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Positionsgeber
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Die Erfindung betrifft einen Positionsgeber, der die Merkmale des
Oberbegriffs des Anspruches 1 aufweist.
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Die absolute Positionsbestimmung eines sich längs einer vorgegebenen
Bahn bewegenden Körpers mit Hilfe einer Codescheibe, die sich entsprechend der Bewegung
des Körpers dreht und eine absolute Positionen kennzeichnende Codierung tragt, herleitet
dann Schwierigkeiten, wenn bei der gewünschten oder auf der Codescheibe noch realisierbaren
Auflösung die Strecke, innerhalb deren der Körper bewegbar ist, größer ist als die
einer einzigen Umdrehung der Codescheibe entsprechende Bahnlänge, da es in den meisten
Fällen nicht möglich ist, den Durchmesser der Codescheibe so weit zu vergrößern,
daß auch bei einer relativ großen Bahnlänge die gesamte Strecke einer einzigen Umdrehung
der Codescheibe entspricht. Man könnte zwar an die Codescheibe über ein Untersetzungsgetriebe
eine zweite Codescheibe kuppeln, so daß die absoluten Positionsangaben, welche aus
den Codierungen beider Codescheiben gewonnen werden können, für eine Bahnlänge ausreichen
würden, welche um den durch das Übersetzungsverhältnis des Untersetzungsgetriebes
bestimmten Faktor größer ist als die einer lJndrehung der ersten Codescheibe entsprechende
Bahnl nqe. Für ei nie
fehlerfreie Positionsangabe müßte das Untersetzungsgetriebe
aber nicht nur teilungsfehlerfrei, sondern auch spielfrei sein, was nur mit einem
erheblichen Aufwand erreichbartwäre.Bei größerer Bahnlänge begnügt man sich deshalb
in der Regel mit einer inkrementalen Zählung zur Ermittlung der absoluten Position.
Dies ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß nach jeder Unterbrechung der Energieversorgung
der Körper zunächst in seine Ausgangsposition zurückbewegt werden muß, um von hier
aus die inkrementale Zählung wieder vornehmen zu können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Positionsgeber zu
schaffen, der es mit einem relativ geringen Aufwand ermöglicht, absolute Positionsangaben
auch dann zu liefern, wenn die Strekkenlänge mehr als einer einzigen Umdrehung einer
Codescheibe entspricht. Diese Aufgabe löst ein Positionsgeber mit den Merkmalen
des Anspruches 1.
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Die Auflösung ist bei diesem Positionsgeber vom Winkel der Segmente
der ersten Codescheibe bestimmt, der beispielsweise bei einem optisch abtsstbaren,
auf konzentrischen Bahnen vorgesehenen Codierung 3,60 betragen kann, was in vielen
Fällen ausreichend ist. Die Länge der Bahnstrecke, auf der der Positionsgeber in
den durch die Auflösung bestimmten Abständen die absoluten Positionen angeben kann,
beträgt jedoch ein Vielfaches des einer einzigen Umdrehung der ersten Codescheibe
entsprechenden Bahnabschnittes, wobei der dieses Vielfache bestimmende Faktor sich
aus dem Ubersetzungsverhältnis des Untersetzungsgetriebes ergibt und gleich der
Anzahl der Umdrehungen der ersten Codescheibe ist, welche diese ausführen kann,
um die zweite Codescheibe um 3600 zu drehen. Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen
Positionsgebers besteht darin, daß das Untersetzungsgetriebe weder spielfrei noch
teilungsfehlerfrei zu sein braucht und deshalb ein billiges Getriebe ausreichend
ist. Dies ist dadurch bedingt, daß die zweite Codescheibe auch bei Abweichungen
des Drehwinkels von dem einem Segment entsprechenden Drehwinkel mittels der Rasteinrichtung
auf die dem betreffenden Segment zugeordnete Winkelstellung ausgerichtet wird. Der
vom Untersetzungsgetriebe auf die zweite Codescheibe übertragene Drehwinkel braucht
deshalb im Extremfall nur
geringfügig größer als die Hälfte des
Sektorwikels und geringfügig kleiner als das 1,5-fache des Sektorwinkeis zu sein.
Entsprechend groß kann der aus dem Spiel des Untersetzungsgetriebes und dessen Teilungsfehlern
sich ergebende Fehler sein. Besonders günstige Verhältnisse hinsichtlich des Spiels
und Teilungsfehlers des Untersetzungsgetriebes ergeben sich, wenn das Untersetzungsgetriebe
die Bewegung der ersten Codescheibe nicht kontinuier]ich auf die zweite Codescheibe
überträgt, sondern als Schrittgetriebe ausgebildet ist, das nur nach einem vorgegebenen
Verdrehungswinkel seiner Antriebswelle die Abtriebswelle um den einem Schritt entsprechenden
Winkel weiterdreht. Die einzuhaltenden Toleranzen können hierbei noch größer sein,
was die Fertigungskosten noch weiter verringert.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Schrittgetriebe als
Zahnradgetriebe mit einem Antriebsrad ausgebildet, das zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Zähnen eine Lücke hat, deren Winkelbereich zusammen mit dem auf einen Zahn entfallenden
Winkelbereich gleich dem Verdrehungswinkel der ersten Codescheibe ist, nach dem
sich deren Codierung wiederholt. Hier kommt also nur am Ende des Drehwinkels, den
die erste Codescheibe ausführen kann, bis sich ihre Codierung zu wiederholen beginnt,
ein Zahn des Antriebsrades in Eingriff mit dem Abtriebsrad, wodurch dieses nur dann
um einen Schritt weitergedreht wird, wenn die Codierung der ersten Codescheibe sich
bei deren Drehung zu wiederholen beginnt.
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Um den Drehwinkel, welchen die Abtriebswelle des Schrittgetriebes
bei einem Schritt ausführt, nicht entsprechend dem Schaltschritt der zweiten Codescheibe,
also deren Segmentwinkel, anpassen zu müssen, was die Konstruktion und Fertigunq
des Schrittgetriebes vereinfacht und damit verbilligt, kann die zweite Codescheibe
mit dem Schrittgetriebe über ein Zahnradgetriebe gekuppelt sein, das die erforderliche
Winkelanpassung vornimmt. Auch dieses Zahnradgetriebe kann wegen der positionierenden
Rasteinrichtung sowohl mit Spiel als auch mit Teilungsfehlern behaftet sein, so
daß man auch hier ein kostengünstiges Getrieb verwenden kann.
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Vorzugsweise weist die Rasteinrichtung zwei sich entsprechend der
Bewegung der we i ten Coclescheibe relativ zueinander bewegende, berührungslos über
wenigstens einen Luftspalt zusammenwirkende Teile eines Magnetsystems auf, da eine
solche Rasteinrichtung verschleißfrei ist und deshalb die Cenauigkeit, mit der sie
die zugeordnete zweite Codescheibe zu positionieren vermag, nicht im Laufe der Zeit
geringer wird.
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Sofern die Länge der Bahn, zu der der Positionsgeber die absoluten
Positionswerte zu liefern hat, größer ist als die einer einzigen Umdrehung der zweiten
Codescheibe entsprechende Strecke oder der ihr entsprechende Drehwinkel, kann man
die die zweite Codescheibe tragende Welle des Positionsgebers mit der die erste
Codescheibe tragende Welle eines entsprechend ausgebildeten Positionsgebers kuppeln
und die Positionsangaben aufgrund der Werte beider Positionsgeber bilden. Prinzipiell
wäre es sogar möglich, mehr als zwei der erfindungsgemäßen Positionsgeber zu kuppeln.
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Die Anwendbarkeit ist deshalb nicht auf Werte der Bahnlänge oder des
Drehwinkels bis zu einer bestimmten Obergrenze beschränkt.
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Im folgenden ist die Erfindung anhand von zwei in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbe i spielen im einzelnen erläutert. Es zeigern: Fig. 1 einen schematisch
dargestellten Längsschnitt des ersten Ausführungsbeispiels, Fig. 2 einen Abschnitt
der Codierung der ersten Codescheibe dargestellt als Abwicklung, Fig. 3 eine Ansicht
der zweiten Codescheibe und deren Rasteinrichtung, Fig. 4 eine Stirnansicht des
Schrittgetriebes, Fig. 5 einen schematisch dargestellten Längsschnitt des zweiten
Ausführungsbeispiels.
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Ein als Ganzes mit 1 bezeichneter Positionsgeber weist eine aus einem
Gehäuse 2 herausragende Antriebswelle 3 auf, welche bei einer Bewegung eines Körpers
längs einer vorgegebenen Bahn in eine dieser Bewegung entsprechende Maße gedreht
wird. Der Körper kann beispielsweise auf einer Gewindespindel angeordnet sein,
an
welche in diesem Falle die AntriebsweJe 3 angekuppelt wird, damit die Bewegung des
Körpers und der Gewindespindel in eine entsprechende Drehbewegung der Antriebswelle
3 umgesetzt wird.
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Innerhalb des Gehäuses 2 sitzt drehfest auf der im Gehäuse 2 drehbar
gelagerten Antriebswelle 3 eine erste Codescheibe 4, die in sechs konzentrisch zur
Antriebswelle 3 verlaufenden Spuren eine Codierung 5 enthält, welche aus lichtdurchlässigen
und nicht lichtdurchlässigen Bereichen gebildet ist, wie dies Fig. 2 zeigt.
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Es handelt sich im Ausführungsbeispiel um einen Gray-Code, wobei die
in der äußersten Spur liegenden, kürzesten Markierungen, die unabhängig davon, ob
sie lichtdurchlassig oder nicht lichtdurrhlässig sind, eine Erstreckung in Umfangsrichtung
haben, die einem Winkel von 7,20 entspricht. Da diese Markierungen sich über zwei
aufeinanderfolgende, durch die Codierung 5 voneinander unterscheidbare Sektoren
erstrecken, hat die erste Codescheibe 4 hundert verschiedene Winkelstellungen, denen
je ein absoluter Positionswert der Codierung 5 zugeordnet ist. Da jedoch die üblicherweise
vorhandene siebte Spur fehlt, die eine Unterscheidung der Winkelstellungen in der
einen Hälfte der Codescheibe von denjenigen in der anderen Hälfte ermöglicht, wiederholt
sich die Codierung bereits nach einem Drehwinkel von 1800. Die Auflösung, also der
Winkel, um den die Antriebswelle 3 von einer definierten Winkelstellung in die nächste
definierte Winkelstellung verdreht werden muß, beträgt dennoch 3,60.
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Mit der Antriebswelle 3 ist nämlich das antreibende Rad 6 eines Schrittgetriebes
drehfest verbunden, das außer dem antreibenden Rad 6 ein von diesem angetriebenes
Rad 7 aufweist. Wie Fig. 4 zeigt, ist das antreibende Rad 6 in der Art eines Stirnzahnrades
ausgebildet, jedoch nur mit zwei diametral angeordneten Zähnen 8 versehen. Das angetriebene
Rad 7, das auf einer zur Antriebswelle 3 parallel im Gehäuse 2 gelagerten Welle
drehfest sitzt, ist ebenfalls in der Art eines geradeverzahnten Stirnzahnrades ausgebildet.
Seine Zahnteilung, d.h. der Winkel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zähnen, beträgt
im Ausführungsbeispiel 180 und die Zahnlücken haben, wie Fig. 4 zeigt, eine Halbkreisform.
Am Ende einer Drehung der Antriebswelle 3 um 18n0 kommt einer der beiden
Zähne
8 in Eingriff mit einer # Lücke des angetriebenen Rades 7 und dreht dadurch dieses
um eine Zahnteilung, also um 180, weiter.
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Das Schrittgetriebe kann sowohl Spiel als auch einen Teilungsfehler
haben.
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Auf der dns angetriebene Rad 7 tragenden Welle sitzt ebenfalls drehfest
ein Ritzel 9 eines Untersetzungsgetriebes, das mit einem Zahnrad 10 dieses Untersetzungsgetriebes
kämmt. Das Übersetzungsverhältnis dieses Untersetzungsgetriebes ist 1:5, d.h., daß
bei einer Drehung der das Ritzel 9 und das angetriebene Rad 7 tragenden Welle urn
18° die das Zahnrad 10 tragende Welle um 3,60 gedreht wird.
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Auf dieser Welle, die im Ausführungsbeispiel gleichachsig zur Antriebswelle
3 im Gehäuse 2 drehbar gelagert ist, sitzt drehfest eine ne zwei te Codescheibe
11 Mit Ausnahme einer äußeren Ranzone 12, welche aus magnetisierbarem Blech besteht,
besteht die zweite Codescheibe 11 aus einem durchsichtigen Kunststoff. Dieser Teil
der Codescheibe 11 trägt in sieben konzentrischen Spuren eine aus lichtdurchlässigen
und lichtundurchlässigen Rereichen gebildeten Codierung, die sich im Ausführungsbeispiel
von der Codierung der ersten Codescheibe 4 nur dadurch unterscheidet, daß die innerste,
siebte Spur über den halben Umfang lichtundurchlässig und über die andere Hälfte
lichtdurchlässig ist. Der letztgenannte Teil dieser Spur beginnt an dem in Fig.
2 links dargestellten Ende. Zur Abtastung dieser Codierung der zweiten Codescheibe
11 ist ebenso wie zur Abtastung der Codierung 5 auf der einen Seite der Codescheibe
ortsfest eine Rrlellchtungacinri cihtuncl 13 und auf f der gegenüberliegenden Seite
ebenfalls ortsfest eine Sensoreinrichtung 14 angeordnet Wie Fig. 3 zeigt, ist die
Randzone 12 der zweiten Codescheibe 11 längst ihres gesamten Umfangs mit radial
verlaufenden Nuten 15 verstehen, di e alle eine lr?iche Größe und zueinander parallele
Flanken haben. Auch der Abstand zwischen zwei benachbarten Nuten ist ilheral l gleich
groß. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel von der Mitte einer Nut bis zur
Mitte der benachtbaren Nut 3,6°.
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Zusammen mit der Randzone 12 der Codeceheibe 11 bildet eine als Ganzes
mit 16 bezeichnete Komponente einen der zweiten Codescheibe 11 zugeordneten magnetischen
Rastmechanismus, der wie der in der DE-OS 32 24 386 beschriebene magnetische Rastmechanismus
ausgebildet ist. Die Komponente 16 ist ortsfest am Gehäuse 2 festgelegt. Der Jochteil
der U-artigen Komponente 16 wird durch einen Permanentmagneten 16' gebildet, der
so magnetisiert ist, daß die Feldlinien am einen der beiden Schenkel 161 1, zwischen
welche die Randzone 12 eingreift, zur Randzone 12 hin austritt, diese durchdringt
und in den anderen Schenkel 36'' wieder eintritt. Die durch die beiden Schenkel
gebildeten Polschuhe, die spiegelbildlich gleich ausgebildet sind, haben die Grundrißform
eines Kreissektorabschnittes und sind so angeordnet, daß die beiden seit] ichen
Begrenzungslinien sich in der Längsachse der die zweite Codescheibe 11 tragenden
Welle schneiden. Die innere, konzentrisch zu dieser Welle verlaufende Begrenzungslinie
deckt sich zumindest annähernd mit derjenigen Kreislinie, auf der der Nutgrund der
Nuten 15 liegt. Der die Nuten 15 übergreifenden Bereich, der sich im Ausführungsbeispiel
über elf Nuten 15 erstreckt, ist ebenfalls mit radial verlaufenden Nuten 17 versehen,
deren Tiefe im Ausführungsbeispiel etwa doppelt so groß ist wie die Tiefe der Nuten
15. Ihre Breite sowie die Winkelversetzung zwischen zwei benachbarten Nuten sind
jedoch genauso groß wie bei den Nuten 15. Die Codescheibe 11 wird deshalb von der
Rasteinrichtung alIf Winkelpositionen ausgerichtet, in denen sich die Nuten 17 mit
den Nuten 15 decken, da in diesen Positionen die effektive Luftspaltgröße ein Minimum
hat. Dies hat zur Folge, daß die zweite Codescheibe 11 von einer Winkelstellung
um 3,6° in die nächste Winkelstellung gedreht und dort von der Rasteinrichtung festgehalten
wird, auch wenn der Winkel, um welchen das angetriebene Rad 7 vom antreibenden Rad
6 gedreht wird, etwas größer oder etwas kleiner als 180 ist. Da ein Verdrehungswinkel
der zweiten Codescheibe 11 um etwas mehr als 1,80 ausreicht, um diese in die nachste
Winkelstellung zu bringen, genügt ein Drehwinkel des angetriebenen Rades 7 um etwas
mehr als 90, um die Weiterschaltung der zweiten Codescheibe 11 um einen Schritt
zu bewirken. Statt der metallischerl, mit den Nuten 15 versehenen Randzone 12 der
Codescheibe ii könnte, wie in Fig. 1 mit strichpunktierten Linien angedeutet, die
Rasteinrichtung auch eine sepsrate Scheibe euf\veisen, welche neberl der C n descheibe
ii
angeordnet, mit dieser drehfest verbunden und mit den Nuten 15 versehen ist sowie
aus magnetisierbarem Material besteht. Die Komponente 16 würde dann zusammen mit
dieser Scheibe den Rastmechanismus der Codescheibe 11 bilden.
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Da die zweite Codescheibe 11 erst nach hundert Schritten eine vollständige
Umdrehung ausgeführt hat, hat der Positionsgeber fünftausend Positionen, in denen
je eine diese Position unverwechsel bar kennzeichnende Codierung als absoluter Positionswert
zur Verfügung steht. Selbstverständlich ist es hierzu notwendig, in einer in tib
ii che r Weise ausgebildeten und daher nicht da rqestellten Auswerteelektronik die
Codierung sowohl der ersten Codescheibe 4 als auch der zweiten Codescheibe 11 gemeinsam
auszuwerten.
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Sofern die Zahl der absoluten Positionswerte oder die Länge der dieser
Zahl von absoluten Positionswerten entsprechenden Bahn nicht ausreichend ist, um
die Position eines Körpers im gesamten Bahnbereich angeben zu können, kann man,
wie Fig. 5 zeigt, mit der die zweite Codescheibe tragenden Welle eines ersten Positionsgebers
die Antriebswelle eines zweiten Positionsgebers kuppein. Dieser zweite Positionsgeber
ist zusammen mit dem ersten Positionsgeber in einem Gehäuse 102 angeordnet und wie
der Positionsgeber gemäß den Fig. 1 bis 4 ausgebildet. Daher sind sich entsprechende
Teile mit um hundert größeren Bezugszahlen gekennzeichnet, die außerdem mit einem
Strich versehen sind.
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Der erste Positionsgeber stimmt ebenfalls bis auf die zweite Codescheibe
mit dem Positionsgeber gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel überein. Daher sind
auch bei ihm die sich entsprechenden Teile mit um hundert größeren Bezugszahlen
gekennzeichnet. Der Unterschied gegenüber dem Positionsqeber gemäß den Fig. 1 bis
4 besteht darin, daß wegen der direkten Kupplung beider Positionsgeber die zweite
Codescheibe des ersten Positionsgebers durch die erste Codescheibe 104' des zweiten
Positionsgebers gebildet werden kann. Für den ersten Positionsgeber ist deshalb
nur der aus der Scheibe 111 und der Komponente 116 gebildete magnetische Rastmechanismus
vorgesehen. Selbstverständlich könnte der erste Positionsgeber mit demjenigen des
ersten Ausführungsbeispiels
vollständig übereinstimmen. Dann w;irde
der zweite Positionageber keine erste Codescheibe benötigen. Wegen weiterer Einzelheiten
wird auf die Ausführungen zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 bis 4 Bezug
genommen. Das Untersetzungsgetriebe des ersten Positionsgebers ist mit 106, 107,
dasjenige des zweiten Positionsgebers mit 106', 107' gekennzeichnet.
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Da im Ausführungsbeispiel die erste Codescheibe 104' des zweiten Positionsgebers
wie die erste Codescheibe 104 des ersten Positionsgebers nur um 1800 gedreht werden
kann, ehe sich ihre Codierung wiederholt, beträgt bei hundert Stellungen der zweiten
Codescheibe 111' des zweiten Positionsgebers die Gesamtzahl der absoluten Positionswerte
dieses Winkelgebers zweihundertfünfzigtausend.
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Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie auch die nur
allein aus der Zeichnung entnehmbaren Merkmale sind als weitere Ausgestaltungen
Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und insbesondere
nicht in den Ansprüchen erwähnt sind.