DE2753382B2

DE2753382B2 - Winkelkodierer

Info

Publication number: DE2753382B2
Application number: DE2753382A
Authority: DE
Inventors: Gunther Christmann; Reimer Dipl.-Phys. Dr. Claussen
Original assignee: A Ott GmbH
Current assignee: A Ott GmbH
Priority date: 1977-11-30
Filing date: 1977-11-30
Publication date: 1980-10-30
Also published as: DE2753382C3; DE2753382A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Winkelkodierer zur Darstellung der Winkellage einer Welle oder dergleichen in einem absoluten Kode, insbesondere zur Messung langsam veränderlicher Größen, mit einem dekadischen Rollenkodierwerk, dessen von der Welle angetriebene, zvlindrische. jeweils einer der Dekaden zugeordnete Kodierrollen auf dem Umfang ihrer Mantelfläche ein Kodemuster eines dekadenübergreifend einschrittigen Kodes tragen und mit einer Abtasteinheit für das Kodemuster, welche für jedes Bit der Dekaden einen Abtaster aufweist, wobei die Abtaster parallel zur Drehachse der Kodierrollen ausgerichtet angeordnet sind.

Winkelkodierer werden vielfach zur Fernübertragung der absoluten Winkelstellung einer drehbaren

ίο Welle benutzt Das Kodemuster ist üblicherweise auf kreisförmigen Spuren einer mit der Welle gekuppelten Scheibe vorgesehen. Die Spuren werden durch je ein Abtastelement einer Abtasteinheit in elektrische Signale umgewandelt. Der Durchmesser der das Kodemuster tragenden Scheibe bestimmt das Winkelauflösungsvermögen des bekannten Winkelkodierers. Bei hoher Auflösung sind die bekannten Winkelkodierer relativ voluminös. Wesentlicher Nachteil der bekannten Winkelkodierer ist jedoch, daß sie lediglich ein elektrisches Ausgangssignal abgeben, so daß am Meßort eingebaute Winkelkodierer lediglich mit Hilfe spezieller elektrischer Servicegeräte eingestellt und überprüft werden können.
Ein Winkelkodierer mit einem Rollenkodierwerk der

2j eingangs näher erläuterten Art ist aus der US-PS 3170 155 bekannt. Die US-PS 3170 155 zeigt zwar Einzelheiten einer vorteilhaften Kodierweise; sie gibt aber keine Hinweise über eine zweckmäßige mechanische Gestallung des Kodierwerks. Die Kodierrollen

j„ sind in den Figuren der US-PS 31 70 155 achsparallel und nicht gleichachsig nebeneinander angeordnet. Das Kodemuster wird darüber hinaus durch Kontaktbürsten und nicht berührungsfrei abgetastet. Sichtbar dem Kodemuster zugeordnete Ziffern sind nicht vorhanden.

π Aus der DE-OS 21 52 738 ist ein Winkelkodierer bekannt, bei welchem mehrere nebeneinander feststehend an einer Grundplatte angeordnete Kodierscheiben von Kontaktbürstenrändern mit achsparallelen Drehachsen abgetastet werden. Die Bürstenräder sind durch Zahnradgetriebe miteinander verbunden und tragen an ihrem Radumfang sichtbare Ziffern. Nachteil des bekannten Winkelkodierers ist sein relativ großer mechanisch konstruktiver Aufwand und sein großer Platzbedarf. Der Winkelkodierer ist darüber hinaus aufgrund der von Bürstenrad zu Bürstenrad führenden Getriebekette relativ schwergängig.

Aus der DE-OS 20 41 832 ist eine Einrichiung zur Abtastung eines kodierten Rastermaßstabes bekannt, bei welchem der Rastermaßstab als Blende ausgebildet ist, die zwischen einer Vielzahl Leuchtdioden und einem gemeinsamen Lichtempfänger angeordnet ist. Hierbei handelt es sich nicht um Reflexlichtschranken. Im Ausführungsbeispiel der DE-OS P0 41832 wird ein linearer Anwendungsfall beschrieben. Darüber hinaus wird erwähnt, daß auch zylinderförmige Anordnu jen abgetastet werden können, ohne daß im einzelnen erläutert wird, in welcher konstruktiven Form und mit welchen Mitteln sie erfolgen soll.

Aus »IBM Technical Disclosure Bulletin«, 13 (1971),

_b0 Nr. 12, Mai, Seite 3702, ist es bekannt, die Lichtquelle und die Lichtempfänger eines ebenfalls im optischen Durchleuchteverfahren arbeitenden Winkelkodierers über Lichtleiter mit einer Kodemusterblende zu verbinden.

»IBM Technical Disclosure Bulletin«, 18 (1976), Nr. 9, Februar, Seite 2787, zeigt, daß es bekannt war, eine Kodierscheibe axial mittels eines Reedkontakts abzutasten. Die Druckschrift zeigt weder die Abtastung eines

auf den Umfang einer Rolle aufgebrachten, magnetischen Kodemusters noch sichtbar angebrachte Zahlen.

Die »Siemens-Zeitschrift«, 44 (1970), Heft 4, Seiten 249, 250, zeigt als einzige Druckschrift 2inen berührungslos abtastenden Winkelkodierer in Verbindung mit sichtbaren, die Winkelstellung wiedergebenden Ziffern. Bild 3 dieser Druckschrift zeigt aber auch deutlich den konstruktiven Aufwand des bekannten Winkelkodierers. Es werden magnetisch kodierte Kodescheiben benutzt, die über Zahnräder mit gesonderten Zahlenrollen verbunden sind. Die Ableseelektronik ist für jede der Kodescheiben an einem gesonderten Halter vorgesehen, der zwischen die Scheiben greift Beim Betrieb des Winkelkodierers muß nicht nur das Reibungsmoment der Kodescheiben, sondern auch das der Zahlenrollen und der zugeordneten Zahnräder überwunden werden. Der bekannte Winkelkodierer ist relativ voluminös.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen leichtgängigen, d. h. mit geringem Antriebsdrehmoment betrHbbaren Winkelkodierer anzugeben, der trotz geringer Baugröße die Winkelstellung einer Welle über einen sehr großen, eine Vielzahl Umdrehungen umfassenden Drehbereich genau erfassen kann und darüber hinaus auch im eingebauten Zustand leicht und ohne Hilfsmittel auf seine Winkelstellung hin überprüft werden kann. .

Ausgehend von dem eingangs näher erläuterten Winkelkodierer wird diesi Aufgabe erfindun«gemäß dadurch gelöst, daß die Kodierrollen gleichachsig nebeneinander angeordnet sind, daß die Abtaster benachbarter Kodierrollen in wenigstens einer Reihe _J0 nebeneinander angeordnet sind und das Kodemuiter berührungsfrei abtasten, und daß auf der Mantelfläche der Kodierrollen sichtbar die dem jeweils abgetasteten Kodemuster zugeordneten dekadischen Ziffern angeordnet sind. υ

Bei dieser Anordnungsweise sind sowohl das Kodemuster als auch die sichtbaren Ziffern am Umfang der gleichachsig nebeneinander angeordneten Kodierrollen vorgesehen. Dies erlaubt trotz kleinster Bauart sowohl eine exakte elektrische Kodierung als auch ziffernrichtiges Ablesen. Da nicht nur die jeweils einer der Kodierrollen zugeordneten Abtaster parallel zueinander ausgerichtet sind, sondern auch die Abtaster der Kodierrollen untereinander, lassen sich die Abtaster auf einem gemeinsamen Träger anbringen, was den ₄-, Winkelkodierer konstruktiv vereinfacht. Da die Abtastung des Kodemusters berührungsfrei erfolgt, ist eine leichte Drehbarkeit der Welle sichergestellt.

Das Winkelauflösungsvermögen des Winkelkodierers wird durcn die von der Welle angetriebene Kodierrolle niedrigster dekadischer Ordnung bestimmt. Lediglich diese Kodierrolle ist ständig mit der Welle gekuppelt; die übrigen Zahlenrollen müssen lediglich beim Dekadenwechsel bewegt werden, womit das zum Antrieb des Winkelkodierers benötigte mittlere Drehmoment klein bleibt. Neben dem Kodemuster tragen die Kodierrollen dekadische Ziffern, die zusammen eine der Winkelstellung entsprechende Zahl bilden. Die Winkelstellung kann somit unmittelbar an dem Winkelkodierer abgelesen werden, ohne daß das elektrische Ausgangssignal des Winkelkodierers zu diesem Zweck dekodiert werden müßte. Der dekadenübergreifende, einschrittige Kode ermöglicht auch bei Fertigungstoleranzen stets eine eindeutige Bestimmung der Winkelstellung der Welle. Auch bei Abtastung über mehrere Dekaden (,5 hinweg ändert sich somit der Kode lediglich um ein einziges Bit für jeden aufgelösten Winkelschritt. Geeignete Kodes sind beispielsweise die Kodes nach O'Brien oder Petherick. Besonders geeignet ist der Exzeß-3-Reflex-Kode. Aus diesen einschrittigen Kodes erhält man dekadenübergreifend einschrittige Kodes, wie sie für ein Rollenkodierwerk benötigt werden, dadurch, daß der jeweilige Kode verdoppelt, d. h. auf 20 Teile erweitert wird, indem der Kode an dem Übergang von 9 auf 0 »reflektiert« wird. Auf diese Weise erhalten die aneinandergrenzenden Kodierrollensegmente »9« und »0« den identischen Kode. Beim Obergang von 9 auf 0 kann sich deshalb der Kode der höherwertigen Kodierrollen um ein Bit ändern, und die Einschrittigkeit des dekadenübergreifenden Kodes bleibt erhalten. Das auf diese Weise realisierte Rollenkodierwerk hat im Gegensatz zu gebräuchlichen dekadischen Rollenzählwerken 20 Ziffern auf jeder Koüierrolle 0, ..„ 9,0 ... 9. Das Weiterschalten der Kodierrolle erfolgt in dieser bevorzugten Version jeweils um 18° im Gegensatz zu 36° bei gebräuchlichen Rollenzählwerken. Die Kodierrollen tragen dabei ein Vielfaches von zwei Sätzen fortlaufend numerierter Ziffern einschließlich der zugeordneten Kodemuster. Das Weiterschalten de*¹ jeweils nächsten Zahlenrolle erfolgt bei jedem Übergang der jeweils vorhergehenden Kodierrolle von der Ziffer 9 auf die Ziffer 0. Das Auflösungsvermögen des Winkelkodierers kann hierdurch nicht zuletzt vergrößert werden.

Die für jedes Bit der Dekaden in der Abtasteinheit vorgesehenen Abtaster sind parallel zur Drehachse der Kodierrollen ausgerichtet. Derartige Winkelkodierer sind fertigungstechnisch einfach und kostengünstig. Sofern die Abtaster nicht in einer Reihe nebeneinander Platz haben, können auch zwei oder mehr in Umfangsrichlung der Kodierrollen gegeneinander versetzte Reihen vorgesehen sein, wobei jedoch die Abtaster der einzelnen Reihen jeweils Bits gleicher Ordnung der Kodierrollen zugeordnet sind. Zwischen oder neben den Reihen von Abtastern können zur besseren Platzausnutzung gegebenenfalls zusätzliche elektronische Bauelemente zur Steuerung magnetfeldempfindlicher Bauelemente oder zur Umkodierung angebracht sein.

In einer Vielzahl Anwendungsfälle, insbesondere auch bei Pegelstandsmessern, etwa solchen mit Schwimmermeßsystemen, kommt es darauf an, das zum Antrieb des Winkelkodierers benötigte Drehmoment möglichst klein zu halten. Obgleich mechanisch mittels Kontakte abtastende Abtasteinheiten verwendet werden können, werden zur Verringerung des zum Antrieb benötigten Drehmoments berührungsfreie Abtasteinheiten bevorzugt. Solche berührungsfreien Abtasteinheiten können nach Art von Reflexlichtschranken aufgebaut sein, die auf unterschiedliche Reflexionseigenschaften des Kodemusters ansprechen. Eine derartige Reflexlichtschranke weist eine Lichtquelle auf, die die Mantelfläche der Kodierrolle beleuchtet, sowie ein Fotoelement, welches das reflektierte oder das gestreute Licht aufnimmt. Die Lichtquelle und das Fotoelement können, sofern der Winkelkodierer beispielsweise bei explosionsgeschützten Ausführungsformen keine elektrischen Teile enthalten soll, über Lichtleiter mit dem Kodemuster auf der Kodierrolle verbunden sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen daß auf der Mantelfläche der Kodierrolle magnetisches Material im Kodemuster angeordnet ist, und daß die Abtasteinheit stationäre, magnetfeldempfindliche Bauelemente aufweist. In dieser Ausführungsform arbeitet die Abtasteinheit ebenfalls berührungsfrei. Als magnetfeldempfindliche Bauelemente eignen sich

Hallsonden, magnetische Ringkerne, Feldplatten oder Reedschalter. Das Kodemuster kann aus einem blattförmigen magnetischen Material, insbesondere einem magnetpulverhaltigen Kunststoffmaterial ausgestanzt sein. Die zum Ablesen der Winkelstellung > vorgesehenen Ziffern können auf einer das magnetische Material überdeckenden Beschichtung oder Folie angeordnet sein. Da sich auf diese Weise die axiale Länge der Kodierrollen verkleinern läßt, verringern sich auch die Abmessungen des Winkelkodierers.

Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Winkelkodierer mit optischer Abtastung; ι >

Fig.2 einen Schnitt entlang der Linie H-II in Fig. 1 und

Fig.3 einen schematischen Querschnitt durch einen Winkelkodierer mit magnetischer Abtasteinheit.

Die F i g. 1 und 2 zeigen einen nach Art eines m dekadischen Zählwerks aufgebauten Winkelkodierer mit einem Gehäuse 1, in weichem eine Welle 3, deren absolute Winkelstellung erfaßt werden soll, drehbar gelagert ist. Auf der Welle 3 sitzen 3 Zahlenrollen 5,7,9, je eine Zahlenrolle für jede Dekade. Die Zahlenrolle 5 2> für die niedrigste Dekade ist mit der Welle 3 drehfest verbunden. Die Zahlenrollen 7,9 sitzen drehbar auf der Welle 3. Jede der zylindrischen Zahlenrollen 5,7,9 trägt in Umfangsrichtung zwei Sätze fortlaufend von 0 bis 9 numerierter Ziffern und ist mit zwei Fortschaltnasen 11, jo 13 versehen, die über ein Zahnrad 15 bei Übergang der Ziffern der Zählrolle von 9 auf 0 die benachbarte Zählrolle der höheren Dekade um eine Ziffer fortschalten. Das Zahnrad 15 sitzt auf einer Achse 17 und steht mit einem Zahnkranz 19 der zur höheren Dekade gehörenden Zählrolle in Eingriff. Bei jeder vollen Umdrehung der Zählrolle werden somit die Ziffern 0 bis 9 der Reihe nach zweimal durchlaufen. Die durch die Ziffern gebildeten, der Winkelstellung der Welle 3 entsprechenden Zahlen können durch ein Fenster 21 des Gehäuses 1 hindurch abgelesen werden.

Axial neben den Ziffern trägt jede der Zahlenrollen 5, 7, 9 das der Ziffer zugeordnete Bitmuster eines Exzeß-3-Reflex-Kodes, der in der reflektierten Dezimaldarstellung die Eigenschaft hat, daß sich sein Bitmuster dekadenüberschreitend von Schritt zu Schritt lediglich an einer Bitstelle ändert (einschrittiger, dekadenüberschreitender Kode). Das Kodemuster des Kodes ist in Umfangsrichtung der Zahlenrollen 5, 7, 9 um 90° gegen die zugeordneten Ziffern versetzt auf der Mantelfläche der Zahlenrollen 5, 7, 9 angeordnet und wird durch optische Abtaster 23 berührungslos abgetastet. Die optischen Abtaster sind zur Vereinfachung der Herstellung in einer Reihe parallel zur Welle 3 ausgerichtet. Sie enthalten für jede der vier Bitspuren des Kodemusters je eine aus einer Leuchtdiode 25 und einer Fotodiode 27 bestehende Reflexlichtschranke, die auf das entsprechend der Bitverteilung des Kodes in reflektierende und nicht reflektierende Bereiche unterteilte Kodemuster ansprechen. In Fig. I sind die reflektierenden Bereiche mit 29, die nicht reflektierenden Bereiche mit 31 bezeichnet. An die Fotodioden 27 können Schwellwertstufen angeschlossen sein, die das Ausgangssignal der Fotodioden digitalisieren.

Fig.3 zeigt eine andere Ausführungsform eines Winkelkodierers, der sich von dem Winkelkodierer der F i g. 1 und 2 im wesentlichen durch die Abtastart des Kodes unterscheidet. Der Winkelkodierer enthält wiederum nach Art eines dekadischen Zählwerks zusammenwirkende Zählrollen 33 auf einer Welle 35, deren Winkelstellung kodiert werden soll. Das Kodemuster des dekadeübergreifenden, einschrittigen Kodes ist am Umfang der Zählrollen 33 aus magnetischem Material nachgebildet Das Kodemuster kann beispielsweise aus einer Schicht 37 des magnetischen Materials ausgestanzt sein. Es wird mittels Hallsonden 39, 41 berührungsfrei abgetastet, welche an einem um die Zählrollen herumgreifenden Träger 43 befestigt sind. Der Träger 43 erstreckt sich in axialer Richtung über die Zählrollen sämtlicher Dekaden. In axialer Richtung benachbarte Hallsonden sind parallel zur Drehachse der Zahlenrollen 33 ausgerichtet. Da die Hallsonden in axialer Richtung breiter als die von ihnen abzutastende Spur sind, sind die Hallsonden benachbarter Spuren um 90° in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt. Entsprechend versetzt sind die von diesen Hallsonden abzutastenden Spuren. Der Träger 43 dient darüberhinaus der Befestigung zusätzlicher elektronischer Bauelemente 45 bzw.der Zuleitung zu den Hallsonden.

Die Zahlenrollen 33 tragen wiederum in Umfangsrichtung zwei Sätze von Ziffern 0 bis 9, die durch ein Fenster 47 im Gehäuse 49 des Winkelkodierers abgelesen werden können; die Ziffern sind auf einer die Magnetschicht 37 Oberdeckenden dünnen Schicht oder Folie 51 vorgesehen. Im Gegensatz zur Ausführungsform nach den F i g. 1 und 2 kann hierdurch die axiale Baulänge des Winkelkodierers verringert werden.

Neben dem Exzeß-3-Reflex-Kode können auch andere dekadenüberschreitende, einschrittige Kodes benutzt werden. Geeignet sind zum Beispiel die Kodes nach O'Brien und der BCD-Petherick-Kode. Die Kodetafeln dieser Kodes sind in der nachfolgenden Tabelle I angegeben.

Tabelle I

Kodebezeichnung

1

O'Brien

Kode II

1

Exzess-3-Reflex-Kode

2

1

Petherick-Kode

3

2

1

O'Brien Kode I

X

Stellen-Nr.

X

4 3

2

X

4 3

X

4

X

4 3 2

X

0

X

1

X

2

X

3

X X

4

1-

oriset/iing

2

I

()■

Bricn

Kode II

I

lix/ess

O-Rcllcx-Kodc

2

I

Pcthcrick-Kodc

2

1

X

Kodcbe/eichnung

X

4

3

2

4

3

X

4 3

X

(VBricn Kode 1

X

Stcllcn-Nr.

X

5

4 3

X

6

X X

X

7

X

8

X

9

X

Tabelle Il zeigt die reflektierte Dezirnaldarstellung einer 20teiligen Zahlenrolle. Innerhalb einer Dekade wird der Exzeß-3-Reflex-Kode verwendet.

Tabelle Il	X	X
1	X	X
2 X		X
3
4

X X

	X	X	X	X	X	X	X	X	X
		X	X			X	X		X
X	X	X	X	X	X	X	X	X	4
X	X	X	8	9	O	1	X	X
5	6	7	->	Blatt		Zeichnungen	2	3
		Hierzu

X X X X

Claims

Patentansprüche:

1. Winkelkodierer zur Darstellung der Winkellage einer Welle oder dergleichen in einem absoluten Kode, insbesondere zur Messung langsam veränderlicher Größen, mit einem dekadischen Rollenkodierwerk, dessen von der Welle angetriebenen, zylindrische, jeweils einer der Dekaden zugeordnete Kodierrollen auf dem Umfang ihrer Mantelfläche ein Kodemuster eines dekadenübergreifend einschrittigen Kodes tragen und mit einer Abtasteinheit für das Kodemuster, welche für jedes Bit der Dekaden einen Abtaster aufweist, wobei die Abtaster parallel zur Drehachse der Kodierrollen ausgerichtet angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kodierrollen (5, 7,9; 33) gleichachsig nebeneinander angeordnet sind, daß die Abtaster (25, 27; 39, 41) benachbarter Kodierrollen (5,7,9; 33) in wenigstens einer Reihe nebeneinander angeordnet sind und das Kodemuster berührungsfrei abtasten und daß auf der Mantelfläche der Kodierrollen (5, 7, 9; 33) sichtbar die dem jeweils abgetasteten Kodemuster zugeordneten dekadischen Ziffern angeordnet sind.

2. Winkelkodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sichtbaren Ziffern am Umfang der Kodierrolle (5, 7, 9) axial neben den in Umfangsrichtung gegebenenfalls versetzten Kodemustern angeordnet sind und daß die Abtaster als Reflexlichtschranken (25,27) ausgebildet sind.

3. Winkelkodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Mantelfläche der Kodierrolle (33) magnetisches Material (37) im Kodemuster angeordnet ist und daß die Abtasteinheit stationäre, magnetfeldempfindliche Bauelemente (39, 41), insbesondere Hallsonden, magnetische Ringkerne, Feldplatten oder Reedschalter aufweist.

4. Winkelkodierer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kodemuster aus einem blattförmigen magnetischen Material (37) ausgestanzt ist und daß die sichtbaren Ziffern auf einer das magnetische Material (37) überdeckenden Beschichtung (51) oder Folie angeordnet sind.

5. Winkelkodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtaster (39, 41) in mehreren, in Umfangsrichtung der Kodierrollen (?3) gegeneinander versetzten Reihen parallel zur Drehachse der Kodierrollen (33) ausgerichtet sind.

6. Winkelkodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche, insbesondere der Umkodierung oder Steuerung magnetfeldempfindlicher Bauelemente (45) dienende, elektronische Bauelemente in einer zur Drehachse der Kodierrollen (33) parallelen Ebene angeordnet sind.

7. Winkelkodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kode ein O'Brien-Kode oder ein BCD-Petherick-Kode oder insbesondere ein Exzeß-3-Reflex-Kode ist.