DE3325318A1 - Inkrementaler winkelkodierer - Google Patents
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Description
TER MEER - MÜLLER ■ STEIhrttfEISTER··
Litton . . .
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen inkrementalen Winkelkodierer,
also einen Meßfühler, der die momentane Winkelstellung einer Achse oder Welle in Form eines elektrischen Digitalsignal abgibt.
Winkelkodierer, die ihre Ausgangssignale in einem Digitalformat ausgeben, gibt es in zwei Versionen. Einmal die sogenannten
absoluten Winkelkodierer, welche die Winkelinformation in einem Digitalkode ausgeben, d. h., der Winkelwert
steht zu jeder Zeit in absoluter Form sofort zur Verfügung, insbesondere auch nach einer Betriebsunterbrechung
oder einem Ausfall der Versorgungsspannung eines Systems, in das der Winkelkodierer eingebaut ist. Von
diesen absoluten sind die inkrementalen Winkelkodierer zu unterscheiden, die lediglich einen Umlauf der Winkelkodiererwel
Ie, also einen Drehwinkel von 360°, in eine definierte Anzahl von Schritten - "Inkrementen" - unterteilen.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit diesen inkrementalen Winkelkodierern. Zur Erkennung der
Drehrichtung wird die Inkrementinformatxon in Form von Rechtecksignalen auf zwei verschiedenen Kanälen, also an
zwei getrennten Anschlüssen, ausgegeben, z. B. einem ersten Kanal A und einem zweiten Kanal B. Eine Information
über die Drehrichtung läßt sich daraus ableiten, daß eine bestimmte Schaltflanke, z. B. eine nach Positiv gehende
Schaltflanke der Rechtecksignale auf beiden Kanälen gegeneinander verglichen wird. Schaltet z. B. der Kanal A vor
dem Kanal B, so dreht die WinkelkodiererwelIe rechts herum. Schaltet dagegen der Kanal B vor dem Kanal A, so
dreht die Welle links herum. Die Ausgangssignale auf beiden Kanälen werden meist in Form von Rechteck-Signalen
ausgegeben. Bei vielen inkrementalen Winkelkodierern
TER MEER · MÜLLER · STEIt^lEfSTER·· · ·- ·· Litton . . .
wird außerdem noch ein sogenanntes Referenzsignal geliefert,
welches einmal pro Umlauf, d. h. nach jeweils 360° Drehwinkel der Welle einmal erscheint.
Ist ein solcher inkrementaler Winkelkodierer in ein System
zum Beispiel als Wegstreckenmeßelement,etwa in einen Industrieroboter, eingesetzt, so müssen die gelieferten
Rechteck-Signale von einer elektronischen Zähleinrichtung gezählt werden, um eine auswertbare Information
beispielsweise über die zurückgelegte Wegstrecke des Werkzeugs am freien Ende des Arms des
Roboters zu erhalten. Im Gegensatz dazu ist bei Verwendung von absoluten Winkelkodierern lediglich ein Kodowandler
erforderlich, da, wie bereits erwähnt, die absolute Winkel information auch bei einer Spannungsunterbrechung
nicht verlorengeht und eine feste Beziehung zwischen Achswinkelstellung und Ausgangssignal besteht.
Nachteilig bei absoluten Kodewandlern ist jedoch der hohe Preis, der mit steigender Auflösung überproportional
höher wird, sowie die mit größerer Auflösung ebenfalls steigende Baugröße. Demgegenüber hat der inkrementale
Winkelkodierer de" Vorteil der geringeren Baugröße, insbesondere auch bei hohen Werten der Winkelauflösung sowie
einen wesentlich geringeren Preis. Ein bisher bedeutender Nachteil, der bereits angesprochen wurde, ist jedoch
der, daß bei Unterbrechung und Wiedereinschalten der Versorgungsspannung keinerlei Information über die
Winkelstellung der Welle vorliegt und diese auch sofort wieder verlorengeht, wenn die Versorgungsspannung nur
kurzzeitig ausfällt. Für diese Fälle muß ein zugeordneter Referenzpunkt festgelegt werden, der bei Einschalten
der Versorgungsspannung zunächst mechanisch angefahren werden muß, um dem System die Festlegung eines Nullpunkts
zu ermöglichen. Dies geschieht meist unter logischer Verknüpfung des pro Umlauf der Winkelkodierorwel-Ie
einmal erscheinenden Referenzsignals mit Signalen von
TER MEER · MÜLLER · STEINfWEISTER" ' " " Litton ...
Näherungsschaltern, Endschaltern und dergleichen, also unter erheblichem Aufwand von Zusatzschaltern, die
eine zusätzliche Verdrahtung, Justierarbeiten bei der Installation des Roboters erfordern, und nicht zuletzt
zusätzliche Fehlerquellen darstellen können.
In den meisten Fällen werden inkrementale Winkelkodierer
zur Messung von Wegstrecken eingesetzt. Dabei entsprechen η Abgabeimpulse oder Schritte des Winkelkodierers z. B.
einer Wegstrecke von X [mm]. Für diese Wegstrecke werden
in der Regel mehrere, häufig sogar sehr viele Umdrehungen der Welle des Winkelkodierers benötigt. Daraus ergibt sich, daß das alle 360°, also einmal pro Umlauf der
Welle, erscheinende Referenzsignal des Winkelkodierers nicht zur Festlegung des System-Nullpunkts alleine herangezogen
werden kann. Es ist vielmehr die Verknüpfung mit den bereits erwähnten Sensorsignalen erforderlich,
um einen reproduzierbaren System-Nullpunkt sicherzustellen.
Insbesondere bei der Herstellung von Industrierobotern ergeben
sich jedoch mit der Erzeugung dieses System-Nullpunkts
Schwierigkeiten, da der erforderliche Sensor beispielsweise im vorderen Werkzeug - also der "Hand" - angebracht
sein muß, d. h., das elektrische Signal muß mittels Kabel eventuell über mehrere Dreh- und Schwenkbewegungen
geführt werden. In vielen Fällen müssen im Bereich von Gelenken zusätzlich Schleifringübertrager
eingesetzt werden.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, einen inkrementalen Winkelkodierer zu schaffen, der sich durch
einen einstellbaren absoluten Null- oder Bezugspunkt auszeichnet, für den also zur reproduzierbaren Einstellung
eines System-Nullpunkts keine" zusätzlichen Schalter mit dem damit verbundenen Aufwand benötigt werden.
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Ein inkrementaler Winkelkodierer erfindungsgemäßer Bau-
TER MEER · MÖLLER · STEINME1STER
Litton
art weist die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale auf.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind
in Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ein inkrementaler Winkelkodierer gemäß der Erfindung
zeichnet sich durch einen am Winkelkodierer selbst einstellbaren absoluten Nullpunkt aus.
Die erfindungsgemäße Lösung macht sich den von der üblichen
Anwendung her vorgegebenen Bedarf zunutze, daß in der Regel ein Anwendungssystem pro Winkelkodierer nur
einen festen, mechanisch zugeordneten Bezugspunkt verlangt, der unmittelbar im Winkelkodierer dadurch erzeugt
wird, daß ein mit der Antriebswelle des Winkelkodierers über ein Untersetzungsgetriebe gekuppeltes mechanisches
Element,insbesondere ein Zahnrad, vorgesehen ist, das für die im jeweiligen Anwendungsfall maximal vorkommenden
Wellenumdrehungen des Winkelkodierers eine Drehung von maximal 360° ausführen kann. Dieses mechanische Element
ist mit eine: ^chaltmarkierung als Nullpunktreferenz
versehen, die von einer gehäusefesten elektrischen Abtasteinrichtung erfaßt wird, um das gewünschte NuIlpunkt-Referenzsignal
zu liefern. Das mit der Abtriebsseite des Untersetzungsgetriebes gekuppelte Element ist
über eine Verdrehsicherung, beispielsweise eine Rutschkupplung, mit dem Untersetzungsgetriebe gekuppelt,
so daß eine innerhalb der vorgegebenen Wegstrecke beliebige Einstellung des Nullpunkts erfolgen kann. Die Nullpunkt-Schaltmarkierung
kann beispielsweise eine das umlaufende Element durchsetzende Bohrung oder eine aufgebrachte
Markierung sein, die durch eine opto-oloktronische
Abtasteinrichtung erfaßt wird, um das Nullpunkt-Referenzsignal
zu gewinnen.
TERMEER-MÜLLER-STEITÜMEfiBTER*· * " ** Litton ...
--—- 332b318
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das umlaufende
lilkiivnt eine Scheibe.1 oder insbesondere ein Zahnrad, das rn.it der
Abtriebsseite des Untersetzungsgetriebes nicht starr, sondern über eine Rutschkupplung gekuppelt ist, so daß
der Schaltpunkt der Nullmarkierung von außen mittels eines ritzelartig gezahnten Spezialschlüssels durch Verdrehen
des Schalt-Zahnrads eingestellt werden kann.
Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter. Bezug auf die Zeichnung in beispielsweiser
Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen inkrementalen
Winkelkodierers;
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung des in Fig. 1 mit Hinweiszeichen
4 angegebenen Untersetzungsgetriebes; und
20
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Fig. 3 in einer Prinzipdarstellung die zeitliche Zuordnung von Signalverläufen an den Ausgangsklemmen
eines erfindungsgemäßen inkrementalen Winkelkodierers.
25
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Bei der in Fig. 1 veranschaulichten Prinzipdarstellung
eines inkrementalen Winkelkodierers mit erfindungsgemäßen Merkmalen ist mit 1 die Welle des Winkelkodierers,
mit 2 eine entlang ihres Außenumfangs mit Chrom-Inkrenicnten
versehene und mit der Welle 1 umlaufende Glasscheibe und mit 3 eine opto-elektronische gehäusefeste Wandlereinheit
bezeichnet, welche die bei drehender Welle 1 durch die Chrom-Inkremente auf der Glasscheibe 2 verursachte
periodische Ein- und Ausschaltung einer Infrarotlichtstrecke mittels einer bekannten Auswerteelektronik
TER MEER - MÖLLER ■ STEINR/IEISTER'" * "" Litton
in das oben erläuterte Rechteck-Meßsignal umgesetzt wird. Einmal pro Umdrehung befindet sich auf der Glasscheibe ein
weiteres Chrom-Inkrement, welches über die gleiche Opto-Elektronik
das erwähnte Referenzsignal erzeugt. 5
Ein Untersetzungsgetriebe 4 ist antriebsseitig mit der Welle 1 und abtriebsseitig über eine nicht gezeigte Rutschkupplung
mit einem Zahnrad 5 gekuppelt, das wenigstens eine randseitige Bohrung oder Reflexmarke aufweist, die
durch eine weitere opto-elektronische Abtasteinrichtung 6 erfaßt wird.
Eine Prinzipdarstellung des Untersetzungsgetriebes 4 zeigt die Fig. 2. Das Untersetzungsverhältnis dieses Getriebes
4 kann für die jeweiligen Bedürfnisse gewählt werden; beispielsweise so, daß am Einsatzort (etwa an einem
Roboter) für eine von einem Werkzeug zurückzulegende Wegstrecke nur ein Nullpunkt-Referenzpunkt für beispielsweise
50 Umdrehungen der Welle 1 erzeugt wird. Um diesen Nullpunkt-Referenzpunkt einstellen zu können, wird das
Zahnrad 5 durch einen ritzelartig gezahnten Spezialschlüssel 7, der in eint zu diesem Zweck vorhandene Außenverzahnung
8 am Zahnrad 5 eingreift, so lange verdreht, bis das Nullpunkt-Referenzsignal an der gewünschten Nullstellung
des Roboterwerkzeugs erscheint.
Der mittlere Teil (b) der Fig. 2 zeigt das Untersetzungsgetriebe
4 in einer Prinzip-Schnittdarstellung, während der linke Teil (a) die-Ansicht von der Antriebsseite und
der rechte Teil (c) die Ansicht des Untersetzungsgetriebes 4 von der Abtriebsseite wiedergibt. Die Welle 1 bildet
mit einem endseitig angebrachten Ritzel R, den Getriebeeingang. Dieses Ritzel R, greift in ein Trabantenrad
R„ ein, das seinerseits mit zw<>i i nnonverznhnton Rädem
kämmt, nämlich mit einem fest.stehendon Zahnrad H.
TER MEER -MÖLLER ■ STEIiWeiSTEF?* " " Litton . . .
und einem in AxiaJ richtung unmittelbar anschließenden
'Zahnrad U., welches die Abtriebsseite des Untersetzungsgetriebes
4 bildet. Das abtriebsseitige lose, innenverzahnte Zahnrad R. ist über eine durch eine Schraube 10
gesicherte Friktionsscheibe 9 mit dem Zahnrad 5 gekuppelt, das die erwähnte randseitige Bohrung oder Reflexmarke
aufweist, die durch Bezugszeichen 11 angedeutet ist. Unter der Klemmwirkung der Friktionsscheibe 9 wird das
Zahnrad 5 gegen das abtriebsseitige Zahnrad R. gepreßt.
Aufgrund der Außenverzahnung 8 jedoch läßt sich das Zahnrad 5 von außen mittels des ritzelartig gezahnten Spezialschlüssels
7 in der erwähnten Weise verdrehen. Aus Gründen der Gewichtsersparnis und zur Verringerung der Reibfläche
kann das Trabanten-Zahnrad R„ wie strichpunktiert angedeutet,
hinterdreht sein.
Bei einem praktisch erprobten Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde ein Zahnmodul von 0,3 gewählt und bei einer
gewählten Zähnezahl von Zn, = 42, ZDO = 42, Zn- = 126 und
Kl i\£. Kj
Z . = 129 ergab sich mittels der Formel
0 =iX ZR4 X (ZR1+ZR2)
3 x ZR1
ein Untersetzungsverhältnis U = 172.
Im gewählten Beispiel beträgt die Differenz der Zähnezahlen zwischen dem Zahnrad R3 und dem Zahnrad R. drei Zähne.
In diesem Fall können drei Trabantenzahnrader R2 verwendet
werden, die jeweils genau um 120° versetzt angeordnet sind, so daß sich eine bessere Zentrierung ergibt. Für
die prinzipielle Funktionsweise des Getriebes ergibt sich
dadurch jedoch kein Unterschied. Beträgt die Differenz der Zähnezahlen der innenverzahnten Zahnräder R, bzw. R.
zwei Zähne, so können zwei Trabantenzahnräder R2 vorgesehen
werden, während bei einer Zahndifferenz von einem Zahn lediglich nur ein Trabantenzahnrad R2 verwendet, wer-
TER MEER · MÜLLER · STEWM'e^TER- - * : " '* Litton
den kann.
Die aufgeführten Beispiele zeigen, daß die Untersetzung U des Untersetzungsgetriebes 4 durch entsprechende Auswahl
der Zähnezahl am Ritzel R,,am Trabantenzahnrad R„ bzw.
beim feststehenden Zahnrad R3 und losen Zahnrad R. in einem
weiten Bereich variiert werden kann.
Die Fig.3 zeigt in zeitlicher Zuordnung zwei Beispiele
für die Rechteck-Meßsignale am Ausgang der Auswerteelektronik, und zwar einmal für Rechtsdrehung (Fig. 3(a))
und zum anderen Mal für Linksdrehung (Fig. 3(b)) der Welle 1. Die Unterscheidung zwischen Rechts- und Linksdrehung
läßt sich durch die unterschiedlichen Kanäle A und B treffen. Erscheint eine bestimmte Signalflanke, z. B. eine Abfallflanke
auf dem Kanal A früher als auf dem Kanal B, so liegt Rechtsdrehung vor. Das Referenzsignal erscheint mit
Bezug auf den Kanal A nach jeweils einer Umdrehung der Welle 1. Bei einer Umdrehung der Welle 1 erscheinen beispielsweise
1000 Rechteckimpulse als 1000 Inkremente. Der in der untersten Zeile der beiden Signaldiagramme angegebene
absolute NuIIt n^t kann, muß jedoch nicht, auf ein Umlauf-Referenzsignal
angepaßt sein; es kann auch eine geringfügige zeitliche Versetzung vorgesehen sein. Bei dem
dargestellten Beispiel erscheint ein den absoluten Nullpunkt angebendes Rechtecksignal jeweils nach beispielsweise
50 Umdrehungen der Welle 1. Durch einen Pfeil P ist die "räumliche" Verschiebbarkeit des absoluten Nullpunkts
angedeutet, die, wie oben beschrieben, einmal durch entsprechende Auswahl der Zahnräder des Untersetzungsgetriebes
4 hinsichtlich der Anzahl der Umläufe der Welle 1 pro Rechteckimpuls des absoluten Nullpunkts und zum anderen,bezogen
auf das Umlauf-Referenzsignal (dritte Zeile der Diagramme in Fig. 3), mittels dos spozialschlüsselR 7 verschoben
werden kann.
Claims (6)
- 3325318 TER MEER-MULLER-STEINMEISTERPATENTANWÄLTE — EUROPEAN PATENT ATTORNEYSDlpl.-Chem. Dr. N. tor Meer Dipl.-Ing. H, Steinmeistor T iil'"t a>'· ' A"' u Artur-Ladobock-Strasse 51D-OOOO MÖNCHEN ί?ίί D-4Q00 BIELEFELD 1Mü/cb 13. Juli 1983LITTON PRECISION PRODUCTS INTERNATIONAL GMBH Oberföhringer Straße 8, 8000 München 80Inkrementaler WinkelkodiererPatentansprüche( 1.) Inkrementaler Winkelkodierer,* ygekennzeichnet durch eine Einrich-• tung zur wahlfreien Einstellung eines absoluten Nullpunkts, zu der ein mit der Welle (1) des Winkelkodierers gekuppeltes, jedoch relativ zu dieser Welle verdrehbares Element mit einer NuIlpunkt-Markierung sowie eine genausefeste elektrische Abtasteinrichtung (6) gehören, welche die Nullpunkt-MarJcierung als absolute Nullpunkt-Markierung erfaßt und in ein elektrisches Schalt- oder Referenzsignal umsetzt.
- 2. Winkelkodierer nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß - das Element mit Nullpunkt-Markierung eine Rundscheibe ist, die mit der Abtriebsseite eines Untersetzungsge-TER MEER -MÜLLER ■ STEINMEISTER * ' " ** Littontriebes (4) gekuppelt ist, dessen Antriebsseite formschlüssig mit der Welle (1) des Wihkelkodierers gekuppelt ist, und- die Nullpunkt-Markierung eine die Rundscheibe durchsetzende Bohrung oder aufgebrachte Lichtreflexmarke ist, deren Position durch eine opto-elektronische Abtastvorrichtung (6) erfaßbar ist.
- 3. Winkelkodierer nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, daß das relativ zur Welle verdrehbare Element mit einer Rutschkupplung versehen ist.
- 4. Winkelkodierer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rundscheibe (5) über eine Rutschkupplung mit dem Untersetzungsgetriebe (4) verbunden ist.
- 5. Winkelkodierer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rundscheibe (5)ein Zahnrad ist, das zur absoluten Nullpunkt-Einstellung über einen an sei ■ Verzahnung angepaßten Zahnschlüssel (7) relativ zur Welle (1) des Winkelkodierers verdrehbar ist.
25 - 6. Winkelkodierer nach Anspruch 2, "dadurch gekennzeichnet , daß das Untersetzungsgetriebe (4) in Flachbauweise ausgeführt ist und eine mit der Welle (1) des Winkelkodierers gekuppelte Uitzol-Eingangswelle sowie je nach gewählter Untersetzung ein bis drei freilaufende Zahnräder aufweist, (das) die in die Ritzel-Eingangswelle und in zwei innenverzahnte Zahnräder gleichzeitig (eingreift) eingreifen, wovon eines die Getriebeabtriebsseite (5) bildet-
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