markierungsmöglichkeit für sechzehn Stellungen, und mit η Spuren lassen sich 2 Stellungen festlegen, wobei ein inkrement gleich der Breite eines Teilabschnitts auf der am feinsten unterteilten Skalenspur ist.

Die Schrittweite der Spur k beträgt bei einer solchen

k
Skala dann 2 Inkremental und die gesamte Anordnung führt zu einer Zahl, die der Stellung des beweglichen Bauelementes in einem Binäi-code entspricht, wobei die von -: an die Spur k auslesenden Detektoren abgegebenen Digitalzahlen ein 2 entsprechendes Gewicht au
Gewicht der Spur k im Binärcode·*

k k

ein 2 entsprechendes Gewicht aufweisen. 2 ist daher das

Man sieht also, dab es zur Darstellung einer großen Anzahl von Elementarverschiebun^en des Einsatzes von Vorrichtungen mit zahlreichen Spuren bedarf. Man muß daher die Skala als ganzes vergrößern, und wenn diese kreisförmig ausgebildet und auf einer Scheibe angeordnet ist, um beispielsweise winkelraäßige Verschiebungen wiederzugeben, so muß man den Durchmesser dieser Scheibe und dementsprechend deren Trägheit vergrößern. Auf der anderen Seite ist ein Inkrement gleich der halben Schrittweite für die feinetgeteilte Skalenspur, und damit wird die Meßgenauigkeit durch die feinstmögliche Skalengravierung begrenzt.

Zur Beseitigung dieser Nachteile hat die Erfindung

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SAD ORiGINAL

eine Codiervorrichtung zum Gegenstand, die eine Anzeige für die Lage des beweglichen Bapelementes im Binärcode liefert und die Anzahl der Spuren der Skala zu vermindern gestattet.

Erfindungsgemäß ist die Schrittweite für die Spur mit dein geringsten Gewicht gleich 8 Inkrementen, und die Lesevorrichtung setzt sich für diese Spur aus wenigstens vier Detektoren zusammen, die voneinander durch Abstände getrennt sind, die gleich einer ganzzahligen Anzahl von Inkrementen vergrößert um eine ggf. dem Wert Null annehmende ganzzahlige Anzahl von Schritten ist, und außerdem ist die Lesevorrichtung mit einem Codewandler zum Umwandeln der von den Detektoren gelieferten Informationen in dem Binärcode gekoppelt.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und ihrer Vorteile sollen nunmehr einige bevorzugte und in der Zeichnung veranschaulichte Ausführungsmöglichkeiten für die Erfindung näher beschrieben werden, jedoch selbstverständlich nur als die Erfindung in keiner Weise einschränkende Beispiele zu verstehen sind.

Dabei zeigen in der Zeichnung*

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Codiervorrichtung,

Fig. 2 die Anordnung der Detektoren für eine im Code k-k gehaltenen Skalenspur,

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BADOFUGINAL

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Fig, 3 ein Diagramm für die entsprechenden Codiersignale,

Fig. k zwei Matrizen zur Veranschauli ellung der von dem Codewandler vorzunehmenden Transformation,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für einen geeigneten Codewandler,

Fig. 6, 7» 8 und 9 den Figuren 2, 3» k und 5 entsprechende Darstellungen für eine Codiervorrichtung, die mit einer im 5-3-Code aufgebauten Skalenspur arbeitet,

Fig. 10 ein Beispiel für eine Skala mit i6 Inkrementen und

Fig. 11 die Anordnung der Detektoren für eine Skala in einer Codiervorrichtung mit 64 Inkrementen im 4-4-Code.

Die in Fig. 1 veranschaulichte Vorrichtung enthält ein bewegliches Bauelement 1, wie beispielsweise den Schlitten einer Werkzeugmaschine, das sich gegenüber einem feststehenden Bauelement 2, wie etwa dem Gestell der Werkzeug- ™ maschine, verschieben kann. Das feststehende Bauelement 2 trägt eine codierte Skala 3» die durch eine Leseeinrichtung k abgelesen werden kann, die sich auf dem beweglichen Bauelement 2 befind et und mehrere Detektoren 5 enthält. Die von den Detektoren 5 äusgelesenen Informationen werden von einem Codewandler 6 in Binärcode überführt und können dann auf einer Anzeigetafel 7 angezeigt oder in einem Auswertungsgerät wie etwa einem Rechner 8 verarbeitet werden.

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Pig. 2 veranschaulicht die Anordnung der Detektoren 5 oberhalb einer im Code U-U ausgeführten Skalenspur 3. Die Spur 3 setzt sich aus einer alternierenden Folge von opaken Streifen und durchsichtigen Intervallen von gleicher Breite zusammenα

Die Leseeinrichtung besitzt vier Detektoren al, b1, c1 und d1, die gegeneinander jeweils um einen Abstand e versetzt sind, der gleich einem Viertel der Breite eines opaken Streifens der Spur 3 ist.

Fig. 3 stellt ein Diagramm für die von den vier Detektoren während ihrer Verschiebung entlang der Skalenspur 3 abgegebenen Signale dar. Jeder Detektor gibt ein Signal ab, das einer digitalen 1 entspricht, wenn er sich vor einem opaken Streifen befindet, während er ein einer digitalen O entsprechendes Signal aussendet, wenn er einem durchsichtigen Intervall gegenüberstellte

Das Diagramm von Fig. 2 zeigt deutlich, daß jedesmal, wenn die Leseeinrichtung sich um eine Strecke e verschoben hat, einer ihrer Detektoren seinen Zustand ändert. Auf diese Weise erhält man einen gespiegelten Code, der die Möglichkeit zur Unterscheidung vün acht Stellungen gegenüber einer aus einem opaken Streifen und einem Intervall 32, d. h. aus einem Schritt, auf der Spur 3 bestehenden Einheit gibt.

Die Stellung des beweglichen Bauelementes 1 wird auf diese Weise in einem Code A-U-Modulo 8 wiedergegeben, wobei das Inkrement 1 gleich dem zwischen den Detektoren al, bi, c1 und d1 vorhandenen Abstand e ist.

Die von der Leseeinrichtung abgegebenen Signale im

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Achter-Code werden durch einen Codewandler 6 in den Binärcode überführt, damit sie durch das Auswertungsgerät wie etwa den Rechner 8 leichter verarbeitet werden können.

Fif;. h veranschaulicht auf der linken Seite die Codiermatrix, die für jeden Achter-Wert den Zustand der Detektoren al, b1, el und d1 angibt.

Jeder Achter-Wert entspricht einer Binärzahl, die in der rechten Tabelle in Fig. 8 darge-stellt ist, in der die angegebenen üigitalzahlen in Spalten A, B und C angeordnet sind, deren Gewicht 2 = 1 , 2¹ = 2 bzw. 2 = k entspricht.

Atxs Fig. k erkennt man, daß bei Bezeichnung, der den von den Detektoren al , b1, el und dl abgegebenen Signale mit a, b, c und d bei einer bestimmten Stellung der Leseeinrichtung die Digitalzahlen A, B und -C, denen im Binär-

0 1 2
code die Gewichte 2,2 bzw. 2 zukommen, durch folgende logische Gleichungen wiedergegeben werden:

A = ab + ba+cd + dc (1) B = b d + d b

. C = d ■"-.■.■■ -."■■'■ .

Fig. 5 veranschaulicht ein Beispiel für das Funktionsdiagramm des Codewandlers, der die Transformation des Achter-Codes in den Binärcode entsprechend den logischen Gleichungen (i) durchführt.

Jedes von den Detektoren al, b1, c1 und d1 abgegebene Signal wird in einem Verstärker 10 verstärkt und steuert dann eine Serie von binären Kippstufen 11, die in Kaskade

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BAD ORIGINAL

geschaltet sind und der Realisierung der Gleichungen (i) dienen.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Codewandler mit UND- und ODER-Schaltungen ausgerüstet, die Antivalenz-Schaltungen bilden, jedoch kann man selbstverständlich auch jede andere beispielsweise mit Invertern ausgestattete logische Schaltung verwenden»

Bei dem beschriebenen Ausfü-hrungsbeispiel ist ein Code k-li Modulo 8 verwendet, jedoch kann man in gleicher Weise jeden anderen Achter-Code einsetzen.

Fig. 6 veranschaulicht beispielsweise die Anordnung der Detektoren oberhalb einer im Code 5-3 ausgeführten Skalenspur, Dabei beträgt die Breite der opaken Streifen und der durchsichtigen Intervalle 5/8 bzw. 3/8 der Schrittweite der Skalenspur» Die Detektoren al, b1, el und d1 sind dann gegeneinander um Abstünde versetzt, die 2/8 der Schrittweite entsprechen.

Fig. 7 gibt das Signaldiagramm für die von den vier Detektoren al, b1, el und dl bei dem Vorbeigang der Leseeinrichtung an der Skalenspur von Fig» 6 abgegebenen Signale wieder«

Das daregestellte Diagramm läßt erkennen, daß jeweils einer der Detektoren eine Zustandsänderung erfährt/, wenn die Le se einrichtung sich van einen 1/8 der Schrittweite der Spur entsprechenden Abstand verschoben hat.

Man erhält dann einen gespiegelten Code, dessen Inkrement i gleich 1/8 der Schrittweite der Skalenspur ist, und

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BAD OFHGfNiir ^>iX

auf diese Weise die Markierung von acht Stellungen bei einer Verschiebung des beweglichen Bauelements um eine Schrittweite der Skalenspur gestattet.

Fig. 8 gibt die Codiermatrix wieder, die den Zustand der Detektoren al , b1, c1 und d1 für jeden Achter-Wert and ihre Entsprechung im Binärcode wiedergibt.

Der Übergang zum Binärcode folgt nachstehenden Gleichungen:

A = (a + b) (a + c)
(2) B = ä b + "c d
C β a b d

Fig. 9 zeigt das Funktionsdiagramm für einen Codewandler zur Realisierung der den Gleichungen (2) entsprechenden Transformation mit Hilfe von UND- und ODER-Sehaltungen. .

In gleicher Weise kann man jeden anderen Achter-Code wie beispielsweise einen Code 6-2 realisieren, jedoch muß ' man dann fünf Detektoren verwenden. Der Code 7-1 würde den Nachteil haben, daß er die Ausführung der Skalenteilung entsprechend einem Inkrement verlangt, d. h. also die Meß— genauigkeit durch die realisierbare Feinheit der Skalenteilung begrenzt.

Jedoch sieht man, daß man unabhängig von dem verwendeten Achter-Code acht Quantisierungsintervalle mit Hilfe einer einzigen Skalenspur und mindestens vier Detektoren in binärer Weise codieren kann. Bei den üblichen Codiervorrichtungen müßte man dazu drei Skalenspuren und fünf

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BAD

Detektoren benutzen, da man ja die zweite und die dritte Spur mit Hilfe zweier miteinander gekoppelter Detektoren auslesen müßte, um Zweideutigkeiten beim Übergang zur größten Zahl unter Steuerung durch die Skalenspur mit dem kleinsten Gewicht zu vermeiden. Die Beseitigung dieser Zweideutigkeit wird durch Leseeinrichtungsm von V-förmiger oder U-förmiger Gestalt üblicher Ausführung erreicht, wodurch sich naturgemäß die zur Auslesung erforderliche Zeit vergrößert.

Die erfindungsgemäße Codiervorrichtung gestattet daher die Erzielung einer gleichen Genauigkeit unter Verringerung der Anzahl der Skalenspuren, der Anzahl der Detektoren und der Auslesezeit.

Selbstverständlich kann man mit einer Skalenspur 3 im Achter-Code weitere Skalenspuren mit größerer Schrittweite kombinieren und so die Anzahl der ablesbaren Quantisierungsintervalle erhöhen.

Durch Koppelung der Spur 3 mit einer zweiten Spur 31» wie sie in Fig. 10 dargestellt ist, kann sechzehn Quantisierungsintervalle unterscheiden. Diese zweite Spur 31 muß zur Vermeidung von Zweideutigkeiten in üblicher Weise durch zwei gekoppelte Detektoren ausgelesen werden und liefert unmittelbar ohne Codeumwandlung die Binärziffer mit dem Gewicht 2³.

Jn gleicher Weise kann man durch Koppelung der Spur 3 mit einer Schrittweite von acht Inkrementell mit einer zweiten Spur 32 mit einer achtmal größerenSchrittweite und Ausleöung durch vier gegeneinander versetzte Detektoren a2, b2, c2 und d2 64 Quantisierungsintervalle unterscheiden«

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Vie man aus Fig. 11 sieht, kann diese Spur 32 -Streifen und Intervalle mit einer Breite von 32 Inkrementen enthalten, wobei die vier Detektoren jeweils um acht Inkrementen entsprechende Abstände gegeneinander versetzt sind.

Selbstverständlich muß man zur Beseitigung der Zweideutigkeit an den Grenzen diese Spur mit zwei üblichen Lese« inrichtungeii von U- oder V-förmiger Gestalt auslesen, und die Detektoren a2, b2, c2 und d-2 bestehen dann aus jeweils zwei miteinander gekoppelten Detektoren a2, a^f2, b2, b'2 us«., die durch die Detektoren für die Spur 3 gesteuert wordene

Eine solche Vorrichtung gestattet die Unterscheidung von toh Quantisierungsintervallen mit Hilfe zweier Spuren und 12 Detektoren·

Die Detektoren a2, a'2, b2, b^f2 usw« sind selbstverständlich mit einem Codewandler verbunden, der dem oben beschriebenen Codewandler äquivalent ist und die von den Detektoren abgegebenen Signale in den Binärcode überführt,

k wo ihnen di

entsprechen

3 k ■ wo ihnen die Digitalziffern mit den Gewichten 2 , 2 und 2

In gleicher Weise ist es möglich, mit den beiden Spuren 3 und 32 eine dritte Spur 33 «nit achtmal größerer Schrittweite, als die Schrittweite der Spur 32 zu koppeln und diese von vier Gruppen zu je zwei Detektoren auslesen zu lassen, so daß man dann 512 Quantisierungsintervalle unterscheiden kann.

Ganz allgemein sieht man, daß die oben beschriebene Vorrichtung eine Drittelung der für die Auslesung einer be-

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stimmten Anzahl yon Inkrementen erforderlichen Spuren ermöglicht, und daß andererseits das kleinste Quantisierungsintervall eine einem Viertel der Skalenteilung entsprechende Größe bekommt. Die Detektoren für die Skalenspur mit dem geringsten Gewicht sind um jeweils einem Inkrement entsprechende Abstände gegeneinander versetzt} wenn jedoch dieser Abstand zu klein wird und die Herstellung der Leseeinrichtung erschwert, ist es selbstverständlich möglich, ihn um einen einer ganzzahligen Anzahl von Schritten entsprechenden Abstand zu vergrößern.

In gleicher Weise sieht man, daß durch die Ablesung W der Streifen durch vier miteinander gekoppelte Detektoren die Meßgenauigkeit weniger durch XJnYollkomraenheiten bei der Ausführung der Skalenteilung beeinflußt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist oben in Verbindung mit einer linearen Skalenteilung erläutert worden, jedoch kann man selbstverständlich auch Kreisskalen für Winkelmessungen entsprechend ausgestalten.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Linzelheiten der oben als Ausführungsbeispiel beschriebenen Ausführungsform beschränkt·

Insbesondere läßt sich die erfindungsgemäße Codiervorrichtung mit einer Codiervorrichtung bekannter Bauart verbinden; dabei vermindert sich dann im Falle einer binären Codierung beispielsweise von Dezimalzahlen die Anzahl der erforderlichen Skalenspuren von vier auf zwei.

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Claims (2)

1. Patentansprüche

   Codiervorrichtung zum Codieren der Lage eines beweglichen Bauelements gegenüber einem anderen Bauelement unter Zerlegung einer Gesamtverschiebung des beweglichen Bauelements in eine bestimmte Anzahl von aneinandergereihten Elementarverschiebungen oder Inkrementell mit einer an dem einen Bauelement angebrachten Leseeinrichtung zum Ablesen einer auf dem anderen Bauelement angeordneten numerisch kodierten Skala, die mindestens eine aus einer alternierenden Folge von in der Leseeinrichtung einer Binärziffer entsprechenden Streifen und in der Leseeinrichtung der f inversen Binärziffer entsprechenden Intervallen von jeweils untereinander gleicher und paarweise der dem Gewicht der Spur im Binärcode zugeordneten Schrittweite der Spur entsprechender Breite bestehende Spur und gegebenenfalls mehrere daran angesetzte Spuren enthält, von denen jede eine ' gegenüber der Schrittweite der Spur mit dem geringen Gewicht im Binärcode vergrößerte Schrittweite aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß die Schrittweite der Spur mit dem geringsten Gewicht im Binärcode gleich acht Inkrementen ist und daß die Leseeinrichtung für diese Spur vier jeweils durch einer ganzzahligen Anzahl von Inkrementen plus einer gegebenenfalls den Wert Null annehmen- j den Anzahl von Schritten entsprechende Abstände voneinander getrennte Detektoren aufweiste und mit einem Codewandler zum Umwandeln der von den Detektoren gelieferten Informationen in den Binärcode gekoppelt ist»
2. 2. Codiervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Skala aus mehreren Spuren mit zunehmender Schrittweite besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrittweite in jeder Spur

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   achtmal so groß ist wie in der vorhergehenden Spur und für die Auslesunj, jeder Spur vier mit einem Codewandler gekoppelte Detektoren vorgesehen sind, die gegebenenfalls zur Ausschaltung von Zweideutigkeiten an den Grenzen doppelt ausgeführt sind.

   3· Codiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Streifen und der Intervalle der Spur jeweils gleich vier Inkrementell ist und die Detektoren um einem Inkrement plus gegebenenfalls einer ganzzah- ^ ligen Anzahl von Schritten entsprechende Abstände voneinander entfernt sind.

   k» Codiervorrichtung nach Anspruch 1„ dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen der Spur eine Breite von. fünf Inkrementen und ihre Intervalle eine Breite von drei Inkremente oder umgekehrt aufweisen und die Detektoren um zwei Inkrementen plus gegebenenfalls einer ganzzahligen Anzahl von Schritten entsprechende Abstände voneinandergetrennt sind.

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