DE2753382C3 - Winkelkodierer - Google Patents

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 Rollenkodicrwerk, dessen von der Welle angetriebene, zylindrische, jeweils einer der Dekaden zugeordnete Kodierrollen auf dem Umfang ihrer Mantelfläche ein Kodemuster eines dekadenübergreifend einschrittigen Kodes tragen und mit einer Abiasteinheit 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

in Welle benutzt Das Kodemuster ist üblicherweise au! 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 eingangs näher erläuterten Art ist aus der US-PS 3170 155 bekann.'. Die US-PS 317Ü155 zeigt zwar Einzelheiten einer vorteilhaften Kodierweise; sie gibt aber keine Hinweise über eine zweckmäßige mechanische Gestaltung des Kodierwerks. Die Kodierrollen

J₀ 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.

,5 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 Bürsienräder 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

4-, aufgrund der von Bürstenrad zu Dürstenrad führenden Getriebekette relativ schwergängig.

Aus der DE*OS 20 41 832 ist eine Einrichtung zur Abtastung eines kodierten Raslermaßstabes 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 20 41832 wird ein linearer Anwendungsfall beschrieben. Darüber hinaus

γ, wird erwähnt, daß auch zylinderförmige Anordnungen 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).

mi Nr. 12. Mai. Seite 1702. ist es bekannt, die Lichtquelle und die Liehtempfnnger eines ebenfalls im optischen Durchleiichteverfahren arbeitenden Winkelkodierers über Lichtleiter mit einer Kodcmiistcrblcndc /11 verbinden.

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

Huf den Umfang einer Rolle aufgebrachten, magneli sehen Kodemusten noch sichtbar angebrachte Zahlen.

Die »Siemens-Zeitschrift«. 44 (1970), Heft 4, Seilen 249, 250, zeigt als einzige Druckschrift einen 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 betreibbaren 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 diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kodierrollen gleichachsig nebeneinander angeordnet sind, daß die Abtaster benachbarter Kodierrollen in wenigstens einer Reihe nebeneinander angeordnet sind und das Kodemuster berührungsfrei abtasten, und daß auf der Mantelfläche der Kodierrollen sichtbar die dem jeweils abgetasteten Kodemuster zugeordneten dekadischen Ziffern angeordnet sind.

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 Winkelkodierer konstruktiv vereinfacht. Da die Abtastung des Kodemusters berührungsfrei erfolgt, ist eine leichte Drehbarkeit der Welle sichergestellt

Das Winkelauflösungsvermögen des Winkelkodierers wird durch 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 Dekadenwe?hsel 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 /ti diesem Zweck dekodiert werden müßte. Der dekadenübergreifende, einschrittige Kode ermöglicht auch bei Fertigungstoleran/.cn stets eine eindeutige Bestimmung der Winkelstellung der Welle. Auch bei \blaslung über mehrere Dekaden hinweg ändert sich somit der Kode lediglich um ein einziges Bit für jedtn aufgelösten Winkelschriit. Geeignete Kodes sind beispielsweise die Kodes nach

O'Brien oder Pethenclc. Besonders geeignet ist der Exzeß-3-Refle)i-Kode. Aus diesen einschrittigen Kodes erhalt 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 Übergang 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 Kodierrolle 0, .... 9.0 ... 9. Das Weiterschalten der Kodierrolle erfolgt in dieser bevorzugten Version jeweils um 18° im Gegensatz zu 36° bei gebräuchlichen RollenzäMwerken. Die Kodierrollen tragen dabei ein Vielfaches von zwei Sätzen fortlaufend numerierter Ziffern einschließlich der zugeordnetem Kodemuster. Das Weiterschiiten de>" jeweils nächsten Zahler.rolle erfolgt bei jedem Übergang der jeweils vorhergehenden Kodierrolle von der Ziffer 9 auf die Ziffer 0. Das Auflösungsvermögen des Winkelkodierers kann hierdurch r.icht 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 Umfangsrichtung 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 aiigebracht 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 KodemuL'.ii 5 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 explosionsgeschützt ten Ausführungslormen keine elektrischen Teile enthal(en soll, über Lichtleiter mit dem Kodemuster auf der Kodicrrolle verbunden sein.

In einer bcvor/uglen Aiisführungsfomi ist vorgesehen, daß auf der Mantelfläche der Kodicrrolle magnetisches Material im Kodemuster angeordnet ist. und daß die Abiasteinheit stationäre, magnelfcldempfindlichc Bauelemente aufweist. In dieser Ausfühningsforin arbeitet die Abtasteinheit ebenfalls berührungsfrci. Als magnctfcldempfindliche Bauelemente eignen sich

n. magnetische Ringkerne. I eldplatten oder Recdsehaller. Das Kodcmtisler kann aus einem blattförmigen magnetischen Material, insbesondere einem magnetpulverhaltigen Kiinststoffmaterial atisgestanzt sein. Die zum Ablesen der Winkelstellung vorgesehenen Ziffern können auf einer das magnetische Material überdeckenden Beschichtung oder Folie angeordnet sein. Da sich auf diese V/eise die axiale Länge der Kodierrollen verkleinern läßt, verringern sich auch die Abmessungen des Winkclkodierers.

Im folgenden sollen Ausführungsbeispicle der Erfindung anhand von Zeichnungen naher erläutert werden. Ls /eigt

L i g. I einen schematischen Längsschnitt durc'i einen VVinkelkodiercr mit optischer Abtastung;

I'ig. 2 einen Schnitt entlang der Linie Uli in (-'ig. 1 und

I" ig. 3 einen schematischen Querschnitt durch einen VVinkelkodiercr mit magnetischer Abtasteinheit.

Die (·' i g. I und 2 /eigen einen nach Art eines dekadischen Zählwerks aufgebauten Winkelkodierer mn einem Ciehäuse 1. in welchem eine Welle 3. deren absolute Winkelstellung erfaßt werden soll, drehbar gelagert ist. Auf der Welle 3 sit/en 3 Zahlenrollen 5, 7, 9. |e eine Zahlenrolle für jede Dekade. Die Zahlenrolle ϊ fur die niedrigste Dekade ist mit der Welle 3 drehfesi verbunden. Die Zahlenrollen 7, 9 sit/en drehbar auf der Welle 3. jede der zylindrischen Zahlenrollen 5, 7. 9 trägt in I !mfangsrichtiing zwei Sätze fortlaufend von 0 bis ^l> numerierter Ziffern und ist mil zwei Fortschallnasen 11, 13 versehen, die über ein Zahnrad Ii bei (.'Hergang der Ziffern tier Zählrolle von 9 auf (I die benachbarte Zahlrolle der höheren Dekade um eine Ziffer fonsi-h.il ten. Das Zahnrad 15 sit/t auf einer Achse 17 und sieht mit einem Zahnkran/ 19 der zur höheren Dekade gehörenden Zählrolle in Lingnff. I3ei jeder vollen I mdrchung der Zählrolle w erden sonnt die Zilfern 0 bis 4 der Reihe nach zweimal durchlaufen. Die dui\ Ii die Ziffern gebildeten, tier Winkelstellung der Welle 3 entsprechenden Zahlen können durch ein Fenster 21 des (ichauses I hindurch abgelesen werden.

•\\ial neben den Ziffern tragl iede der Zahlenrollen S.

l.x/eU 3 Reflex-Kodes, der in der reflektierten Dezi- !!!.!!darstellung die Ligenschafl hat. daH sich sein !Intimster dekadenüberschreitend von Schritt zu Sehn" lediglich an einer Bitstelle amlen (emschrittigei. dekadenüberschreitender Kode). Das Kodemusier des Kodes isi in I mfangsrichtung der Zahlenrollen 5, 7, 9 um 4(i 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 (.Inhalten für jede der vier Bitspuren des Kodemusters je eine aus einer Leuchtdiode 25 und einer Fotodiode 27 bestehende Reflexlichtschranke. die auf das entsprechend der Bitvcrleilung des Kodes in reflektierende und nicht reflektierende Bereiche unterteilte Kodemuster ansprechen. In I'ig. I sind die reflektierenden Bereiche mit 29. die nicht reflektierenden Bereiche mit 31 bezeichnet. An die Fotodioden 27 können Sehwellwerlstufen angeschlossen sein, die das Ausgangssignal der Fotodioden digitalisieren.

I i g. 3 zeigt eine andere Ausführungsform eines Winkclkodierers. der sich von dem Winkelkodierer der Fig. I und 2 im wesentlichen durch die Abiastart 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 iles dekadeübergreifenden, cinschriltigcn Kodes ist am Umfang der Zählrollcn 33 aus magnetischem Material nachgebildet. Das Kodemuster kann beispielsweise aus einer Schicht 37 des magnetischen Materials ausgestanzt sein. Ls wird mittels Hallsondcn 39, 41 berührungsfrei abgetastet, welche an einem um die Zählrollen herumgreifenden Träger 43 befestigt sind. Der Träger 43 erstreckt sich in axialer Richtung üher die Zählrollen sämtlicher Dekaden. In axialer Richtung benachbarte Hallsonden sind parallel zur Drehachse der Zahlenrollen 33 ausgerichtet. Da die Hallsondcn in axialer Richtung breiter als die von ihnen abzutastende Spur sind, sind die llallsonden benachbarter Spuren um 40 in I 'mfangsrichtiing gegeneinander verset/i. Imsprechend versetzt sind die von diesen Hallsonden abzutastenden Spuren. Der Träger 43 dient dariiberhinaus der Befestigung zusätzlicher elektronischer Bauelemente 45 bzw. der Zuleitung zu ilen I lallsonden.

Die Zahlenrollen 33 tragen wiederum in Umfangsrichtung zwei Sätze von Ziffern Π bis 9. die durch ein fenster 47 im Gehäuse 49 des Winkclkodierers abgelesen werden können: die Ziffern sind auf einer die Magnetschicht 37 überdeckenden dünnen Schicht oder

form nach den Fig. I und 2 kann hierdurch die axiale I3aulänge des Winkelkodierers verringert werden.

Neben dem FxzeU-3-Reflcx-Kode können auch andere dekadeniiberschreitende. 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 1 angegeben.

l.ilvlk- I

ilMnjn k"d,· I
Sk-lk-n-V.

(i H

I'ctlicrick-Knilc

ΟΠΝΟΊ/ΙΙΜμ

Oik I

I

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Ki.ik- Il

I

l\/ess-.l-Ke

.1

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I

IVlherick-K

ι nie

I

X

X

Kodchc'dehnung

2

4

.1

2

4

X

2

X

4 3

2

X

O'Hrien K

X

X

X

X

X

X

X

Slellon-Nr.

X

X

X

X

X

X

X

X

X

5

I .1

X

X

X

X

X

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X

6

X X

X

X

X

X

X

X

7

X

X

X

X

X

8

χ

(j

X

X

Tabelle Il zeigt die reflektierte De/imaldarstclliing einer 20tciligen Zahlcnrolle. Innerhalb einer Dekade wird der Kxzcß-J-Reflex-Kode verwendet.

Tabelle Il

O

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

I

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

2 X

X

X

4

ς

X

X

X

X

X

X

X

X

■t

5

X

X

I

X

X

8

9

O

1

X

X

8

4

2

3

6

7

l/U 2

Mliill /

2

i

6

7

Hie

Claims (7)

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; 35} in wenigstens einer Reihe nebeneinander angeordnet sind und das KoJemuster 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. Winkelkodieret nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Mantelfläche der Kodierrolle (33) magnetisch· » 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 aas 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 (33) gegeneinander versetzten Reihen parallel zur Drehachse der Kodierrollen (33) ausgerichtet sind.

6. Winkelkodierer nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daU 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 I, dadurch gekennzeichnet, daß der Kode ein O'Brien-Kode oder ein BCD-Petherick-Kode oder insbesondere ein Exzeß-3-Rcflex-Kode ist.