DE3342403A1

DE3342403A1 - Sensoranordnung zum erfassen der lage von gegenstaenden, insbesondere der drehlage von um eine achse drehbaren teilen

Info

Publication number: DE3342403A1
Application number: DE19833342403
Authority: DE
Inventors: Rudolf 7317 Wendlingen Beck; Norbert Ing.(grad.) 7320 Göppingen Bissinger; Werner Dr.-Ing. 7411 Holzelfingen Eissler
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1983-11-24
Filing date: 1983-11-24
Publication date: 1985-07-18
Also published as: DE3342403C2

Description

Sensoranordnung zum Erfassen der Lage von Gegenständen,
insbesondere der Drehlage von um eine Achse drehbaren Teilen Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Erfassen der Lage und / oder der Abmessungen von Gegenständen bzw. deren Kanten, insbesondere zum Erfassen der Dreh- oder Winkellage von um eine Achse drehbaren Teile.
Zur Lageerfassung, insbesondere zum Erfassen von Drehlagen, werden bisher fernsehtechnisch arbeitende Sensoranordnungen eingesetzt. Diese Anordnungen sind aufgrund des angewendeten Erfassungsprinzips verhältnismäßig aufwendig und zudem wegen ihrer Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Beeinflussung sowie Unqebuflgslichtstöranfällig Bedingt durch die große Anzahl zu verarbeitender Informationen - es werden mehr Informationen als zur Lageerfassung erforderlich geliefert -sind derartige Sensoranordnungen außerdem verhältnismäßig langsam (in der Praxis werden in der Regel etwa 5 bis 15 sec.
für die Lageerfassung benötigt).
In der DE-OS 31 05 788 (offengelegt am 17.12.1981) ist eine Positionsanzeigevorrichtung zum Feststellen und Anzeigen ^-*reF eiltfernt befindlichen um eine achse bewegharen 91ementes, z. B. der Klappe des Ventils im Kühlmittelkreislauf innerhalb des Druckbehälters eines Kernreaktors beschrieben.
Diese bekannte Vorrichtung umfaßt im wesentlichen eine Lichtquelle, deren Licht über <3n<' eine aus optischen Fasern bestehen(1e erste Ubertragungseinrichtung zu der Achse des bewegbaren Elementes übertragen, dort durch eine Reflektoreinrichtung in Abhängigkeit von der Drehlage des Elementes auf eine zweite Ubertragungseinrichtung reflektiert und von dieser zu einem Anzeigeort übertragen wird. Das reflektierte Licht gelangt dabei, je nach der gerade eingenommenen Position des drehbaren Elementes, in eine von mehreren optischen Fasern der 2. Ubertragungseinrichtung. Am Anzeigeort wird dann die jeweilige Drehlage des jeweiligen Elementes, z. B. der Ventilklappe an dem Ende der entsprechenden Faser der zweiten Ubertragungseinrichtung sichtbar. Die zweite Ubertragsungseinrichtung kann anstatt aus einem Bündel optischer Fasern auch aus einem Bündel elektrischer Leitungen bestehen, die gegenüber der Reflektoreinrichtung in Fotodioden und am Anzeigeort in lichtemittierenden Dioden enden.
Da bei dieser bekannten Anzeigevorrichtung jede Position für sich zu dem Anzeigeort übertragen wird, hängt die Genauigkeit der Anzeige von der Anzahl der für die Übertragung zur Verfügung stehenden optischen Fasern bzw. elektrischen Leitungen sowie Fotodioden und lichtemittierenden Dioden ab und ist daher begrenzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde., eine Lageerfassung trotz verhältnismäßig geringem Aufwand mit hoher Genauigkeit und geringer Störanfälligkeit zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen -lö=-t. Weitere asJestaltungen dieser knorAnll"gen sind in den Ansprüchen 2 bis 13 angegeben.
Gegenüber fernsehtechnisch arbeitenden Sensoranordnungen, wie sie zur Drehlagenerkennung von rotationsfähigen Montageteilen, (z. B. Kupplungsflanschen) eingesetzt sind, erfordert die Sensoranordnung gemäß der Erfindung einen geringeren Aufwand und ist zudem weniger störanfällig, vor allem dann, wenn die Signal- und Hilfsübertragung zu bzw. von den beweglichen Teilen der Anordnung berührungslos erfolgt. Ferner ist die erzielbare Genauigkeit wesentlich höher als bei der Positionsanzeigevorrichtung nach der vorgenannten DE-OS 31 05 788, deren Auflösung infolge ihrer Abhangigkeit von der Anzahl der Ubertragungswege in dem Bündel begrenzt ist.
Besonders vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten der Sensoranordnung gemäß der Erfindung sind in den Ansprüchen 10 bis 13 angegeben. Bei der Verwendung als Prüf- und Justiergerät bei der Fertigung von Zeigerinstrumenten kann der Prüf- und Justier vorgang dadurch automatisiert werden. Für die Fernablesung vor Zeigerinstrumenten kann die Anordnung als auf das Instrument aufsteckbare Haube ausgebildet werden, so daß keine Eingriffe am Zeigerinstrument erforderlich sind. Dadurch ist eine portable Erfassungs- und Registriereinheit für Zeiger instrumente aller Art realisierbar.
Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels für die Erfassung von Drehlagen näher erläutert.
In Fig. 1 treibt ein Motor 1 über ein Untersetzungsgetriebe und eine Welle 3 ein Winkelmeßsystem in Form eines PotentiotnrS 2 an. Die Welle 3 trägt einen Ausleger 4, an welchem ein Sensor 5 befestigt ist, der beispielsweise optoelektronisch arbeitet. Wenn der Sensor 5 eine kreisförmige Suchbewegung über einem Gegenstand 7 ausführt, so kann er ein Loch 6 in dem Gegenstand 7 detektieren, vergl. auch Fig. 2.
Dabei muß das Loch 6 im Tiefenschärfebereich 8 des Sensors 5 liegen.
Der Winkel oc zwischen dem zu erfassenden Loch 6 und einer gegebenen oder gedachten Linie 10 (Fig. 2) wird mittels der Sensoranordnung wie folgt gemessen: Bevor der Sensor 5 seine Drehbewegung ausführt, wird seine Winkelposition als elektrische Spannung am Meßpotentiometer 2 abgenommen und von der Auswerteschaltung 11 (Fig. 1) übernommen. Wird der Getriebemotor 1 gestartet, so führt der Sensor 5 eine Suchbewegung aus. überführt er das Loch 6, so wird vun ihm die Anfangskante 61 und die Endkante 62 des Loches erfaßt (Fig. 2). Diese Kantenerfassung durch den Sensor 5 bewirkt, daß dabei durch die Auswerteschaltung 11 die jeweiligen Spannungen am Potentiometer 2 als Maß für die Winkel, an denen die Punkte 61 und 62 liegen, übernommen werden. Durch analog oder digital ausgeführte Rechenoperationen kann dann der Winkel, der von dem Loch und der Startposition des Sensors eingeschlossen wira, bestimmt werden. Die ermittelten Winkelwerte beziehen sich jedoch alle auf die Kreisbahn, deren Mittelpunkt auf der Achse 9 (Fig. 1) liegt. Weiterhin läßt sich die Suchbewegung anhalten, wenn bestimmte Winkelwerte an das Steuergerät 12 des Getriebemotors 1 geliefert werden. Mit dem Netzgerät 13 werden die Steuereinheit 12 des Getriebemotors 1, das Meßpotentiometer 2, der Sensor 5 und die Auswerteschaltung 11 mit Strom versorgt.
Der Sensor 5 kann optisch, optoelektronisch, induktiv, kapazitiv, magnetisch oder fluidisch arbeiten. Arbeitet er optisch als Reflexionstaster, so kann die !.ichtenergie über eine Lichtleiterdrehkupplung ein- und ausgekuppelt werden. Bei optoelektronisch, induktiv, kapazitiv oder magnetisch arbeitenden Sensoren läßt sich die elektrische Energie über Leitungen oder Schleifringe oder über ein elektromagnetisches Wechselfeld übertragen. Das Ausgangssignal des Sensors läßt sich ebenfalls über Leitungen oder Schleifringe oder elektromagnetisch oder optisch auskoppeln. Berührungslose Energie und / oder Signalübertragung empfiehlt sich bei Dauerbetrieb.
Das Meßpotentiometer kann durch beliebig andere Geber (optischoptoelektronisch, induktiv, kapazitiv, magnetisch berührungslose arbeitende) ersetzt werden. Weiterhin läßt sich das Getriebepotentiometer durch magnetisch und / oder induktiv arbeitende Drehmechanismen ersetzen oder das Meßpotentiometer 2 und der Getriebemotor 1 lassen sich durch eine elektrische Welle ersetzen.
Selbstversändlich kann anstelle eines Loches 6 auch ein Zeiger oder eine Kante (Vertiefung oder Erhöhung) erfaßt werden.
Bei der Auswerteschaltung 11 ist folgende Arbeitsweise realisierbar: Führt er Sensor 5 seine Suchbewegung aus und läuft er über eine zu erfassende Kante hinweg, so wird - ausgelöst durch die erfaßte Kante - die Spannung, die am sich mitbewegenden Schleifer des Potentiometers 2 abgegriffen wird, in einer Sample- und Hold-Schaltung gespeichert. In einer weiteren Sample- und Hold-Schaltung wird die Spannung abgelegt, die .v~^n-eni des Überfahrens einer íul7< en Kante am Potentio meter abgegriffen wird. Der übergang vom Sample - zum Hold- Betrieb und das Umschalten der Sample- und Hold-Verstärker wird durch die Kantendetektion ausgelöst. Auf analogem Wege läßt sich nun der Mittelwert aus beiden Hold-Spannungen und damit die Lage der Mittelachse eines Loches oder eines Zeigers oder zweier Kanten in Winkelgraden bestimmen.
Wird anstelle eines analog arbeitenden Drehgebers - wie es das Potentiometer 2 darstellt - ein inkremental oder absolut digital arbeitender Drehgeber eingesetzt, beispielsweise ein berührungslos optisch oder induktiv oder magnetisch arbeitendes Winkelmeßsystem, so kann die weitere Signalverarbeitung digital erfolgen. Die Sample- und Hold-Verstärker werden durch einen Impulszähler bzw. ein elektronisches Schaltwerk (Addierer, Subtrahierer) ersetzt. Soll wieder die Mittellage eines Loches oder einer Kante erfaßt werden, so ist dies relativ einfach möglich, wenn gemäß Fig. 3 zwei zeitlich versetzte, sich jedoch nicht überlappende Impulsgruppen 14 und 15 über eine Oder-Schaltung 16 an einem Impulszähler 17 wirksam werden. Die erste Impulsgruppe 14 wird über eine Torschaltung 18 beim überfahren der ersten zu erfassenden Kante vom Zähler ferngehalten, die zweite - in der Grupppe verschachtelte - Impulsgruppe 15 wird über die Torschaltung 19 beim Uberfahren der zweiten Kante vom Zähler ferngehalten.
Weiterhin müssen beim Starten der Suchbewegung aus einer Referenzlage heraus (beispielsweise Zählerstand 0) beide Impulsgruppen 14 und 15 gleichzeitig gestartet werden.
Der dann angezeigte Zählerstand entspricht dem Mittelwert der winkellage der beiden Kanten. Mit dieser Anordnung kann gegenüber Sample- und Hold-Schaltungen eine größere Langzeitstabilität erreicht werden. Die Torsignale für die Tore 18 und 19 (als Und-Schaltung realisiert) werden wie in der Anordnung nach Fig. 1 in einer Auswerteschaltung 11 erzeugt.

Claims

Sensoranordnung zum Erfassen der Lage von Gegenständen, insbesondere der Drehlage von um eine Achse drehbaren Teilen PATENTANSPRti HE 1. Sensoranordnung zum Erfassen der Lage und / oder der Abmessungen von Gegenständen bzw. von deren Kanten, insbe-SOiidcLe zum Erfassen der Dreh- der Winkellage von um eine Achse drehbaren Teilen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mit einer Positioniereinheit (1,2,3,4) ein Sensor (s) starr verbunden ist, mit welchem zum Erfassen der Lage einer Kante eines Gegenstandes eine lineare, zum Erfassen einer Drehlage eine kreisförmige Suchbewegung über dem zu vermessenden Gegenstand (7) ausführbar ist und durch welchen beim Uberfahren einer Kante oder Markierung eines Gegenstandes (7) ein Signal an eine Auswerteinheit (11) abgegeben wird, die außerdem zur Ermittlung der Größe der linearen Abmessung bzw. des Winkels beim Start der Positioniereinheit ein Bezugssignal erhält.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gakennzechnet daß der als Kantendetektor ausgebildete Sensor ein optischer Reflexionstaster ist.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflexionstaster für das Zuführen der Lichtenergie und das Rückübertragen des beim Uberfahren einer Kante abgegebenen Signals optisch über die Luft oder über einen flexiblen Lichtleiter an die Lichtquelle bzw. die Auswerteeinheit angekoppelt ist.
4. Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflexionstaster zum Erfassen einer Drehlage für das Zuführen der Lichtenergie und das Rückübettragen des beim Uberfahren einer Kante abgegebenen Signals über einen Lichtleiter mit Lichtleiterdrehkupplung an die Lichtquelle bzw. die Auswerteeinheit angekoppelt ist.
5. Sensoranordnung nach Anspruch 1! dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein induktiv, kapazitiv, magnetisch oder fluidisch arbeitendes Sensorelement ist.
6. Sensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor für das Zuführen der Energie und das Ubertragen des Signals an die Auswerteeinheit über flexible Leitungen, Schleifkontakte oder ein elektromagnetisches Wechselfeld an die Energiequelle bzw. die pr?cwqrteeinkoit engekoppelt ist.
7. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniereinheit einen Elektromotor (1) mit Getriebe und Steuereinheit (12) enthält.
8. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniereinheit als induktiv oder magnetisch arbeitendes Positioniersystem ausgebildet ist.
9, Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der analog oder digital arbeitenden Auswerteeinheit die zu ermittelnde Meßgröße allein durch Verarbciten und Messen elektrischer Spannungen oder Ströme bzw.

Zählen von Impulsen erhalten wird.
10. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch ihre Anwendung bei der Prüfung und Justierung von Zeigerinstrumenten.
11. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch ihre Anordnung für die Fernablesung von Zeigerinstrumenten.
12. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekecnzeichnet, daß nicht nur einmaliges Antasten, sondern ein kontinuierliches Abtasten im Sinne einer Nachlaufsteuerung erreicht wird und die Anordnung als portables, auf das zu überwachende Zeigermeßgerät aufsteckbares Gerät ausgebildet ist.
13. Sensoranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß nicht nur eine Meßwertfernablese möglich ist, sondern zusätzlich eine Registriereinheit im Gerät eingebaut ist.