DE3342940C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Winkelko­ dierer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Mehrstufige Winkelkodierer dienen zur Messung der Winkellage einer Welle über mehrere Umdrehungen, um z. B. die absolute Position eines Schlittens einer Werkzeugmaschine aus der Winkelposition der An­ triebsspindel zu bestimmen und sind beispielsweise aus der DE-AS 21 26 510 und aus der DE-PS 27 46 854 be­ kannt.

Ein derartiger Winkelkodierer, der einen Winkel n×360° messen soll, enthält eine erste mit der Welle des Winkelkodierers verbundene Codescheibe, die die abso­ lute Feinposition der Welle in z Schritten innerhalb des Winkels 360° eindeutig kennzeichnet, sowie mindestens eine zweite Codescheibe, die mit der Welle des Winkel­ kodierers über ein Untersetzungsgetriebe mit der Un­ tersetzung n verbunden ist und die absolute Grobposi­ tion der Welle innerhalb des Winkels n×360° in einem eindeutigen Code kennzeichnet, so daß insgesamt eine Anzahl von n×z Winkelschritten in codierter Form dargestellt ist.

Bei Winkelkodierern werden zur Winkelkodierung vorzugsweise einschrittige Codes verwendet, bei denen sich benachbarte Binärkombinationen stets nur in einer Binärstelle unterscheiden, um keine undefinierten Zwi­ schenzustände beim Übergang von einer Winkelstel­ lung in die nächste Winkelstellung zu erhalten, da solche einschrittigen Codes den geringsten elektronischen Aufwand erfordern. Bei diesen einschrittigen Codes wird aber die Meßgenauigkeit von den Codeinformati­ onen aller Codespuren auf den beiden Codescheiben bestimmt. Die Untersetzungsgetriebe mehrstufiger Winkelkodierer sind im allgemeinen aber zu ungenau, um die Codeinformation der Grobcodescheibe zur Codeinformation der Feincodescheibe exakt zuzuord­ nen. Aus diesem Grund wird üblicherweise die Codein­ formation jeder Codespur der Grobcodescheibe dop­ pelt (einmal voreilend und einmal nacheilend) abgeta­ stet; mit Hilfe eines Signals, das von der Feincodeschei­ be abgeleitet wird, entscheidet eine Schaltlogik, welche Grobcodeinformation ausgewertet werden soll (Prinzip der Ü-Abtastung). Diese Doppelabtastung ist aber ins­ besondere bei großen Meßlängen und damit bei vielen Codespuren sehr aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem mehrstufigen Winkelkodierer der oben genannten Gat­ tung eine Einfachabtastung der Codeinformation mit hoher Meßgenauigkeit zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß mit einfachen Mitteln eine eindeu­ tige Zuordnung der Grobcodeinformation zur Feincode­ information erzielt wird, so daß eine aufwendige Dop­ pelabtastung und eine Schaltlogik entfallen können und an die Genauigkeit des Untersetzungsgetriebes keine großen Anforderungen gestellt werden müssen. Insge­ samt ergibt sich somit ein einfach aufgebauter und da­ mit preisgünstiger mehrstufiger Winkelkodierer mit ho­ her Meßgenauigkeit.

Vorteilhafte Weiterbildungen entnimmt man den Un­ teransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen zweistufigen Winkelkodierer,

Fig. 2 das Codeschema eines 4-Bit Graycodes,

Fig. 3 und 4 zwei Codescheiben mit zugehöriger Ab­ tastplatte und

Fig. 5 und 6 schematische Darstellungen der Überla­ gerung der Codespuren der Grobcodescheibe und der Steuerspuren der Feincodescheibe.

In Fig. 1 ist ein zweistufiger Winkelcodierer darge­ stellt, dessen Gehäuse G mit einem Maschinenteil einer nicht gezeigten Bearbeitungsmaschine verbunden ist. Im Gehäuse G ist mittels Lager L ₁ eine Welle W gela­ gert, die über eine Kupplung mit einer Antriebsspindel der Bearbeitungsmaschine verbunden ist. Auf der Welle W sind eine Feincodescheibe FS und ein Ritzel R ₁ befe­ stigt, das über ein Zahnrad Z ₂ und ein Ritzel R ₂ eines im Gehäuse G fest angeordneten Untersetzungsgetriebes U ein mit einer Nabe N verbundenes Zahnrad Z ₁ an­ treibt. Die Nabe Nist mittels Lager L ₂ auf der Welle W gelagert und trägt eine Grobcodescheibe GS, die in ge­ ringem Abstand von der Feincodescheibe FS gegenüber dieser mit der halben Winkelgeschwindigkeit infolge der Untersetzung n = 2 des Üntersetzungsgetriebes u drehbar ist.

Zur lichtelektrischen Abtastung der Codeinformati­ onen der Feincodescheibe FS und der Grobcodescheibe GS ist im Gehäuse G eine Abtasteinheit A mit einer Beleuchtungsquelle B, einem Kondensator K, einer Ab­ tastplatte AP und mit Photoelementen P befestigt. Die von den Photoelementen P erzeugten Abtastsignale werden einer Auswerteeinrichtung A Wund über einen Steckverbinder V einer nicht dargestellten digitalen An­ zeigeeinheit zugeführt.

In Fig. 2 ist das Codeschema eines einschrittigen 4-Bit Graycodes mit einer Tabelle der Binärkombinationen gezeigt. Die dunklen (schraffierten) Felder bedeuten den Binärzustand Null und die hellen Felder den Binär­ zustand Eins.

Der einschrittige Übergang von einem Binärzustand in den nächsten Binärzustand erfolgt an den Kanten der Felder.

In Fig. 3 sind zur Realisierung dieses 4-Bit Graycodes nach Fig. 2 bei einem zweistufigen Winkelkodierer mit der Üntersetzung n = 2 die Feincodescheibe FS und die Grobcodescheibe GS dargestellt. Die Feincodeinforma­ tion ist in den Feincodespuren 1, 2 der Feincodescheibe FS und die Grobcodeinformation in den Grobcodespu­ ren 3,4 der Grobcodescheibe GS enthalten.

Zur eindeutigen Zuordnung der Grobcodeinforma­ tion zur Feincodeinformation bei einer Einfachabta­ stung der Grobcodespuren 3, 4 sind erfindungsgemäß auf der Feincodescheibe FS Steuerinformationen in zwei Steuerspuren 3′, 4′ aufgebracht, die den Grobcode­ informationen der Grobcodespuren 3, 4 der Grobco­ descheibe GS direkt überlagert werden. Die Grobcode­ spuren 3, 4 der Grobcodescheibe GS sind jeweils in zwei konzentrische Grobcodehalbspuren 3 a, 3 b, 4 a, 4 b und die Steuerspuren 3′, 4′ der Feincodescheibe FS je­ weils in zwei konzentrische Steuerhalbspuren 3 a′, 3 b′, 4 a′, 4 b′ aufgeteilt. Zur Abtastung der Feincodespuren 1, 2 der Feincodescheibe FS sind auf der Abtastplatte AP der Abtasteinheit A Abtastfelder AT₁, AT₂ vorgesehen. zur gemeinsamen Abtastung der Steuerhalbspuren 3 a′, 3 b′ der Feincodescheibe FS und der Grobcodehalbspu­ ren 3 a, 3 b der Grobcodescheibe GS sind auf der Abtast­ platte AP ein Abtastfeld AT₃ und zur gemeinsamen Ab­ tastung der Steuerhalbspuren 4 a′, 4 b′ der Feincode­ scheibe FS und der Grobcodehalbspuren 4 a, 4 b der Grobcodescheibe GS auf der Abtastplatte AP ein Ab­ tastfeld AT₄ vorhanden; den Abtastfeldern AT₁-AT₄ sind jeweils ein Photoelement P ₁-P₄ in der Abtastein­ heit A zugeordnet (Fig. 1). Bei Drehung der Feincode­ scheibe FS um den Winkel ϕ ₁ dreht sich die Grobcode­ scheibe GS infolge der Üntersetzung n = 2 um den Winkel ϕ ₂ = ϕ ₁/2.

In Fig. 5 sind schematisch die Feincodespuren 1, 2 und die Steuerhalbspuren 3 a′, 3 b′, 4 a′, 4 b′ der Feincodeschei­ be FS sowie die Grobcodehalbspuren 3 a, 3 b, 4 a, 4 b der Grobcodescheibe GS mit den Abtastfeldern AT₁-AT₄ und eine Tabelle der Binärkombinationen dargestellt. Zur besseren Kenntlichmachung der Überlagerung der Steuerhalbspuren 3 a′, 3 b′, 4 a′, 4 b′ mit den jeweiligen Grobcodehalbspuren 3 a, 3 b, 4 a, 4 b sind die Grobcode­ halbspuren 3 a, 3 b, 4 a, 4 b mit einer größeren Breite dar­ gestellt und weisen eine andere Schraffur auf. Der Bi­ närzustand soll Null sein, wenn die vom Abtastfeld AT₃ abgetasteten beiden überlagerten Halbspuren 3 a, 3 a′ und 3 b, 3 b′ dunkle (gestrichelte) Felder ergeben, und soll Eins sein, wenn wenigstens eine der beiden überlagerten Halbspuren 3 a, 3 a′ und 3 b, 3 b′ ein helles Feld ergeben. Diese Binärzustände gelten in gleicher Weise auch für die überlagerten Halbspuren 4 a, 4 a′ und 4 b, 4 b′. Die Abtastung der Spuren 1-4 durch die Abtastfelder AT₁-AT₄ ergeben gemäß der Tabelle die gleichen Bi­ närkombinationen des Graycodes wie in der Tabelle nach Fig. 2. Wie ersichtlich, erfolgt der einschrittige Übergang von einem Binärzustand in den nächsten Bi­ närzustand ausschließlich an den Kanten der hellen und dunklen Felder der Steuerinformationen der Steuer­ halbspuren 3 a′, 3 b′, 4 a′, 4 b′ der Feincodescheibe FS, so daß die Grobcodeinformationen auf den Grobcode­ halbspuren 3 a, 3 b, 4 a, 4 b relativ zu den Steuerinforma­ tionen auf den Steuerhalbspuren 3 a′, 3 b′, 4 a′, 4 b′ um maximal 90° verschoben sein können. Für die Ünterset­ zung n = 2 des Üntersetzungsgetriebes U ist somit ein maximaler Fehler von 90° bezogen auf die Feincode­ scheibe FS bzw. ein maximaler Fehler von 90°/2 bezo­ gen auf die Grobcodescheibe GS zulässig.

In Fig. 4 sind zur Realisierung des 4-Bit Graycodes nach Fig. 2 bei einem zweistufigen Winkelkodierer mit der Untersetzung n = 2 eine Feincodescheibe FS′ und eine Grobcodescheibe GS′ dargestellt. Die Feincodein­ formation ist in den Feincodespuren 1′, 2′ der Feincode­ scheibe FS′ und die Grobcodeinformation in den Grob­ codespuren 3 c, 4 c der Grobcodescheibe GS′ enthalten.

Zur eindeutigen Zuordnung der Grobcodeinforma­ tion zur Feincodeinformation bei einer Einfachabta­ stung der Grobcodespuren 3 c, 4 c sind auf der Feincode­ scheibe FS′ Steuerinformationen in zwei spiralförmigen Steuerspuren 3 c′, 4 c′ aufgebracht, die den Grobcodein­ formationen der ebenfalls spiralförmigen Grobcodespu­ ren 3 c, 4 c der Grobcodescheibe GS′ direkt überlagert werden. Zur Abtastung der Feincodespuren 1′, 2′ der Feincodescheibe FS′ sind auf einer Abtastplatte AP′ einer Abtasteinheit A′ Abtastfelder AT₁′, AT₂′ vorgese­ hen. Zur gemeinsamen Abtastung der Steuerspur 3 c′ der Feincodescheibe FS′ und der Grobcodespur 3 c der Grobcodescheibe GS′ sind auf der Abtastplatte AP′ ein Abtastfeld AT₃′ und zur gemeinsamen Abtastung der Steuerspur 4 c′ der Feincodescheibe FS′ und der Grob­ codespur 4 c der Grobcodescheibe GS′ auf der Abtast­ platte AP′ ein Abtastfeld AT₄′ vorhanden; den Abtast­ feldern AT₁′-AT₄′ sind jeweils ein Photoelement P ₁′-P₄′ in der Abtasteinheit A′ zugeordnet (Fig. 1). Bei Drehung der Feincodescheibe FS′ um den Winkel ϕ ₁′ dreht sich die Grobcodescheibe GS′ infolge der Unter­ setzung n = 2 um den Winkel ϕ ₂′ = d ₁′/2.

In Fig. 6 sind schematisch die Feincodespuren 1′, 2′ und die Steuerspuren 3 c′, 4 c′ der Feincodescheibe FS′ sowie die Grobcodespuren 3 c, 4 c der Grobcodescheibe GS′ mit den Abtastfeldern AT₁′-AT₄′ gemäß Fig. 4 dargestellt. Zur besseren Kenntlichmachung der gegen­ seitigen Überlagerung weisen die Steuerspuren 3 c′, 4 c′ und die Grobcodespuren 3 c, 4 c eine unterschiedliche Schraffur auf. Der Binärzustand soll Null sein, wenn die vom Abtastfeld AT₂′ abgetasteten beiden überlagerten Spuren 3 c, 3 c′ dunkle (gestrichelte) Felder ergeben, und soll Eins sein, wenn die beiden überlagerten Spuren 3 c, 3 c′ ein helles Feld ergeben. Diese Binärzustände gelten in gleicher Weise auch für die überlagerten Spuren 4 c, 4 c′. Die Abtastung der Spuren 1′, 2′, 3 c, 3 c′, 4 c, 4 c′ durch die Abtastfelder AT₁′-AT₄′ ergeben die gleichen Bi­ närkombinationen des Graycodes wie in der Tabelle nach Fig. 2. Wie ersichtlich, erfolgt der einschrittige Übergang von einem Binärzustand in den nächsten Bi­ närzustand ausschließlich an den Kanten der hellen und dunklen Felder der Steuerinformationen der Steuerspu­ ren 3 c′, 4 c′ der Feincodescheibe FS′, so daß die Grob­ codeinformationen auf den Grobcodespuren 3 c, 4 c rela­ tiv zu den Steuerinformationen auf den Steuerspuren 3 c, 4 c um maximal 90° verschoben sein können.

Für die Untersetzung n = 2 des Untersetzungsgetrie­ bes U ist somit ein maximaler Fehler von 90° bezogen auf die Feincodescheibe FS′ bzw. ein maximaler Fehler von 90°/2 bezogen auf die Grobcodescheibe GS′ zuläs­ sig.

Die mit einem derartigen Winkelkodierer ermittelten absoluten Meßwerte können sowohl in einer Positions­ anzeige als auch in einer numerischen Steuerung weiter­ verarbeitet werden.

Die Erfindung ist nicht auf lichtelektrische Meßein­ richtungen beschränkt, sondern kann auch bei magne­ tischen, induktiven oder kapazitiven Meßeinrichtungen eingesetzt werden.

Claims (5)

1. Mehrstufiger Winkelkodierer mit einer mit einer Antriebswelle verbundenen Feincodescheibe und wenigstens einer der Feincodescheibe über ein Ge­ triebe nachgeschalteten Grobcodescheibe sowie mit einer Abtasteinheit zur Abtastung der Codein­ formationen der Codescheiben, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur eindeutigen Zuordnung der Grobcodeinformation zur Feincodeinformation auf der Feincodescheibe (FS) Steuerinformationen auf­ gebracht sind, die den Grobcodeinformationen der Grobcodescheibe (GS) durch gemeinsame Abta­ stung direkt überlagerbar sind.

2. Winkelkodierer nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuerinformationen jeweils auf zwei konzentrischen Steuerhalbspuren (3 a′, 3 b′, 4 a′, 4 b′) der Feincodescheibe (FS) und die Grob­ codeinformationen jeweils auf zwei konzentrischen Grobcodehalbspuren (3 a, 3 b, 4 a, 4 b) der Grobcode­ scheibe (GS) aufgebracht sind.

3. Winkelkodierer nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuerinformationen auf spi­ ralförmigen Steuerspuren (3 c′, 4 c′) der Feincode­ scheibe (FS′) und die Grobcodeinformationen auf spiralförmigen Grobcodespuren (3 c, 4 c) der Grob­ codescheibe (GS′) aufgebracht sind.

4. Winkelkodierer nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur gemeinsamen Abtastung je­ weils zweier überlagerter Halbspuren (3 a, 3 a′, 3 b, 3 b′; 4 a, 4 a′, 4 b, 4 b′) jeweils ein Abtastelement (P ₃; P₄) vorgesehen ist.

5. Winkelkodierer nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur gemeinsamen Abtastung je­ weils zweier überlagerter spiralförmiger Spuren (3 c, 3 c′; 4 c, 4 c′) jeweils ein Abtastelement (P ₃′; P₄′) vorgesehen ist.