DE3325318C2

DE3325318C2 - Inkrementaler Winkelkodierer

Info

Publication number: DE3325318C2
Application number: DE3325318A
Authority: DE
Inventors: Dieter 8000 München Rammelsberg
Original assignee: Litton Precision Products International GmbH
Current assignee: Litton Precision Products International GmbH
Priority date: 1983-07-13
Filing date: 1983-07-13
Publication date: 1986-11-27
Also published as: DE3325318A1; EP0131900A2; US4599601A; EP0131900A3

Abstract

Der inkrementale Winkelkodierer besitzt eine Einrichtung zur wahlfreien Einstellung eines absoluten Null- oder Referenzpunkts. Diese Zusatzeinrichtung besteht aus einem Untersetzungsgetriebe (4), das antriebsseitig mit der Welle (1) des Winkelkodierers und abtriebsseitig mit einer Scheibe (5) gekuppelt ist, die eine opto-elektronisch abtastbare Bohrung oder Lichtreflexmarke (11) aufweist. Vorzugsweise ist die Scheibe (5) ein Zahnrad, das über eine Rutschkupplung mit dem Untersetzungsgetriebe (4) gekuppelt ist und sich von außen mittels eines mit Ritzel versehenen Zahnschlüssels (7) verstellen läßt, so daß der absolute Nullpunkt exakt eingestellt werden kann. Durch Auswahl der Zahnräder (R1, R2, R3, R4) des Untersetzungsgetriebes (4) kann das Untersetzungsverhältnis in weiten Grenzen variiert und damit auch der absolute Nullpunkt in einem weiten Bereich eingestellt werden.

Description

Beschreibung

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Die Erfindung betrifft einen inkrementalen Winkelkodierer, also einen Meßfühler, der die momentane Winkelstellung einer Achse oder Welle in Form eines elektrischen Digitalsignals 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 Winkelkodiererwelle, 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 Inkrementinformation 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 Winkelkodiererwelle 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 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 Kcdewandler erforderlich, da, wie bereits erwähnt, die absolute Winkelinformation 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 den 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 Winkelkodiererwelle einmal erscheinenden Referenzsignals mit Signalen von Näherungsschaltern, Endschaltern und dergleichen, also unter erheblichem Aufwand von Zusatzschaltern, die eine zusätzliche Verdrahtung, Justierarbeiten bei der Installation des Roboters erfordern, und nicht zuletztzusätzliche Fehlerquellen darstellen können. Ein Beispiel für die Anwendung eines solchen inkrementalen Winkelkodierers bei einer Aufzugssteuerung ist in der US-PS 43 63 026 beschrieben.

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 alkine herangezogen werden kann. Es ist vielmehr die Verknüpfung mit den bereits erwähnten Sensorsignalen erforderlich, um einen reproduzierbaren System-Nullpunkt sicherzustellen. Insbesondere bei der Herstellung voa 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.

Ein inkrementaler Winkelkodierer erfindungsgemäßer Bauart 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 einer Schaltmarkierung als Nullpunktreferenz versehen, die von einer gehäusefesten elektrischen Abtasteinrichtung erfaßt wird, um das gewünschte Nullpunkt-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-elektronische Abtasteinrichtung erfaßt wird, um das Nullpunkt-Referenzsignal zu gewinnen.

Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das umlaufende Element eine Scheibe oder insbesondere ein Zahnrad, das mit der Abtriebsseite des Untersetzungsgetriebe? 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 zeigt

Fig. 1 die Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen inkrementalen Winkelkodierers,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung des in Fig. 1 mit Hinweiszeichen 4 angegebenen Untersetzungsgetriebes und

Fig. 3 in einer Prinzipdarstellung die zeitliche Zuordnung von Signalverläufen an den Ausgangsklemmen eines erfindungsgemäßen inkrementalen Winkelkodierers.

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-Inkrementen 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 in das oben erläuterte Rechteck-Meßsignal umgesetzt wird. Einmal pro Umdrehung befindet sich auf der Glasscheibe ein weiteres Chrom-Inkrement, welches über die gleiche OptoElektronik das erwähnte Referenzsignal erzeugt.

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 eine zu diesem Zweck vorhandene Außenverzahnung 8 am Zahnrad 5 eingreift, so lange verdreht, bis das Nullpunkt-Referenzsignal an der gewünschten Nullstellung des Roboter-Werkzeugs 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 Unterset- zungsgetriebes 4 von der Abtriebsseite wiedergibt. Die Welle 1 bildet mit einem endseitig angebrachten Ritzel R] den Getriebeeingang. Dieses Ritzel Ri greift in ein Trabantenrad R2 ein, das seinerseits mit zwei innenverzahnten Rädern kämmt, nämlich mit einem feststehenden Zahnrad R3 und einem in Axialrichtung unmittelbar anschließenden Zahnrad Ra, welches die Abtriebsseite des Untersetzungsgetriebes 4 bildet. Das abtriebsseitige lose, innenverzahnte Zahnrad Λ» 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 abtriebiseitige Zahnrad Ra 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 R2 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 Zr \ = 42, Zm = 42, Zr ι = 126 und Ζ_Λ4 = 129 ergab sich mittels der Formel

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ein Untersetzungsverhältnis U= 172.

Im gewählten Beispiel beträgt die Differenz der Zähnezahlen zwischen dem Zahnrad A3 und dem Zahnrad Ra drei Zähne. In diesem Fall können drei Trabanten-Zahnräder R2 verwendet werden, die jeweils genau um 120^c 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 R₃ bzw. R₄ zwei Zähne, so können zwei Trabantenzahnräder Ä2 vorgesehen werden, während bei einer Zahndifferenz von einem Zahn lediglich nur ein Trabantenzahnrad R2 verwendet werden kann.

Die aufgeführten Beispiele zeigen, daß die Untersetzung U des Untersetzungsgetriebes 4 durch entsprechende Auswahl der Zähnezahl am Ritzel Äi, am Trabantenzahnrad R2 bzw. beim feststehenden Zahnrad A3 und losen Zahnrad /?4 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 (Flg. 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 Nullpunkt kann, muß jedoch nicht, auf ein Umiauf-Referenzsigna! 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 des Spezialschlüssels 7 verschoben werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

. 1 Patentansprüche

1. Inkrementaler Winkelkodierer, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur wahlfreien Einstellung eines absoluten Nullpunkts, zu der ein mit der WeI-Ie (1) des Winkelkodierers gekuppeltes, jedoch relativ zu.dieser Welle verdrehbares Element mit einer Nullpunkt-Markierung sowie eine gehäusefeste elektrische Abtasteinrichtung (6) gehören, welche die Nullpunkt-Markierung 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 Untersetzungsgetriebes (4) gekuppelt ist, dessec Antriebsseite formschlüssig mit der Welle (1) des Winkelkodierers 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 seine Verzahnung angepaßten Zahnschlüssel (7) relativ zur Welle (1) des Winkelkodierers verdrehbar ist.

6. Winkelkodierer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Untersetzungsgetriebe (4) in Flachbauweise ausgeführt ist und eine mit der Welle (1) des Winkelkodierers gekuppelte Ritzel-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.