DE3407102C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Positionsgeber, der die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruches 1 aufweist.

Es sind Positionsgeber bekannt, die als Impulsgeber eine auf einer Antriebswelle drehfest angeordnete Scheibe aufweisen, die mit optisch abtastbaren, radial verlaufenden Stricher versehen ist. Zur Positions­ ermittlung werden, ausgehend von einer Nullposition, die bei der Ab­ tastung der Striche erzeugten Impulse gezählt. Gegenüber Positionsge­ bern, die eine Codescheibe mit einer absolute Positionswerte defi­ nierenden Codierung tragen, haben diese inkremental arbeitenden Po­ sitionsgeber den Vorteil einer wesentlich höheren Auflösung. Nachteilig ist jedoch, daß bei einer Störung, insbesondere nach einem vorübergehenden Ausfall der Energieversorgung, der Körper, dessen Position angegeben wer­ den soll, in seine Ausgangsstellung, also das eine Ende seiner Bewe­ gungsbahn, zurückgebracht werden muß, um von hier aus die Position wie­ der durch eine Schritt- oder Impulszählung ermitteln zu können.

Außer einem Hinweis, daß eine Vereinigung eines inkrementalen Systemes mit einem absoluten Meßsystem mit Hilfe eines hybriden Codierers zwar möglich, aus Kostengründen aber nicht realisierbar sei (Electronic Engineering 44 (77) Heft 595, Seite 23) ist auch schon ein Positions­ geber der eingangs genannten Art bekanntgeworden (DE-OS 27 44 699), bei dem ein als Impulsgeber dienender erster Maßstab und ein die abso­ luten Positionswerte in codierter Form tragender zweiter Maßstab starr miteinander verbunden sind, also nur gemeinsam relativ zu der Auswerte­ einrichtung bewegbar sind, deren die beiden Maßstäbe abtastenden Auf­ nehmer ebenfalls starr miteinander verbunden sind.

In vielen Fällen läßt sich ein derartiger Positionsgeber nicht einsetzen, weil dort die Spuren für die inkrementale Messung und die absolute Po­ sitionsmessung sowie die zugehörigen Aufnehmer voneinander getrennt und relativ zueinander beweglich sein müssen, was jedoch eine Koppelung der beiden Spurenträger erforderlich macht, die Meßfehler nicht ausschließt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Positionsgeber der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine Trennung der Spuren­ träger für die inkrementale und die absolute Positionsmessung ermög­ licht, aber dennoch kostengünstig ist. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 gelöst.

Da bei einem derartigen Positionsgeber das die Codescheibe mit dem Im­ pulsgeber verbindende Getriebe weder spielfrei noch teilungsfehler­ frei zu sein braucht und auch die Anforderungen an die Genauigkeit des durch die Codescheibe gebildeten Informationsträgers nicht besonders hoch sind, führt die erfindungsgemäße Lösung zu einem sehr kostengün­ stigen Positionsgeber, der dennoch alle Vorteile der inkrementalen Mes­ sung mit der absoluten Messung in sich vereinigt. Dies ist darauf zu­ rückzuführen, daß der absolute Positionswert für die Auswerteeinrichtung immer nur dann übernommen wird, wenn gleichzeitig das Synchronisier­ signal des inkrementalen Positionsgeberteils an der Auswerteeinrichtung ansteht. Die Genauigkeit des Getriebes braucht daher nur so groß zu sein, daß dann, wenn der Synchronisierimpuls erzeugt wird, die Code­ scheibe innerhalb des der entsprechenden absoluten Position zugeordneten Winkelbereichs steht, über den sich die Codierung für diesen absoluten Positionswert erstreckt.

Im Störungsfalle muß der Körper, dessen Position ermittelt werden soll, höchstens um eine solche Strecke längs seiner Bewegungsbahn bewegt wer­ den, welche dem Drehwinkel der Antriebswelle zwischen zwei absoluten Positionen der Codescheibe entspricht. Führt eine Umdrehung der Antriebs­ welle zu einer Verdrehung der Codescheibe um den einem Sektor entspre­ chenden Winkel, dann ist die maximal erforderliche Bewegung des Körpers gleich der einer Umdrehung der Antriebswelle entsprechenden Strecke. Ist hingegen das Übersetzungsverhältnis des Untersetzungsgetriebes so gewählt, daß ein ganzzahliger Bruchteil einer vollständigen Umdrehung der Antriebswelle ausreicht, um die Codescheibe von der einer absoluten Position entsprechenden Winkelstellung in die der nächstfolgenden abso­ luten Position entsprechende Winkelstellung zu drehen, ist die erforder­ liche Rückführung des Körpers entsprechend geringer.

Man kann den von der Codescheibe abtastbaren absoluten Positions­ wert nur dazu benutzen, um nach einer Störung, welche eine erneu­ te inkrementale Positionsermittlung erforderlich macht, denjeni­ gen Körper, dessen Position ermittelt werden soll, durch eine möglichst geringe Bewegung in eine Stellung bringen zu können, deren absoluter Positionswert bekannt ist. Man kann aber auch aufgrund der von der Codescheibe abtastbaren absoluten Positions­ werte ständig den sich aus der inkrementalen Positionsermittlung ergebenden Wert auf seine Richtigkeit überprüfen und gegebenen­ falls korrigieren. Ferner ist es möglich, die inkrementale Zäh­ lung stets dann zu beenden, wenn ein absoluter Positionswert von der Codescheibe abfragbar ist, und von hier aus bis zum nächsten absoluten Positionswert jeweils neu zu beginnen. In diesem Falle kann das Signal, das diejenige Winkelstellung der Antriebswelle kennzeichnet, in der ein absoluter Positionswert abfragbar ist, auch dazu benutzt werden, einen Zähler der Auswerteeinrichtung für die vom Impulsgeber kommenden Impulse auf Null zurückzustel­ len.

Sofern das Übersetzungsverhältnis relativ groß ist, was zumindest dann der Fall ist, wenn die Codescheibe nur bei einer vollständi­ gen Umdrehung der Antriebswelle um den einem Sektor entsprechen­ den Winkel weitergedreht werden muß, stellt ein einfaches Umlauf­ getriebe eine besonders kostengünstige Lösung dar. Beispielsweise kann hier ohne weiteres das angetriebene Zentralrad bei einer Um­ drehung der Antriebswelle nur um den einer Zahnteilung entspre­ chenden Winkel weitergedreht werden.

Sofern das Spiel des Untersetzungsgetriebes zu groß und die Ver­ wendung eines Untersetzungsgetriebes mit geringerem Spiel zu auf­ wendig sein sollte, besteht die Möglichkeit, der Codescheibe eine Rasteinrichtung zuzuordnen, welche die Codescheibe jeweils auf die Mitte des Winkelbereichs ausrichtet und in dieser Position arretiert. Eine solche Rasteinrichtung, welche magnetisch und da­ mit verschleißfrei arbeiten kann, wird jedoch in der Regel nur dann in Betracht kommen, wenn das Untersetzungsgetriebe ein Schrittgetriebe aufweist, also ein Getriebe, das die Codescheibe schrittweise antreibt. Ein derartiges Schrittgetriebe läßt sich besonders kostengünstig mit zwei zusammenwirkenden Stirnzahnrä­ dern realisieren, von denen das antreibende Zahnrad nur an denje­ nigen Stellen seines Umfangs, welche einer durch eine Markierung gekennzeichneten Winkelstellung der Antriebswelle entsprechen, einen Zahn aufweist. Es kommt dann beispielsweise nur nach jeder vollständigen Umdrehung der Antriebswelle vorübergehend der ein­ zige Zahn des antreibenden Zahnrads mit dem angetriebenen Zahnrad in Eingriff und dreht dies um eine Zahnstellung weiter. Falls er­ forderlich, kann diese Winkeldrehung des angetriebenen Zahnrads mittels eines zweiten Getriebes auf denjenigen Drehwinkel trans­ formiert werden, der dem Winkel eines Sektors der Codescheibe entspricht. Damit ist gewährleistet, daß bei jedem Schaltschritt des Schrittgetriebes die Codescheibe um den einem Sektor entspre­ chenden Winkel verdreht wird.

Im folgenden wird die Erfindung von zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des ersten Ausfüh­ rungsbeispiels,

Fig. 2 einen schematisch dargestellten Längsschnitt des ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Rasteinrichtung,

Fig. 4 einen schematisch dargestellten Längsschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 5 eine Ansicht des Schrittgetriebes des zweiten Ausführungsbeispiels.

Ein Positionsgeber weist, wie insbesondere Fig. 2 zeigt, eine in einem Gehäuse 1 drehbar gelagerte und aus diesem herausgeführte Antriebswelle 2 auf, welche direkt oder indirekt mit demjenigen Körper gekuppelt wird, dessen Position bestimmt werden soll. Es kann sich dabei nicht nur um einen Körper handeln, der wie die Antriebswelle 2 eine Drehbewegung ausführt, sondern auch um einen sich translatorisch bewegenden Körper. Im letztgenannten Falle kann dieser Körper beispielsweise mittels einer Gewindespindel bewegbar sein, an welche die Antriebswelle 2 angekuppelt werden kann.

Auf der Antriebswelle 2 sitzt innerhalb des Gehäuses 1 drehfest eine Impulsgeberscheibe 3, die mit optisch abtastbaren Strichen versehen ist. Im Ausführungsbeispiel sind zweitausend Striche in gleichmäßiger Verteilung über den Umfang der Scheibe vorgesehen. Die Abtasteinrichtung weist eine Lichtquelle 4 und einen Sensor 5 auf, zwischen welche die die Striche tragende Randzone der Im­ pulsgeberscheibe 3 eingreift.

Mit der Antriebswelle 2 ist ein ebenfalls im Gehäuse 1 angeordne­ tes Umlaufgetriebe gekuppelt, das aus einem im Gehäuse festste­ hend angeordneten ersten Zentralrad 6, einen gleichachsig zu die­ sem angeordneten zweiten Zentralrad 7 und wenigstens einem Um­ laufrad steht, das von einem mit der Antriebswelle 2 umlaufenden Träger drehbar gehalten wird. Im Ausführungsbeispiel kämmt ein erstes Umlaufrad 8 mit dem ersten Zentralrad und ein drehfest auf der Welle des ersten Umlaufrades 8 sitzendes zweites Umlaufrad 9 mit dem zweiten Zentralrad 7. Es wäre selbstverständlich aber auch möglich, nur ein einziges Umlaufrad vorzusehen und dieses mit beiden Zentralrädern kämmen zu lassen.

Auf der das zweite Zentralrad 7 tragenden Welle ist ebenfalls drehfest eine Codescheibe 10 angeordnet, die in mehreren konzen­ trisch zur Drehachse verlaufenden Bahnen eine abtastbare Codie­ rung trägt. Diese Codierung der an sich bekannten Codescheibe kennzeichnet hundert Winkelstellungen der Codescheibe 10. Die Sektoren, in denen sich die zugeordneten Markierungen der Codie­ rung befinden, erstrecken sich deshalb über einen Winkel von 3,6°. Die der Codescheibe 10 zugeordnete Abtasteinrichtung, mit­ tels deren die Markierungen parallel abgetastet werden, weist eine Lichtquelle 11 und einen Sensor 12 auf.

Das Übersetzungsverhältnis des Umlaufgetriebes ist so gewählt, daß eine vollständige Umdrehung der Antriebswelle 2 eine Drehung der Codescheibe 10 um den Winkel eines Sektors, im Ausführungs­ beispiel eine um 3,6°, ergibt.

Der aus der Impulsgeberscheibe 3, der Lichtquelle 4 und dem Sen­ sor 5 bestehende Impulsgeber erzeugt nicht nur bei jeder dem Ab­ stand der Striche entsprechenden Drehbewegung einen Zählimpuls, sondern nach jeder vollständigen Umdrehung der Antriebswelle auch einen Synchronisierimpuls aufgrund eines zusätzlichen Striches oder einer Verlängerung eines der Striche. Die Winkellage dieses den Synchronisierimpuls erzeugenden Striches ist so gewählt, daß der Synchronisierimpuls im Sensor 5 aufgelöst wird, wenn sich die Mittellinie des zugeordneten Sektors der Codescheibe etwa in der dem Sektor entsprechenden Winkellage befindet. Ein Spiel oder eine Teilungsungenauigkeit des Umlaufgetriebes führen dann nicht zu einem Fehler beim Abtasten der Codierung auf der Codescheibe 10.

Sollte das Spiel des Getriebes zwischen der Impulsgeberscheibe 3 und der Codescheibe 10 so groß sein, daß der Toleranzbereich, den die Sektoren bei der Ausrichtung der Codescheibe zulassen, nicht mehr ausreichend ist, kann der Codescheibe 10 eine Rasteinrich­ tung zugeordnet werden, welche sie auf die jedem Sektor zugeord­ nete Winkelstellung ausrichtet, sobald die Verdrehung der die Co­ descheibe 10 tragenden Achse etwas größer ist als der halbe Win­ kel eines Sektors. In Fig. 2 ist eine derartige, magnetisch und damit völlig verschleißfrei wirkende Rasteinrichtung mit strich­ punktierten Linine angedeutet.

Diese magnetische Rasteinrichtung weist eine auf der Welle der Codescheibe drehfest anzuordnende Scheibe 13 auf, die ganz oder zumindest im Bereich ihres äußeren Randes aus magnetisierbarem Material besteht. Wie Fig. 3 zeigt, ist die Randzone der Scheibe 13 mit radialen, parallelflankigen Schlitzen 14 versehen, die alle gleiche Abmessungen haben. Der Abstand zwischen zwei benach­ barten Schlitzen 14 entspricht dem Winkel der Segmente der Code­ scheibe 10. Der die Schlitze 14 aufweisende Rand der Scheibe 13 wird von zwei gleich ausgebildeten Polschuhen 15 eines ortsfest angeordneten Magnetsystems übergriffen, das zwischen den beiden Polschuhen außerhalb der Scheibe einen Permanentmagneten aufweist. Die beiden Polschuhe 15 sind mit mehreren, im Ausführungsbeispiel zehn, radialen Schlitzen 16 versehen, welche die gleiche Weite wie die Schlitze 14 haben und daher mit diesen in Deckung ge­ bracht werden können. Infolge des von einen Polschuh zum anderen gehenden und die mit den Schlitzen 14 versehene Randzone der Scheibe 13 durchsetzenden Magnetfeldes wird die Scheibe 13 stets in einer Winkelstellung positioniert, in welcher die effektive Größe des Luftspaltes zwischen den Polschuhen 15 ein Minimum hat. Dies ist der Fall, wenn die Schlitze 14 der Scheibe 13 auf die Schlitze 16 der Polschuhe 15 ausgerichtet sind. Wird die Scheibe 13 entgegen der Rückstellkraft des Magnetsystems um etwas mehr als die Hälfte des Winkels zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schlit­ zen 14 gedreht, dann wird sie durch das Magnetfeld in die nächst­ folgende Winkelstellung gezogen und in dieser festgehalten. Dies bedeutet, daß auch bei relativ großem Spiel des Getriebes zwi­ schen der Impulsgeberscheibe 3 und der Codescheibe 10 letztere stets in einer Winkelstellung positioniert wird, in welcher sie auf die Mitte des zugeordneten Segmentes ausgerichtet ist.

Wie Fig. 1 zeigt, ist dem Sensor 5 eine die Drehrichtung der Im­ pulsgeberscheibe 3 angegebene logische Schaltung 17 nachgeschal­ tet. Deren Ausgang sowie der Ausgang des Sensors 5 für den Syn­ chronisierimpuls sind mit dem Eingang eines Zählers 18 verbunden, der einen zweiten Eingang für die von der Codescheibe 10 abtast­ baren Informationen hat. Der Zähler 18 gibt im Ausführungsbei­ spiel sowohl die von der logischen Schaltung 17 ankommenden Zähl­ impuls als auch den Synchronisierimpuls und die von der Code­ scheibe 10 abfragbare, die absolute Position kennzeichnende In­ formation an eine nachgeschaltete Auswerteeinrichtung weiter. Diese Auswerteeinrichtung könnte aber auch mit dem Zähler 18 kom­ biniert sein. Im Ausführungsbeispiel wird aufgrund jedes Synchro­ nisierimpulses die Position aufgrund des von der Codescheibe 10 abgetasteten Wertes bestimmt. Außerdem wird, ausgehend von diesem absoluten Positionswert, die Zählung der vom Sensor 5 kommenden Impuls neu begonnen. Man könnte aber auch ständig die vom Sensor 5 kommenden Impulse zählen und die von der Codescheibe 10 abfrag­ bare absolute Position nur im Störungsfalle auswerten oder sie nur bei jedem Synchronisierimpuls als Vergleichswert zur Kontrol­ le heranziehen.

Das in den Fig. 4 und 5 dargestellte, zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Impulsgebers unterscheidet sich von dem er­ sten Ausführungsbeispiel nur durch eine andere Ausführung des als Ganzes mit 120 gekennzeichneten Getriebes. Daher sind sich ent­ sprechende Teile mit um hundert größeren Bezugszahlen gekenn­ zeichnet.

Wie Fig. 4 zeigt, ist die Codescheibe 110, welche wie die Code­ scheibe 10 ausgebildet ist, eine magnetische Rasteinrichtung mit einer Scheibe 113 zugeordnet. Wegen der Ausbildung dieser magne­ tischen Rasteinrichtung wird auf die Ausführungen zum ersten Aus­ führungsbeispiel Bezug genommen. Dies gilt auch für die Ausbil­ dung der Codescheibe 110 und der ihr zugeordneten Abtasteinrich­ tung. Auch die Impulsgeberscheibe 103 und die ihr zugeordnete Ab­ tasteinrichtung unterscheidet sich nicht von den entsprechenden Bauelementen des ersten Ausführungsbeispiels.

Das Getriebe 120 besteht aus einem Schrittgetriebe und einem die­ sem nachgeordneten Untersetzungsgetriebe. Das antreibende Zahnrad 121 des Schrittgetriebes sitzt drehfest auf der Antriebswelle 102 und weist, wie Fig. 5 zeigt, nur einen einzigen Zahn an seinem Umfang auf. Daher wird bei jeder Umdrehung der Antriebswelle 102 das angetriebene Zahnrad 122 des Schrittgetriebes nur um den einer Zahnteilung entsprechenden Winkel weitergedreht. Die Zahn­ lücken, in welche der Zahn eingreift, haben, wie Fig. 5 zeigt, ein halbkreisförmiges Querschnittsprofil. Da der Schaltschritt des Schrittgetriebes, d. h. der Drehwinkel des angetriebenen Zahn­ rades 122, im Ausführungsbeispiel 18° beträgt, wird dieser Dreh­ winkel mittels des auf derselben Welle wie das angetriebene Zahn­ rad 122 sitzenden Zahnrades 123 und des mit diesem kämmenden, auf der Welle der Codescheibe 110 sitzenden Zahnrades 124 auf einen Drehwinkel reduziert, der gleich dem Winkel der Sektoren der Co­ descheibe 110, im Ausführungsbeispiel also 3,6°, beträgt. Da das Getriebe 120 sowohl Spiel als auch Teilungsfehler aufweisen kann, ist der Aufwand für dieses Getriebe gering.

Die Wirkungsweise dieses zweiten Ausführungsbeispiels stimmt mit derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels überein, so daß inso­ weit auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel Bezug genommen werden kann.

Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie auch die nur allein aus der Zeichnung entnehmbaren Merkmale sind als wei­ tere Ausgestaltungen Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und insbesondere nicht in den An­ sprüchen erwähnt sind.

Claims (6)

1. Positionsgeber für eine Positionsermittlung aufgrund ei­ ner inkrementalen und einer absoluten Positionsbestimmung, wobei für die inkrementale Positionsbestimmung ein relativ zu einer Aus­ werteeinrichtung bewegbarer Impulsgeber und für die absolute Po­ sitionsbestimmung ein ebenfalls relativ zur Auswerteeinrichtung bewegbarer Träger mit einer abtastbaren, eine Folge von absoluten Positionswerten kennzeichnenden Codierung vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) eine den Träger bildende, drehbar gelagerte Codescheibe (10; 100), die in Sektoren gleicher Größer je einen der codierten absoluten Werte enthält, über ein Untersetzungsgetriebe (6 bis 9; 120) mit der Antriebswelle (2) eines an sich bekannten Impulsgebers (3, 4, 5) gekuppelt ist, der bei jeder Drehung seiner Antriebswelle (2) um einen vorbestimmten Bruchteil einer vollständigen Umdrehung wenigstens einen Impuls erzeugt,
• b) das Übersetzungsverhältnis des Untersetzungsgetriebes (6 bis 9; 120) so gewählt ist, daß eine vollständige Umdrehung oder ein ganzzahliger Bruchteil einer vollständigen Umdrehung der Antriebs­ welle (2) zu einer Drehung der Codescheibe (10; 110) um den einem Sektor entsprechenden Winkel führt,
• c) der Impulsgeber (3, 4, 5) mit einer in jeder Winkelstellung der Antriebswelle (2), die einer der absoluten, von der Codescheibe (10; 110) abtastbaren Positionswerte entspricht, ein Signal er­ zeugenden Markierung versehen ist,
• d) die Auswerteeinrichtung (18) ist je einen Eingang für das Signal und die von der Codescheibe (10; 110) abtastbare Codierung aufweist, die eine die Übernahme der abgetasteten Codierung nur beim An­ stehen des Signals zulassende Verknüpfung haben.

2. Positionsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, da das Untersetzungsgetriebe als Umlaufgetriebe (6 bis 9) ausgebildet ist.

3. Positionsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Untersetzungsgetriebe (120) ein Schrittgetriebe (121, 122) aufweist.

4. Positionsgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Schrittgetriebe aus zwei zusammenwirkenden Stirn­ zahnrädern (121, 122) besteht, von denen das antreibende Zahnrad (121) nur an denjenigen Stellen seines Umfangs, welche einer durch eine Markierung gekennzeichneten Winkelstellung der An­ triebswelle (2) entsprechen, einen Zahn aufweist.

5. Positionsgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net,daß zwischen das Schnittgetriebe (121, 122) und die Codeschei­ be (110) ein Getriebe (123, 124) geschaltet ist, dessen Überset­ zungsverhältnis so gewählt ist, daß der durch einen Schaltschritt des Schrittgetriebes erzeugte Drehwinkel in den dem Winkel eines Sektors entsprechenden Drehwinkel der Codescheibe (110) transfor­ miert wird.

6. Positionsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ge­ kennzeichnet durch eine Verknüpfungsschaltung der Auswerteein­ richtung (18) für eine Verknüpfung der vom Impulsgeber (3, 4, 5) gelieferten Informationen mit der von der Codescheibe (10; 110) gelieferten Information.