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Absolutwert-Winkelcodierer
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Die Erfindung betrifft einen Absolutwert-Winkelcodierer mit Digitalanzeige
und mit mehreren Getriebestufen mit zugeordneten Codescheiben und mit den Code scheiben
zugeordnete, mit elektro-optischen Abtastern arbeitenden Auswerteeinrichtungen zur
Gewinnung einer durch ein Getriebespiel unbeeinflussten digitalen Drehwinkel- bzw.
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Weg information.
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Derartige Absolutwert-Winkelcodierer sind bekannt und umfassen als
Bestandteil der Auswerteeinrichtungen V-bzw. U-förmig zu zwei Gruppen geordnete
elektro-optische Abtaster bzw. Lichtschranken, deren Lichtstrahl durch dunkle Bereiche
einer Codescheibe unterbrochen wird und durch helle bzw. transparente Bereiche einer
Codescheibe mehr oder weniger ungehindert hindurchgeht.
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Die V- bzw. U-förmige Anordnung von zwei Reihen elektrooptischer Abtaster
dient bei den bekannten Winkelcodierern dazu, durch die doppelte Abtastung der Codescheiben
mit zwei Abtastreihen pro Scheibe Getriebe-Teilungsfehler, ein Umkehrspiel oder
einen schleichenden übergang bei einem Dekadensprung auszuschließen.
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Nachteilig an den bekannten Winkelcodierern ist es, daß pro Codescheibe
doppelt soviele Abtaster benötigt werden wie Spuren für die Winkelcodierung vorhanden
sind und daß zusätzlich noch eine spezielle logische Schaltung
benötigt
wird, um den jeweils zutreffenden Winkelwert in Abhängigkeit vom Vor- und Nacheilen
der Signale von den verschiedenen Abtastern zu identifizieren.
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Ausgehend vom Stande der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
einen Absolutwert-Winkelcodierer der eingangs angegebenen Art dahingehend zu verbessern,
daß eine durch ein Getriebespiel unbeeinflusste digitale Drehwinkel- bzw. Wegeinformation
mit deutlich geringerem AuF wand gewonnen werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit Hilfe eines Absolutwert-Winkelcodierers
mit den Merkmalen des Kennzeichenteils des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird also dadurch, daß man die zweite und jede weitere
Codescheibe bewußt so montiert, daß der Übergang zum nächsten Codewert zu früh erfolgt
und daß man bei Bedarf eine entsprechende Korrektur durchführt, der Einfluß eines
Getriebespiels sicher ausgeschlossen, während gleichzeitig die Positionierung der
zweiten und der weiteren Codescheiben erleichtert wird, da sie bei exakten Meßergebnissen
nur innerhalb eines Bogens genau sein muß, der einer halben Umdrehung der vorausgehenden
Scheibe entspricht. (In analoger Weise können die zweite und die weiteren Codescheiben
auch bewußt für eine nacheilende Signalgabe montiert werden, wobei in diesem Fall
nach einem Nulldurchgang mit einem um Eins erhöhten Wert gearbeitet wird, während
vor einem Nulldurchgang mit dem angezeigten Wert gearbeitet wird).
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Ein wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Absolutwert-Winkelcodierers
besteht darin, daß zur Unterdrückung der Auswirkung eines Getriebespiels auf die
Genauigkeit der digitalen Drehwinkel- bzw. Weg-Information pro Codescheibe,
abgesehen
von der zur letzten Getriebestufe gehörigen Codescheibe, wo auch bei den bekannten
Absolutwert-Winkelcodierern nur eine einzige Reihe von elektrooptischen Abtastern
vorhanden ist, jeweils nur eine einzige Reihe von elektro-optischen Abtastern benötigt
wird, wobei die Anzahl der Abtaster teilweise wegen der weiteren Spur um Eins erhöht
ist. Es liegt auf der Hand, daß diese Lösung deutlich billiger als die vorbekannte
Lösung ist und daß zusätzlich wegen der verringerten Zahl von elektro-optiscen Abtastern
letztlich auch eine geringere Dtöran'ällUgkeit erreicht wird. Außerdem ist die Justage
der Codescheiben bezglih der Codescheibe der Eingangsstufe nicht besonders kritisch,
so daß sich Zeiteinsparungen bei de Fertigung ergeben.
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In vortilafter Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als günstig
erwiesen, wenn die Auswerteeinrichtungen eie Anzeigevorichtung zur Anzeige der Drehwinkel-
bzw. Weg-Information und zur Anzeige der Drehrichtung durch ein gleichzeitig angezeigtes
Richtungssymbol umfassen, da in diesem Fall für die Bedienungsperson deutlich wird,
aus welcher Drehrichtung der angezeigte Winkel erreicht wurde, was insofern wesentlich
ist, als der Einfluß des Spiels einer Spindel oder dergleichen bei einer mit dem
erz in dungsgemäßn Winkelkodierer ausgestatteten Maschine nur dann ausgeschaltet
werden kann, wenn die verschiedenen Drehwinkel bzw. Wegstrecken nacheinander bei
gleichbleibender Drehrichtung des Antriebs erreicht werden.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Auswerteeinrichtungen
dabei zusätzlich Signalisiereinrichtungen umfassen, mit deren Hilfe bei einem Drehrichtungswechsel
zwischen der Anzeige zweier aufeinanderfolgender Informationen ein Blinken des Richtungssymbols
herbeiführbar ist. Vorzugsweise werden erfindungsgemäß
einfach das
Pluszeichen (+) und das Minuszeichen (-) als Richtungssymbole verwendet, so daß
von der Anzeigevorrichtung jeweils der Betrag und das Vorzeichen der Information
anaezeigt werden, wobei das Vorzeichen nach einem Drehrichtungswechsel blinkt, um
die Bedienungsperson auf die Gefahr hinzuweisen, daß aufgrund der Drehrichtungsänderung
ein Spindelspiel oder dergleichen Einfluß auf das Meßergebnis haben kann.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend
anhand von Zeichnungen noch näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines
Absolutwert-Winkelcodierers mit drei Getriebestufen, wobei die Codescheiben der
einzelnen Stufen besonders deutlich dargestellt sind, und Fig. 2 eine schematische
Darstellung eines Winkelcodierers gemäß Fig. 1 mit den wesentlichen Elementen der
zugehörigen Auswerteeinrichtungen.
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Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen dreistufigen Getriebezug mit einer
Eingangsstufe 10, einer Zwischenstufe 12 und einer Ausgangsstufe 14. Auf der Welle
16 der Eingangsstufe 10 sitzt eine erste Codescheibe 18 mit insgesamt sechs Spuren
a bis e, die in üblicher Weise der Drehwinkelcodierung dienen, die vorzugsweise
im Gray-Code erfolgt, welcher den Vorteil hat, daß sich zwei aufeinanderfolgende
Schritte
bzw. Werte jeweils nur in einer einzigen Bitstelle unterscheiden.
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Die Welle 16 der Eingangsstufe 10, welche eingangsseitig beispielsweise
mit einer Antriebsspindel einer Werkzeugmaschine gekoppelt ist, ist über ein erstes
Untersetzungsgetriebe 20, welches mit einer Drehzahluntersetzung von 16:1 arbeitet,
mit der Welle 22 der Zwischenstufe 12 verbunden, au der eine zweite Codescheibe
24 sitzt.
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Erfindungsgemäß ist auf der zweiten Codescheibe 24 zusätzlich zu den
der Winkelcodierung beispielsweise im Gray-Code dienenden Code-Spuren a bis e ganz
innen, d.h.
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unmittelbar angrenzend an die Welle 22, die weitere Spur f vorgesehen,
welche beim Ausführungsbeispiel in sechzehn abwechselnd helle und dunkle Bereiche
unterteilt ist.
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Die Welle 22 der Zwischenstufe ist über ein zweites Untersetzungsgetriebe
26, welches ebenfalls mit einem Untersetzungsverhältnis von 16:1 arbeitet, mit der
Welle 28 der Ausgangsstufe 14 gekoppelt. Auf der Welle 28 sitzt eine dritte Codescheibe
30, die identisch zu der zweiten Codescheibe 24 ausgebildet ist und ebenfalls sechs
Spuren aufweist, die in der Zeichnung nicht näher bezeichnet sind.
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Jeder der Codescheiben 18, 24, 30 ist jeweils eine einzige Reihe von
elektro-optischen Abtastern 32 zugeordnet, die schematisch als kleine Ringe angedeutet
sind, wobei den Codescheiben 24 und 30 jeweils entsprechend den sechs abzutastenden
Spuren sechs Abtaster 32 zugeordnet
sind, während der ersten Codescheibe
18 eine einzige Reihe mit fünf Abtastern 32 zugeordnet ist, wobei hinsichtlich der
Darstellung der drei Codescheiben 18, 24, 30 noch anzumerken ist, daß das Codemuster
der Einfachheit halber jeweils nur auf einer Scheibenhälfte eingezeichnet ist.
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Der Absolut-Winkelcodierer gemäß Fig. 1 arbeitet wie folgt: Von den
einzelnen Gruppen bzw. Reihen von elektro-optischen Abtastern werden hinsichtlich
der fünf äußeren Code-Spuren in üblicher Weise codierte bitparallele, digitale Ausgangssignale
erzeugt. Dabei fällt jedoch die Entscheidung über das letzte Bit des.Ausgangssignals,
d.h. über das Bit mit der geringsten Wertigkeit, in der Zwischenstufe 12 und in
der Ausgangsstufe 14 jeweils in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des sechsten
elektro-optischen Abtasters 32, welcher der weiteren bzw. der innersten Spur auf
den Codescheiben 24, 30 der Zwischenstufe 12 bzw. der Ausgangsstufe 14 zugeordnet
ist.
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Die erfindungsgemäße Art der Signalerzeugung für die Zwischenstufe
12 und die Ausgangsstufe 14 basiert auf der Erkenntnis, daß bei geeigneter Bemessung
der Bogenlänge der Bereiche der weiteren Spur im Hinblick auf das größte zu erwartende
Spiel bzw. die Genauigkeit der Justierung der Codescheiben 24, 30 das letzte Bit
der Ausgangssignale der Zwischenstufe 12 und der Ausgangsstufe 14 nur dann geändert
werden darf, wenn die Zwischenstufe 12 oder die Ausgangsstufe 14 in einem definierten
Bereich ihrer innersten Spur der Code scheibe steht und die vorausgehende Eingangsstufe
10 oder Zwischenstufe 12 eine Umdrehung ausgeführt hat.
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Mit anderen Worten wird also eine aufgrund des Getriebespiels und/oder
der Codescheibenjustierung verfrüht eingetretene Änderung der Ausgangssignale der
Abtaster 32 für die fünf äußeren Spuren der Codescheiben 24 und 30 nur dann als
gültig anerkannt, wenn die Änderung des letzten Bits der Codekombination durch einen
entsprechenden Nulldurchgang des Ausgangssignals derCodescheibe 18 bzw. 24 der unmittelbar
vorausgehenden Stufe 10 bzw. 12 "bestätigt" wird, wobei untereinem "Nulldurchgang"
ein Durchlaufen der 00/3600-Position in der einen oder anderen Richtung zu verstehen
ist. Diese Art der Signalauswertung bringt die eingangs diskutierten Vorteile hinsichtlich
der Anzahl der erforderlichen elektro-optischen Abtaster 32 mit sich, wobei diese
Anzahl bei der erfindungsgemäßen Lösung deutlich geringer ist als bei den vorbekannten
Absolutwert-Winkelcodierern mit V- bzw. U-Abtastung.
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Wie Fig. 2 der Zeichnung zeigt, sind die Sender und Empfänger jeder
Reihe von Abtastern für jede der Codescheiben 10, 12, 14 jeweils zu einem Block
32a bzw. 32b zusammengefaßt, wobei in Fig. 2 zur Erhöhung der Obersichtlichkeit
in der zweiten und -dritten Stufe pro Reihe jeweils nur vier Abtaster angedeutet
sind und für die Eingangsstufe nur drei Abtaster. Die Ausgangssignale der Empfänger
32b werden gemäß Fig. 2 über jeweils einen Verstärker 34 an einen Codewandler 36
angelegt, wo die Umsetzung der Daten vom Gray-Code in den Dual-Code erfolgt. Diese
Daten werden dann einem Mikroprozessor 38 zugeführt, welcher entsprechende Ausgangssignale
an eine Digitalanzeige 40 liefert. Erfindungsgemäß wird auf dieser Digitalanzeige
40 außer dem Betrag, der dem Drehwinkel bzw. einem ausgehend von einer Bezugsposition
zurückgelegten Weg eines beispielsweise über eine Spindel angetriebenen
Werkzeugs
entspricht, auch die Drehrichtung angezeigt, mit der der betreffende Wert erreicht
wurde, wobei als Richtungssymbole das Pluszeichen (+) bzw. das Minuszeichen (-)
verwendet werden, die beispielsweise einem Recht- bzw. Linkslauf eines Antriebsmotors
zugeordnet sein können. Durch diese zusätzliche Anzeige des Richtungssymbols bzw.
der Drehrichtung wird es der Bedienungsperson erleichtert, Bedienungsfehler aufgrund
eines unzulässigen Drehrichtungswechsels zu erkennen.
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Dies gilt insbesondere dann, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung
dafür gesorgt wird, daß bei einer Änderung der Drehrichtung zwischen dem zuletzt
angezeigten Wert und dem neu angezeigten Wert ein Blinken oder eine sonstige auffällige
Markierung des Richtungssymbols herbeigeführt wird.
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Schließlich ist in Fig. 2 noch ein Block 42 mit sechs Tastcodierschaltern
gezeigt, der mit dem Mikroproprozessor 38 verbunden ist. ber die Tastcodierschalter
des Blockes 42 können in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung Korrekturwerte
für bestimmte Werkzeuge bzw. Spindelsteigungen sowie verschiedene Parameter bzw.
Faktoren eingegeben werden, die dann bei der Erzeugung der Signale für die Digitalanzeige
40 durch den Mikroprozessor 38 gleich mitberücksichtigt werden können, so daß unmittelbar
die Anzeige des korrigierten Wertes erfolgt, wobei durch die eingegebenen Parameter
beispielsweise eine Anzeige der Weginformation in Zoll oder in mm ausgewählt werden
kann. Ein besonderer Vorteil des Codewandlers 36 des Ausführungsbeispiels gemäß
Fig. 2 besteht darin, daß die sechs Spuren der zweiten Code scheibe 24 und der dritten
Codescheibe
30 jeweils gemeinsam der Erzeugung von Codekombiationen eines sechsstelligen Gray-Codes
dienen können - hiermit entfällt also die Unterscheidung zwischen den Codespuren
und der weiteren Spur - und daß aus diesen Codekc-binationen dann nur Umsetzung
mit Hilfe des Codewandles 36 Dual-Codekombinationen erzeugt werden, bei denen das
letzte Bit bzw. das Bit mit der geringsten Wertigkeit Auskunft darüber gibt, ob
auf der weiteren Spur ein weller oder ein dunkler Bereich erfaßt wird, während die
restlichen fünf Bit den abgetasteten Winkelwert im Dual-Code angeben. Je nachdem,
ob das letzte Bit eine "ull" oder eine "Eins" ist, wird dann in Abhängigkeit von
der Stellung der der betreffenden Codescheibe vorangehenden Codescheibe bezüglich
des Null-Durchgangs darüber en=schieden, ob eine Korrektur des abgetasteten Wertes
wm den Wert "Eins" erforderlich ist oder nicht.
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Im Einzelfall wird dann, wenn der Sprung des Ausgangssignals aufgrund
der Justierung zu-früh erfolgt, dieser Sprung bei der Auswertung so lange unterdrückt,
bis tatsächlich ein Nulldurchgang der vorausgehenden Scheibe erfolgt ist. Bei nacheilender
Justierung wird dagegen der abgetastete Wert für die nachfolgende Codescheibe beim
Nulldurchgang der vorausgehenden Codescheibe um Eins erhöht, und zwar so lange,
bis auch die nachfolgende Codescheibe wieder die richtige Position erreicht hat.
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Da sich die Frage, ob bei einer vorangehenden Codescheibe gerade ein
Nulldurchgang stattgefunden hat oder gerade bevorsteht, allein aufgrund der Ausgangssignale
der Abtaster entscheiden läßt, werden bei dem erfindungsgemäßen
Winkelcodierer
auf die beschriebene Weise stets eindeutige Meßergebnisse erhalten, ohne daß die
elektrische Speicherung irgendwelcher Daten erforderlich wäre, die bei einem Stromausfall
verloren gehen könnten.