DE3442345A1 - Rotationskodiervorrichtung - Google Patents

Rotationskodiervorrichtung

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DE3442345A1
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Yoshiaki Kamakura Kanagawa Ogawa
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Nippon Gear Co Ltd
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Description

Rotationskodiervorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Rotationskodiervorrichtung nach dem Oberbrgriff des Patentanspruchs 1, die in der Lage ist, zum Beispiel eine absolute digitale Größe, die Drehzahl einer Funktionssteuerwelle in einem automatischen Steuergerät, Roboter, Manipulator oder dergleichen oder einer Kraftübertragungswelle, die für eine Materialzuführung oder zum Öffnen und Schließen eines Ventiles oder ähnliches verwendet wird, zu messen.
Zum digitalen Messen der Zahl von Umdrehungen einer Steuer- oder Kraftübertragungswelle wurden vordem Instrumente eingesetzt, mit denen der Zuwachs oder die Absolute Größe gemessen werden konnten. Der hier verwendete Ausdruck "Zahl der Umdrehungen" kann ebenfalls mit "Drehzahl" bezeichnet werden, soll aber im folgenden "die Anzahl der tatsächlichen Umdrehungen" bedeuten, um eine Verwechslung mit der "Zahl der Umdrehungen pro Zeiteinheit" zu vermeiden.
Instrumente zum Messen des Zuwachses haben einfache Konstruktionen und können so wirtschaftlich verwendet werden. Sie haben daher eine weit verbreitete commerzielle Anwendung in verschiedenen Steuerungsgeräten und -Systemen gefunden.
Instrumente zum Messen des Zuwachses sind jedoch mit Nachteilen verbunden, da sie bei Beginn zurückgesetzt werden müssen und ebenfalls der Nullpunkt abgeglichen werden muß, und weil benötigte Daten verloren gehen, wenn die Stromversorgung unterbrochen wird, können automatische Steuerungssysteme irrtü:' .,'h in Gang gesetzt und dabei Zuf.;:l"r werte eingegeben werden, sogar dann, wenn ihre Stromversorgung momentan abgeschaltet ist.
Zu den Instrumenten zum Messen absoluter Größen gehören Potentiometer. Kodierer machen Gebrauch von Kodierplatten, Zahnradeinrichtungen usw.
Instrumente zum Messen absoluter Größen, die mit Potentiometern arbeiten, verfahren nach dem Analogsystem. Um digitale Signale zu erhalten, ist es notwendig, jedes Meßergebnis einem Analog-Digital-Wandler zuzuführen. Außerdem sind sie anfällig für den Einfluß z.B. einer Abtrift.
Außerdem ist die Anzahl der Umdehungen, welche in solche Instrumente eingegeben werden können, auf zehn Umdrehungen oder ähnlich begrenzt. Ohne Untersetzungen mit Hilfe eines Räderwerkes können solche mit Potentiometer arbeitenden Instrumente nicht benutzt werden, um relativ hohe Drehzahlen zu messen.
Andererseits können Instrumente zum Messen absoluter Größen, von denen jedes mit einem Kodierer ausgestattet ist, welcher der Reihe nach aus einer Kodierplatte aufgebaut ist, um viele Bits zu erhalten, nur verwendet werden, wo die einzugebende Zahl der Umdrehungen 1 oder weniger ist. Ihre Drehzahlen sind also begrenzt. Deshalb ist es nicht wahrscheinlich, eine vielstellige Ausgabe von solchen Instrumenten zu erhalten.
Es sind Instrumente, die die oben erwähnten Nachteile beseitigen können, vorgeschlagen worden, die kombinierten Gebrauch von einem Räderwerk und einem Kodierer machen, der eine Kodierplatte enthält, die geeignet ist, viele Bits zur selben Zeit zu erhalten.
In jedem solcher neu vorgeschlagenen Instrumente wird die Anzahl der Eingangsumdrehungen nacheinander mit Hilfe eines Raderwerk.es aus Zahnrädarn um ein konstantem Verhältnis herabgesetzt. In Bezug auf jede Stufe des so reduzierten Räderwerkes wird der Winkel jeder Drehung durch einen Kodierer kodiert, welcher fähig ist, eine
Vielzahl von Bits zu erhalten.
Im obigen Fall variiert die Drehzahl der Kodierer, die für die entsprechenden Stufen notwendig sind, abhängig von ihren zugehörigen Übersetzungsverhältnissen in Bezug auf die Zahl der Eingangsumdrehungen.
Angenommen, das übersetzungsverhältnis jeder Stufe sei 1/10. Wenn das Räderwerk drei Stufen enthält, dann betragen die Drehwinkel entsprechend 36° in der ersten Stufe, 3,6° in der zweiten Stufe und 0,36° in der dritten Stufe. Deshalb haben diese Instrumente den Nachteil, daß eine sehr hohe Genauigkeit für die höchsten Stufen erforderlich ist.
Sogar wenn die hohe Genauigkeit für den höchsten Kodierer erreicht werden sollte, kann das Räderwerk, das normale l^aschinengenauigkeit besitzt, Fehler nicht vermeiden, die auftreten, wenn die Drehrichtung umgekehrt wird, z.B.
durch toten Gang oder dergleichen.
Die nachteilige Wirkung solch eines toten Ganges wird direkt zur höchsten Stufe übertragen. Der tote Gang summiert sich, da die Zahnräder in eine höhere Stufe eingreifen, und der so summierte tote Gang spiegelt sich in der höchsten Stufe wider. Deshalb ist sogar dann, wenn die Genauigkeit jedes Kodierers verbessert wird, der Höchstwert einer praktisch zählbaren Umdrehungszahl durch mechanische Ungenauigkeiten, wie ein toter Gang oder ähnliches, begrenzt, solange ein Räderwerk eingesetzt wird.
Die nachteilige Wirkung eines toten Ganges tritt als Hystereseerscheinung eines jeden Rotationskodifi-rerB t-u: wenn seine Drehrichtung umgekehrt wird. Wenn eine solche nachteilige Wirkung entweder vor oder nach einem Übertrag auftritt, wird sie viel schwerwiegender in der höchsten
Stelle als Fehler in Erscheinung treten. Dies ist ein anderer toter Gang der oben vorgeschlagenen Instrumente.
Ferner erhöht sich durch Abnutzung, Abrieb oder dergleichen des Räderwerkes die mechanische Ungenauigkeit, wie toter Gang und ähnliches. Deshalb ist es unmöglich, Stabilität und Betriebssicherheit über eine längere Zeitdauer zu erwarten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den oben erwähnten toten Gang zu beheben, insbesondere die für die Kodierer benötigte Drehzahl ohne Rücksicht auf den Platz der Stellen auf einem konstanten Pegel zu halten, das Ineinandergreifen der Zahnräder bei einer großen Stufenzahl zu erleichtern und folglich den zählbaren Bereich zu erweitern und eine Herabsetzung der Genauigkeit des mechanischen Maschinismus zu erlauben, auch wenn ein Instrument mit Absolutwertmessung, das von einem Räderwerk Gebrauch macht, verwendet wird.
Diese Aufgabe wird bei einer Rotationskodiervorrichtung der eingangs erwähnten Art durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine wirtschaftliche und sehr genaue Rotationskodiervorrichtung eines Typs mit Absolutwertmessung geschaffen wird, die einen großen zählbaren Bereich aufweist, ohne eine extrem hohe Genauigkeit in Bezug auf die berechnete Genauigkeit, die maschinelle Genauigkeit ihrer Zahnräder, die Montagegenauigkeit und dergleichen zu erfordern.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Vorrichtung beständig ist und wegen ihres einfachen Aufbaues keine hohe Genauigkeit bezüglich ihres Mechanismus erfordert.
Daher wird die Meßgenauigkeit durch wechselnde Einflüsse,
die im Laufe der Zeit entstehen können, wie z.B. Abnutzung, Abrieb oder ähnliches, nicht herabgesetzt. Folglich hat die erfindungsgemäße Rotationskodiervorrichtung eine hohe Langzeitstabilität sowie eine hohe Betriebssicherheit.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnuno dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es
zeigen
10
Fig. 1 einen zentralen Längsschnitt durch eine Rotationskodiervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2, in welchem die Abstände zwischen den Zahnradwellen dargelegt sind,
Fig. 4 drei Querschnitte durch die Zahnradanordnung nach Fig. 3, in denen die Zahnräder und Zahnradwellen entlang den Linien X-X, Y-Y und Z-Z geschnitten und auf den Mittellinien ihrer entsprechenden Wel
len angeordnet sind,
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung des Aufbaus eines
Zahnradaggregats U,
30
Fig. 6 ein Zeitdiagramm eines Gray-Binärkodes, der sich
in Übereinstimmung mit der Erfindung ergibt,
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Kodio; ljI
mit der der Gray-Binärkode erhalten wird,
Fig. 8 ein Zeitdiagramm eines gewöhnlichen Binärkodes,
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Kodierplatte, mit der der Binärkode in Fig. 8 erhalten wird, und
Fig. 10 einen Längsschnitt durch einen Malteser-Zahnradmechanismus einer stoßweise arbeitenden Antriebs
einrichtung einer Rotationskodiervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 1 zeigt einen zentralen Längsschnitt durch eine Rotationskodiervorrichtung gemäß dem einen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 2 ist ein Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1, in welchem die Zahnräder als Teilschnitte dargestellt sind.
Ziffer 1 bezeichnet eine scheibenförmige Grundplatte mit einer großen Wandstärke in Längsrichtung der Rotationskodiervorrichtung. Mit Ziffer 2 ist eine scheibenförmige Lagerstütze bezeichnet, die parallel zur Rückseite der Grundplatte 1, nämlich zur Innenwand 1a, mit einigen-!
Abstand zu dieser angeordnet ist.
Die Lagerstütze 2 ist an der Grundplatte 1 mit Hilfe dreier Befestigungsschrauben 4 fest angebracht, während ein gleichbleibender Abstand von der Grundplatte 1 durch Einfügen eines Distanzstückes 3 von zylindrischer Gestalt aufrechterhalten wird, dessen Seitenwand teilweise weggeschnitten ist.
Das Distanzstück 3 paßt mit seinen äußeren und inneren Seitenflächen über die nach außen gewölbten Schultern 1b und 2b, die an der inneren Viand 1a der Grundplatte 1 und der äußeren Oberfläche 2a der Lagerstütze 2 entsprechend angeformt sind, wobei die innere Viand 1a und die äußere Oberfläche 2a sich einander gegenüberliegend erstrecker., so daß das Distanzstück 3 konzentrisch mit der Grundplatte 1 und der Laqerstütze 2 verbunden ist.
Das Distanzstück 3 hat in. radialer Richtung eine gewisse Ausdehnung. Durch das Distanzstück 3 verlaufen Längslöcher 4a, durch die sich die drei Befestigungsschrauben 4 entsprechend erstrecken.
5
Eine Antriebswelle Sg verläuft zentral in Längsrichtung durch die Grundplatte 1 und die Lagerstütze 2. Die Antriebswelle Sq ist durch Kugellager 5 drehbar gelagert, die zentral in der inneren Wand 1a der Grundplatte 1 und der Lagerstütze 2 eingepaßt sind. Die Antriebswelle Sq ist zwischen den Kugellagern 5 mit einem Ritzel Bq mit acht Zähnen versehen.
Der Außendurchmesser des Distanzstückes 3 ist wesentlich kleiner als der Außendurchmesser der Grundplatte 1. Auf diese Weise wird durch ein Gehäuse 14, die innere Viand 1a der Grundplatte 1, die äußere Wand 2a der Lagerstütze 2 und die Umfangsflache des Distanzstückes 3 ein ringförmiger Zahnradraum 6 gebildet, in welchem ein Getriebe mit vielen gegenseitig im Eingriff befindlichen Zahnrädern untergebracht ist.
Eine Zahnradwelle S-] der ersten Stufe, die mit dem Ritzel Bq auf der Antriebswelle Sq im Eingriff gehalten wird, ist in einem weggeschnittenen Teil des Distanzstückes 3 untergebracht. Beide Endstücke der Zahnradwelle S-^ sind durch Kugellager 7 drehbar gelagert, die in der Grundplatte 1 und der Lagerstütze 2 entsprechend eingepaßt sind.
Eine Zahnradwelle S2 der zweiten Stufe ist außerhalb der radialen Richtung mit einem bestimmten Abstand von der Zahnradwelle S-j der ersten Stufe angeordnet. Zahnradwellen S2 bis S-j^ der zweiten bis dreizehnten Stufe sina innerhalb des ringförmigen Zahnradraumes 6 in einem kreisfö _, gen Muster mit gleichbleibendem Abstand in Umfangsrichtung vorgesehen. Beide Endstücke jeder der Zahnradwellen S2 bis S-] 2 sind durch ihre entsprechenden Metallager 8 in der
Grundplatte 1 und der Lagerstütze 2 drehbar gelagert.
Jede der Zahnradwellen S1 bis S13 trägt Zahnräder A, B und C ihres entsprechenden Zahnradaggregates U, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, in einer Weise, wie sie in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist.
In der nachfolgenden Beschreibung und den zugeordneten Zeichnungen sind die der Reihe nach mit den Zahnradwellen S-] bis S^ 3 versehenen Zahnradaggregate durch Angabe ihrer jeweiligen Aggregatnummer als Index bezeichnet, nämlich U1 bis Ug. Auf der anderen Seite sind die zugehörigen Zahnräder A, B und C in jedem Zahnradaggregat in der gleichen Weise bezeichnet.
Das in Fig. 5 gezeigte Zahnradaggregat U besteht aus einem Antriebsrad A, das für einen sich wiederholenden stoßweisen Antrieb von Zahnradwellen Sn+1 und Sn+2 der oberen Stufen aufgrund einer jeden Umdrehung der Antriebswelle Sn der unteren Stufe geeignet ist, ferner aus einem ersten angetriebenen Rad B, das durch das Antriebsrad A stoßweise angetrieben wird und geeignet ist, festgehalten und am Drehen gehindert zu werden, während sich das Antriebsrad A im Leerlauf befindet, und aus einem zweiten angetriebenen Rad C, zu welchem jede Umdrehung des ersten angetriebenen Rades B mit einem Untersetzungsverhältnis von 1/2 übertragen wird.
Das Antriebsrad A ist dadurch hergestellt worden, daß bei einem Stirnrad mit sechzehn Zähnen alle Zähne mit Ausnahme zweier benachbarter Zähne 21 und zweier weiterer benachbarter Zähne 21, die den erstgenannten genau gegenüberliegen, entfernt worden sind. Die Teile, die sich zwischen den gegenüberliegenden Zähnen 21 erstrecker., sin'l als Bogenteile 22a übrig gelassen worden und haben einen Radius, der gleich dem Radius der Nut 22 ist, die entweder durch die ersten oder durch die weiteren zwei Zähne 21
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begrenzt ist. Bogenförmige Rippen 23 hinter den bogenförmigen Teilen 22a haben einen Radius, der gleich der Höhe der Zähne 21 ist, die anschließend vorgesehen sind.
Das erste angetriebene Rad B ist dadurch hergestellt worden, daß die Rückseite jedes zweiten Zahnes 2 4a eines Ritzels mit acht Zähnen bis etwa auf die Hälfte der ursprünglichen Dicke abgeschnitten worden ist. Das zweite angetriebene Rad C ist ein Stirnrad mit sechzehn Zähnen, ähnlich wie das ursprüngliche Antriebsrad A1 bevor seine Zähne entfernt worden sind.
Die acht Zähne des ersten angetriebenen Rades B werden mit den Zähnen 21 in Eingriff gehalten, die paarweise auf der Vorderseite des Antriebsrades A übriggelassen worden sind, während die rückwärtigen Teile der vier dicken Zähne 24 des angetriebenen Rades B in derselben Ebene liegen wie die Rippen 23 des Antriebsrades A. Folglich kann das Antriebsrad A bei jeder Drehung um 180° mit Hilfe der zwei Paare zweier benachbarter Zähne 21 das erste angetriebene Rad B nur um einen Winkel von 4 5° bewegen. Während des Drehbereichs von 135° wird keine Drehung von dem Antriebsrad A zu dem angetriebenen Rad B übertragen.
Im Verlauf des oben erwähnten Bereiches, in dem die Drehung des Antriebsrades A nicht übertragen wird, führen die rückwärtigen Teile der benachbarten zwei Zähne der vier dicken Zähne 24 des ersten angetriebenen Rades B eine gleitende Bewegung durch, während sie mit der Umfangsfläehe einer der Rippen 23 in Berührung gehalten werden, nämlich mit der bogenförmigen Umfangsflache 23a. Auf diese V?eise ist das Antriebsrad A bezüglich des ersten angetriebenen Rades B frei drehbar. Das erste angetriebene Rao I kann sich jedoch weder in der normalen Richtung no-··:
der entgegengesetzten Richtung bezüglich des Antriebsrades A drehen, weil die Oberfläche der benachbarten Zähne 24 mit der Umfangsflache 23a der Rippe 23 in Berührung steht.
Die acht Zähne des ersten angetriebenen Rades B stehen mit dem zweiten angetriebenen Rad C im Eingriff. Jedesmal wenn das erste angetriebene Rad B um einen Winkel von 90° schrittweise angetrieben wird, wird das zweite angetriebene Rad C um einen auf 45° untersetzten Winkel schrittweise gedreht.
Wie oben beschrieben, bewirkt jede volle Umdrehung des Antriebsrades A, daß sich das erste angetriebene Rad B zweimal schrittweise dreht, jedesmal um einen Winkel von 90°, insgesamt also um 180°, d.h. um eine halbe Umdrehung, und daß das zweite angetriebene Rad C sich zweimal schrittweise dreht, jedesmal um einen Winkel von 45°, insgesamt also 90°, d.h. um eine viertel Drehung.
Hier ist der Drehwinkel bei jedem schrittweisen Antrieb des Antriebsrades A 45°. Während dieses Antriebes ergibt sich die Drehung um den Winkel von 45° durch einen geschwindigkeitserhöhenden Antrieb, wobei bewirkt wird, daß das erste angetriebene Rad B sich um einen Winkel von 90° dreht. Da das erste angetriebene Rad B einen geschwindigkeitsverringernden Antrieb bewirkt, da nämlich jede Drehung des ersten angetriebenen Rades B um einen Winkel von 90° das zweite angetriebene Rad C zu einer Drehung um einen Winkel von 45° veranlaßt, entspricht das Übersetzungsverhältnis, das erreicht wird, wenn das zweite angetriebene Rad C durch das Antriebsrad A angetrieben wird, einem Synchronantrieb von 1:1.
Wenn die Zahnradaggregate von vielen Stufen der Reihe nach derart verbunden werden, daß die Zahnradwelle des zweiten angetriebenen Rades C mit dem Antriebsrad A eines Zahnradaggregates U der nachfolgenden Stufe im Eingriff ist, ist das Übersetzungsverhältnis der entsprechenden Zahnrädei und ihrer Wellen der Reihe nach auf die Hälfte reduziert, während die Übersetzungsverhältnisse von Zahnradwellen, die jede mit einem Antriebsrad A und einem zweiten ange-
triebenen Rad C versehen sind, untereinander gleich sind.
In dem Ausführungsbeispiel, das in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, sind sechs Zahnradaggregate U1 bis Ug der Reihe nach in mehreren Stufen auf den Zahnradwellen S1 bis oben beschrieben montiert.
Nebenbei bemerkt ist die Zahnradwelle S^ der ersten Stufe mit einem Stirnrad Cq versehen, das sechzehn Zähne
10· besitzt, ähnlich wie das zweite angetriebene Rad C des Zahnradaggregates U. Das Ritzel Bq der Antriebswelle Sq, das in das Zahnrad Cq eingreift, entspricht dem Teil der acht Zähne des zweiten angetriebenen Rades B in dem Zahnradaggregat U.
In Fig. 3 sind die Zahnradwellen Sq bis S1 3, die in Fig. 2 kreisförmig angeordnet sind, im Schnitt entlang der Linie III-III und in einer Abwicklung entlang einer geraden Linie dargestellt, so daß die Achsen der Zahnradwellen Sq bis S-] 3 darauf liegen. Fig. 3 zeigt klar die Art des Ineinandergreifen der Zahnradaggregate U1 bis Ug und ihre Beziehung zu Ein-Bit-Kodierern, die hinter den Zahnradaggregaten entsprechend angeordnet sind. Die Ein-Bit-Kodierer sind in Verbindung mit Kodierplatten Eq bis E1 3 und Photokopplern Fq bis F1 3 entsprechend zusammengesetzt.
Die Zahnradwellen Sq bis S1 3 erstrecken sich rückwärts durch die Lagerstütze 2. Die Kodierplatten Eq bis E1 3 sind auf den rückwärtigen Endstücken der Zahnradwellen Sq bis S^3 fest montiert. Sie sind an der Spitze geschlossene Kreiszylinder, deren zylindrische Öffnungen nach hinten gerichtet und deren obere Wände an den rückwärtigen Enden der Zahnradwellen Sq bis S1^3 befestigt sind. Die Seitenwänäe der zylindrischen Kodierplatten Eq bis E-, 3 sine halbkreisförmig abgeschnitten, um die Tiefen ihrer offenen Enden anzupassen.
Hinter den Kodierplatten Eq bis E* 3 sind die Photokoppler Fq bis Fq3 entsprechend vorgesehen, die durch Löten ihrer elektrischen Anschlußdrähte auf eine gedruckte Leiterplatte 9 befestigt sind.
5
Die Photokoppler Fq bis F13 sind derart angebracht, daß die verbleibenden halben Seitenwände der zylindrischen Teile der Kodierplatten Eq bis E-j 3 zwischen photoelektrische Übertrager f^, F2 ihrer zugehörigen Photokoppler Fq bis F^2 hindurchpassen, so daß die verbleibenden halben Seitenwände durch die Photoelektrischen Übertrager ermittelt werden.
Die gedruckte Schaltungsplatte 9 ist durch zwei Träger 10 und eine Schraube 11 an der Lagerstütze 2 befestigt, so daß die Vorderfläche der gedruckten Schaltungsplatte 9 mit einem gleichbleibenden Abstand getrennt von der Lagerstütze 2 gehalten wird.
Die elektrischen Anschlüsse der Photokoppler Fq bis F13 auf der gedruckten Schaltungsplatte 9 sind über ein in der Zeichnung nicht dargestelltes bewegliches Kabel mit Anschlußfahnen 12a eines Verbindungssteckers 12 verbunden, der in der Kitte eines scheibenförmigen Deckels 13 befestigt ist, dessen Umfangsflache in dem hinteren Ende des zylindrischen Gehäuses 14 eingepaßt ist. Der Deckel 13 ist mit Senkschrauben 15 an dem Gehäuse 14 befestigt. Die Grundplatte 1 ist innen in die Frontseite des Gehäuses 14 eingepaßt und durch Senkschrauben 16 an diesem befestigt.
Dichtungen 17, 18, 19, 20 dienen dem Feuchtigkeits-, VJasser- und Explosionsschutz.
Fig. 4 zeigt die Querschnitte der Zahnräder und Zahnradwellen entlang der Linien X-X, Y-Y und Z-Z der Fig. 3, in welchen die Zahnräder auf den Achsen ihrer zugehörigen VJellen S0 bis S13 entsprechend angeordnet sind.
In Fig. 4 sind die Kodierplatten Eq bis E13 der Einfachheit halber durch Darstellen ihrer zylindrischen Teile erläutert, die ausgeschnittene Teile, wie zweidimensional ausgedehnte Flügelformen, enthalten. Andererseits sind die photoelektrischen Verbindungen der Photokoppler F0 bis F-, 3 durch Kreise dargestellt.
In den Figuren 2, 3 und 4 sind die Zahnräder in einer?. Betriebszustand gezeigt, in dem sich alle im Eingriff befinden, so daß auch die Zahnradwelle S13 mit der höchsten Indexzahl angetrieben wird. Die Stellungen der Kodierplatten Eq bis E1 3 nach Abschluß ihrer Bewegungen in diesem Betriebszustand sind auf der Linie Z'-Z1 in Fig. 4 dargestellt.
Die Zahnradaggregate U1 bis U6 bewirken, daß die ersten angetriebenen Räder B1 bis Bg sich zweimal schrittweise drehen, jedesmal um einen Winkel von 90°, also um einen Gesamtwinkel von 180° bei jeder einzelnen vollen Umdrehung der Antriebsräder A1 bis Ag. Zu derselben Zeit bewirken die Antriebsräder A1 bis Ag, daß die zweiten angetriebenen Räder C1 bis Cg sich zweimal um einen Winkel von 45° drehen, insgesamt also um einen Winkel von 90°.
»vie in Fig. 4 dargestellt, sind die Zahnradwellen für den Fall, daß alle Zahnräder in Eingriff gebracht sind und von der Antriebswelle Sq angetrieben werden, in solch einer Weise verbunden, daß ihre Drehzahlen bezüglich ihrer jeweils vorgeschalteten Wellen der Reihe nach ab Welle S1 1/2 untersetzt, zweimal übersetzt, 1/2 untersetzt, usw. sind.
Wie oben beschrieben, drehen sich die wechselweise entsprechenden Zahnräder A1 bis Ag, B1 bis Lr und C1 οίε Cg in den Zahnradaggregaten U1 bis Ug jeweils mit den gleichen Drehzahlen. Das Ritzel B0 der Antriebswelle Sq entspricht den Wellen B1 bis Bg, v/ährend das Zahnrad Cq,
das mit dem Ritzel Bg im Eingriff ist, den Zahnrädern C1 bis Cg entspricht.
Wie oben erwähnt, sind die Zahnräder A2 bis Ag, die gleichbedeutend mit dem Antriebsrad A des Zahnradaggregates U sind, und die Zahnräder C1 bis C^, die gleichbedeutend mit dem zweiten angetriebenen Rad C sind, der Reihe nach auf den gemeinsamen Zahnradwellen S2, S3, ..., S_ in derartigen Kombinationen fest montiert wie die Zahnräder A2 und C1, A3 und C2, ...... Ag und C5. Deshalb drehen sie sich offensichtlich mit derselben Drehzahl.
Fig. 4 zeigt die Verhältnisse bezüglich der Stellungen zwischen den Kodierplatten Eq bis E13 und den Photokopplern Fq bis F13 in der obigen Antriebsperiode. Die Kodierplatten Eq bis E13 haben eine derart abgeschnittene Form, daß ein Gray-Binärkode erhalten wird. Bezüglich eines solchen Gray-Binärkodes sind alle Zahnräder miteinander im Eingriff, wenn die höchste - die dreizehnte Binärstelle angesteuert wird.
Die Phasen der Kodierplatten Eq bis E13, die auf der Linie Z'-Z1 der Fig. 4 dargestellt sind, sind sofort in ihrem stabilen Zustand, nachdem der obige Verlauf vollständig ist, der Antrieb der Zahnräder beendet ist und die Bits die höchste Stelle erreicht haben.
Eine unstabile Periode, in der die Kodierplatten Eq bis E13 sich drehen oder als Kodierer dienen, entspricht immer einem gleichbleibenden Winkel, d.h. 90° in Form eines sich drehenden Winkels der Antriebswelle Sq, gesehen aus der Richtung der Welle irgend einer Binärstelle. Dieser Drehwinkel von 90° ist gleich einem Viertel einer quantisierten Einhei ':.. wenn eine volle Eingangsumdrehung als t-·■ r ■:,
35quantisierte Einheit (1 Binärstelle) ausgedrückt wird.
Ferner kann die Umdrehung jedes der Kodierer, die aus den
344234b
Kodierplatten Eq bis E1 3 und .den entsprechenden Photokopplern F0 bis F13 bestehen, auf die Umdrehung untersetzt werden, die zu dem ersten angetriebenen Rad B des Zahnradaggregates U gehört, das mit dem zweiten angetriebenen Rad C (oder dem Antriebsrad A) verbunden ist. Da der schrittweise Winkelvorschub des ersten angetriebenen Rades B und des zweiten angetriebenen Rades C 90° bzw. 45° beträgt, ist die Umdrehung des Kodierers durch das angetriebene Rad C im ungünstigsten Fall auf 45° begrenzt.
Diese Umdrehung von 45° ist jedoch immer gleichbleibend völlig unerheblich für die Zahl der Binärstellen und die Plätze der Stellen in der vorliegenden Anwendungsform. Außerdem ist dieser ungünstigste Fall von 45° solch eine T 5 kleine Umdrehung, die für herkömmliche Kodierer nicht erlaubt war und die genug Toleranzen zuläßt, um die Herstellung von Kodierern zu erleichtern.
Der Gray-Binärkode hat solch ein Bitmuster, daß jedesmal ein Wechsel in jeder Binärstelle erscheint, wenn in der einzelnen Binärstelle die "2" gezählt wird, wie in dem Zeitdiagramm in Fig. 6 dargestellt ist. Folglich ist jede der Kodierplatten Eq bis E13 durch Abschneiden einer Hälfte ihrer zylindrischen Seitenwände gebildet, wie in Fig. 7 schematisch gezeichnet ist, so daß sie 90° zweimal zählen kann, indem sie 90° als eine quantisierte Einheit nimmt, und kann so einen Wechsel in dem Ausgangssignal ihres entsprechenden einen der Photokoppler Fq bis F13 bei jeder 180°-Drehung erzeugen.
Fig. 8 zeigt das Zeitdiagramm eines gewöhnlichen Binärkodes. Um ein solches Bitmuster zu erhalten, ist es notwendig, die Kodierplatten in eine Gestalt umzuformen, wie sie die Kodierplatte E1 aufweist, die in Fig. 9 sche-
35matisch dargestellt ist. Die Kodierplatte E1 hat abgeschnittene Teile von jeweils 90°.
Wenn die Kodierplatten Eq bis E1 3 in ihrem Anfangszustand unter dem Gray-Binärkode sind, z.B. wenn die "0" gezählt wird, werden die Kodierplatten E1 2 un(ä E-j-j, die den zwei höchsten Binärstellen entsprechen, mit Phasen registriert, die denen der Kodierplatten Eq bis E11 ähnlich sind, die andere als die sind, die den zwei höchsten Binärstellen entsprechen. Die Kodierplatten Eq bis E-, 3 sind auf der Linie Z1-Z' in Fig. 4 gezeigt.
Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, befindet sich der Gray-Binärkode direkt vor dem Fortschreiten zu dem Schritt, der neben einem Schritt liegt, zu welchem die nachstniedrigere Binärstelle in dem Zeitpunkt unmittelbar vor Ausführung des Übertrags, der eine Zustandsänderung in der höheren Binärstelle hervorbringt, übertragen worden ist. Alle niedrigeren Binärstellen als die oben erwähnte Stelle befinden sich in dem Zeitpunkt unmittelbar vor dem Fortschreiten zum Anfangszustand.
Hinsichtlich der Kodierplatten Eq bis E13 auf der Linie Z'-Z1, in der die Zahnradwelle S1J, die der höchsten Binärstelle entspricht, einen Übertrag ausgeführt hat, sind die Kodierplatten E0 bis E-] 2' die Binärstellen entsprechen, die niedriger sind als die zwei höchsten, dazu bestimmt, den Anfangszustand anzuzeigen. Die Drehphasen der Kodierplatten EQ bis E13 werden in Übereinstimmung mit der Beziehung zwischen ihren abgeschnittenen Teilen und den photoelektrischen Wandlern f 1 , f2 der Photokoppler Fq bis F13 festgelegt.
Die Beschreibung ist prinzipiell auf der Grundlage der Figuren 3 und 4 erstellt worden. In dem speziellen Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2 sind die Zahnraawellen Sq bis S13 nicht entlang einer geraden Linie angeordnet, sondern sie sind zu einer kreisförmigen Anordnung qeboaen.
Deshalb ist es notwendig, geeignete Versatzwinkel für das Ineinandergreifen der Zahnradaggregate U1 bis Ug vorzusehen. Wenn z.B. die Zahnradwelle S13, die der höchsten Binärstelle entspricht, angetrieben wird, ist es wünschenswert, daß alle Zahnräder gleichzeitig in derselben Phase ineinandergreifen, wie in Fig. 4 dargestellt ist.
Die Zahnräder sind jedoch derart angeordnet, daß sie so wenig wie möglich Raum beanspruchen und alle in dem Zahnradraum 6 eingeschlossen sind. Deshalb ist die Anordnung der Zahnradwellen S0 bis S13 nicht linear, sondern sie ist zu einer Kreisform gebogen.
Beim Montieren der Antriebsräder A und der zweiten angetriebenen Räder C auf ihre zugehörigen Zahnradwellen an der Verbindung der Zahnradaggregate U1 bis Ug wird der Versatzwinkel zwischen jedem Antriebsrad A und seinem entsprechenden angetriebenen Rad C gleich dem VJinkel festgelegt, der an einer Welle Sn durch zwei Linien gebildet wird, wobei die eine Linie die Mitte einer Welle Sn mit der Mitte ihrer zugehörigen niedrigeren Welle Sn-1 und die andere Linie die Mitte der Welle Sn mit der Mitte ihrer zugehörigen höheren Welle Sp+1 verbindet.
In dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine passende Anzahl von Zähnen von den Stirnrädern entfernt worden, um die Mittel für den schrittweisen Antrieb herzustellen. Ähnliche Funktionseffekte können durch Verwendung eines maltesischen Zahnradrnechnismus erzielt werden.
Fig. 10 zpint das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ' .... .. olchen maltesischen Zahnradrr.echanismus Gebrauch macht. In dem dargestellten Beispiel sind nur die Zahnradmechanismen für den sehrittweisen Antrieb einiger Stufen gezeigt.
Ein maltesisches Zahnradaggregat üa ist auf einem Antriebsrad A3 angebracht, das zwei in axialer Richtung sich ausdehnende Greifstifte 31 aufweist, die in zueinander entgegengesetzte Richtungen zeigen. Ein angetriebenes Rad Ea enthält vier radial verlaufende Greifschlitze 32, die jeweils Winkel von 90° einschließen und die vorgesehen sind, um in Eingriff mit den Greifstiften 31 gebracht zu werden.
Falls der obige maltesische Zahnradmechanismus mit vier Greifstiften mit einem Winkel von 90° zueinander ausgestattet wird, entsteht ein herkömmlicher maltesischer Zahnradmechanismus. In diesem herkömmlichen Mechanismus werden die Umdrehungen der Welle des Antriebsrades Aa schrittweise mit einem Winkel von 90° übertragen. Mit anderen Worten, der Mechanismus bewirkt einen derartigen schrittweisen Antrieb, daß die Drehzahl sich exponentiell ändert. Auf diese Weise ändert sich das Übersetzungsverhältnis nicht.
Wenn zwei gegenüberliegende Greifstifte von den vier Greifstiften entfernt und die verbleibenden zwei Greifstifte als die Greifstifte 31 verwendet werden, fällt der sich ergebende maltesische Zahnradmechnismus in den Bereich der Erfindung. In diesem Fall enthält jede volle Umdrehung des Antriebsrades A zwei LeerlaufPerioden, jede über einen Winkel von 90°. Das Übersetzungsverhältnis der Umdrehung zu dem angetriebenen Rad B3 ist 1/2.
Kenn viele solcher maltesischen Zahnradaggregate Ua in einer Vielzahl von Stufen verbunden sind, werden die höheren Aggregate schrittweise angetrieben, während ihre Drehzahlen der Reihe nach reduziert werden, und zwar 1/2 mal 1/2 usv.T. Ferner steigt die ümdrehungs-Übertragungsgeschwindigkeit nahe der Mitte aller 90°-Bereiche, in denen die Zahnradaggregate angetrieben werden, steil an.
Die Art der Übertragung .der Umdrehungen der Wellen ist sehr ähnlich der Art, die durch die oben beschriebenen Stirnräder mit einigen ihrer entfernten Zähne erreicht wird.
5
Wenn maltesische Zahnradaggregate Ua ausschließlich in einer Vielzahl von Stufen, wie in Fig. 10 beschrieben, verbunden sind und alle Stufen sich im Eingriff befinden, wird der Effekt der Geschwindigkeitserhöhung übertragen, wobei er in jeder Stufe vergrößert wird.
Um eine solche Vergrößerung zu vermeiden, können andere Zahnradaggregate in derselben Weise, wie im ersten Ausführunsbeispiel gezeigt, eingefügt werden. Die Vergrößerung IS der Drehzahl kann nämlich durch Einfügen eines anderen Zahnradaggregates zwischen je zwei maltesische Zahnradaggregate Ua vermindert werden, wobei die Drehzahl und das Übersetzungsverhältnis auf 1/2 herabgesetzt werden können.
Das oben erwähnte Zahnradaggregat, das geeignet ist, das Übersetzungsverhältnis herabzusetzen, entspricht dem zweiten angetriebenen Rad des Zahnradaggregates U im ersten Ausführugsbeispiel.
Nockenförmige, konvex gebogene Flächen 33, die an der Seite der Greifstifte 31 des Antriebsrades Aa des maltesischen Zahnradaggregates U angeformt sind, dienen als Widerlager gegen konkav gebogene Flächen 34, die zwischen den Greifschlitzen 32 des angetriebenen Rades Ba angeformt
sind, wodurch die freie Drehung des angetriebenen Rades B„ während des Leerlaufs des Antriebsrades A3 verhindert wird. Andererseits dienen konkav gebogene Flächen 35 zwischen den convex gebogenen Flächen 33 als Entlastungen der spitzen Endstücke des angetriebenen Races B , wobei clie spitzen Endstücke die Greif schlitze 32 begrenzen.
Die 1-Bit-Kodierer, die aus den Kodierplatten Eq bis E, ^
24 3442341
und den Photokopplern Fq bis F-, 3 bestehen, wie in Fig. 1 gezeigt, geben einen Gray-Binärkode rait vierzehn Bits ab, die den Speicherplätzen der Binärstellen der Zahnradwellen Sq bis S-, 3 entsprechen.
5
Wenn jedoch eine quantisierte Einheit einer einzigen vollen Umdrehung der Antriebswelle Sq gleichgesetzt wird, dann entspricht die Zahnradwelle S1 der ersten Stufe einen Bit einer einzigen vollen Umdrehung. Deshalb ist es möglich, 213 = 8192 Umdrehungen durch einen 13-Bit-Binärkode auszumessen. Tatsächlich hat der 13-Bit-Binarkode eine effektiv meßbare Drehzahl von 2 = 16384, eingeschlossen das Bit der niedrigsten halben Umdrehung.
Ein anderer vorteilhafter Effekt der Erfindung ist, daß die Drehung, die im ungünstigsten Fall für den Kodierer benötigt wird, aus einen konstanten Wert gesetzt ist, z.B. auf 4 5°, wie oben erwähnt. Theoretisch ist es auf diese 'Weise möglich, einen Kodierer zu erhalten, der eine unbe-
2C grenzte Bit-Zahl hat.
Im aktuellen Fall ist es jedoch notwendig, jedes Eingangsdrehmoment so zu erhöhen, wie die Zahl der Stufen ansteigt, weil es Widerstände gibt, die von den Zahnrad-
^i) wellen hervorgerufen werden, durch Fehlanpassung des Ineinandergreifens der Zahnräder entstehen, usw. Dennoch ist es jedoch möglich, mühelos praktische Kodierer mit bis zu zwanzig Bits mit üblicher Maschinengenauigkeit herzustellen.
Da die Kodierer, die der Reihe nach mit den Zahnradwellen Sq bis S-j ~ gekoppelt sine, eine beträchtlich geringe Auflösung haben können, ist es möglich, reflektierende photoelektrische Schalter, elektromagnetische kontaktlese
3-ri Schalter, hochfrequente kontaktlose Schalter oder Zungenschalter zu verwenden, ferner die photoelektrischen Sperrschalter, bestehend aus den Kodierplatten En bis E^ und
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den Photokopplern Fq bis F-j , in den obigen Ausführungsbeispielen. Es können gleichfalls auch llikroschalter oder Kontaktschalter verwendet werden.
Als ein anderes Beispiel von photoelektrischen Sperrschaltern kennen Zweiwege-Glasfaserleitungen als Zuführungsleitungen für Daten verwendet v/erden, und das Zusammenfügen der Zweiwege-Glasfaserleitungen erfolgt an den photoelektrischen Wandlern f^, f2 der Photokoppler F in Fig. 1 . Das
TO schafft einen explosionsgeschützten Kodierer von hohem Standard, der keine elektrischen Drähte enthält. Es kann vorteilhaft zum Kontrollieren des Öffnens oder Schließens von Ventilen in chemischen Anlagen oder dergleichen verwendet werden.
Nachdem nun die Erfindung vollständig beschrieben worden ist, wird es einem Durchschnittsfachmann ersichtlich, daß viele Veränderungen daran gemacht werden können, ohne von dem Erfindungsgedanken, wie er hierin beschrieben ist, abzuv.'eichen.

Claims (11)

PATENTANSPRÜCHE
1. Rotationskodiervorrichtung mit einem Räderwerk aus ineinandergreifenden Zahnrädern (A, Aa, A-j bis Ag, B...., C....) in einer Vielzahl von Stufen, urr: der Reihe nach die Drehzahl zu untersetzen, und mit Kodierern, die in 5 gewünschten Stufen mit den Zahnradwellen (Sq bis S1^) versehen sind, um die Zahl der Umdrehungen einer Antriebswelle (Sq) zu zählen,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Antriebsrad (A, A
bis Ag) und sein zugehöriges ange
triebenes Rad (B, Ba, B1 bis Bg) zweier gewünschter Stufen
des Zahnräderwerks in eine solche schrittweise arbeitende Vorschubeinrichtung umgeformt sind, die einen Leerlauf des Antriebsrades (A, A3, A1 bis Ag) gestattet, indem geeignete Teilstücke der ineinandergreifenden Teile mindestens eines der Räder, des Antriebsrades (A, Aa, A1 bis Ag) oder des angetriebenen Rades (B, B3, B1 bis Bg), in Übereinstimmung mit dem Übersetzungsverhältnis der Drehzahlen zwischen den gewünschten zwei Stufen weggeschnitten sind.
2. Rotationskodiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsrad (A, A1 bis Ag) und das angetriebene Rad (B, B1 bis Bg) der schrittweise arbeitenden Vorschubeinrichtung Stirnräder sind, daß die Anzahl der Zähne des Antriebsrades (A, A1 bis Ag) größer festgelegt ist als die des angetriebenen Rades (B, B1 bis Bg) und daß eine geeignete Anzahl der Zähne des Antriebsrades (A, A1 bis Ag) entfernt sind, um das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Antriebsrad (A, A1 bis Ag) und dem angetriebenen Rad (B, B1 bis Bg) wie gewünscht herabzusetzen.
3. Rotationskodiervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ursprüngliche Anzahl von Zähnen des Stirnrades, wie des Antriebsrades (h, A1 bis Ag) der schrittweise arbeitenden Vorschubeinrichtung, 16 ist, daß die Anzahl der Zähne des angetriebenen Rades (B, B1 bis Bg) 8 ist, daß die Zähne des Antriebsrades (A, A1 bis Ag) mit Ausnahme zweier benachbarter Zähne (21) und zweier weiterer benachbarter Zähne (21), die den erstgenannten genau gegenüberliegen, entfernt sind und daß so die schrittweise arbeitende Vorschubeinrichtung ein Verhältnis der Anzahl der Zähne von 4:8 hat, um ein Drehzahlübersetzungsverhältnis von 1/2 zu erzielen.
4. Rotationskodiervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rippe (23) mit einem Radius, der gleich der Höhe der verbliebenen Zähne (21) des Antriebsrades (A, A1 bis Ag) der schrittweise arbeitenden Vor-
schubeinrichtung ist, an einer Seite der verbliebenen Zähne (21) des Antriebsrades (A, A1 bis Ag) vorgesehen ist, wobei die Nuten (22) zwischen den verbliebenen Zähnen (21) des Antriebsrades (A, A1 bis Ag) geblieben sind wie sie sind, daß jeder zweite Zahn (24a) des angetriebenen Rades (B, B1 bis Bg) teilweise weggeschnitten ist, um die entsprechenden Zähne (24a) zu verschmälern, und daß die beschnittenen Teile der Zähne mit der Rippe (23) in Eingriff gebracht werden, um dabei das Antriebsrad (A, A1 bis A6) und das angetriebene Rad (B, B1 bis Bg) miteinander zu verschränken, während das Antriebsrad (A, A1 bis Ag) sich im Leerlauf befindet.
5. Rotationskodiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsrad (Aa) und das angetriebene Rad (B_) der schrittweise arbeitenden Antriebseinrichtung einen maltesischen Zahnradmechanismus darstellen, daß eine geeignete Anzahl von Greifstiften (31) des Antriebsrades (A.) des maltesischen Zahnradmechanismus
ei
entfernt sind, um die Anzahl der verbliebenen Greifstifte
(31) kleiner zu machen als die Anzahl der Greifschlitze
(32) des angetriebenen Rades <B a)f so daß sich mit dein Verhältnis zwischen der Anzahl der verbliebenen Greifstifte (31) und der Anzahl der Greifschlitze (32) ein gewünschtes Übersetzungsverhältnis ergibt.
6. Rotationskodiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das angetriebene Rad (B, B1 bis Bg) der schrittweise arbeitenden Vorschubeinrichtung oder die Welle (Sn+1, S2, S^, ..., S12) des angetriebenen Rades (B, B1 bis Bg) mit der Welle (Sn+2/ S0, S5, ..., S13) öer nächsthöheren Stufe durch ein Stirnrad (C, C1 bis Cg) verbunden ist, das geeignet ist, ein qewünschtes Übersetzungsverhältnis zu bewirken.
7. Rotationskodiervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das angetriebene Rad (B, B1 bis Bg) der schrittweise arbeitenden Vorschubeinrichtung 8 Zähne und sein zugehöriges Stirnrad (C, C1 bis Cg) in der nächsthöheren Stufe 16 Zähne hat, wobei sich ein Überset-Zungsverhältnis von 1/2 ergibt.
8. Rotationskodiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ein-Bit-Kodierer an der Zahnradwelle (S0 bis S13) jeder Stufe des Räderwerkes mehrstufig ineinandergreifender Zahnräder vorgesehen ist.
9. Rotationskodiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ein-Bit-Kodierer, passend zu jeder Zahnradwelle (Sq bis S13), aus einer Kodierplatte (Eq bis E13) mit einem unter einem geeigneten Winkel weggeschnittenen Teil und einem Photokoppler (Fq bis F-] 3) hergestellt ist.
10. Rotationskodiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ein-Bit-Kodierer, passend zu jeder Zahnradwelle (SQ bis S13), aus einer Kodierplatte (Eq bis E13) mit einem unter einem geeigneten Winkel weggeschnittenen Teil und einer optischen Glasfaserleitung hergestellt ist, die so angeordnet ist, daß sie an die Kodierplatte (Eq bis E13) angrenzt, so daß der optische Pfad dorthin geöffnet und gesperrt werden kann.
11. Rotationskodiervorrichtung nach einem der Ansprüche BO 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnradwellen (S1 bis S13) des Räderwerkes mehrstufig ineinandergreifender Zahnräder kreisförmig um die Antriebswelle (Sq) angeordnet sind.
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