DE3716465A1 - Opto-elektrische drehwinkel-messvorrichtung - Google Patents
Opto-elektrische drehwinkel-messvorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine opto-elektrische
Drehwinkel-Meßvorrichtung, die einen drehbaren Träger
mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Spur von Mar
kierungselementen und eine feststehende Abtastvorrich
tung mit einer Strahlungssende- und -empfangseinrich
tung und zwei Kanälen für zwei um 90 elektrische Grade
versetzte Abtastsignale aufweist.
Bei einer bekannten Drehwinkel-Meßvorrichtung dieser
Art ("Technical Data" der Firma Hewlett Packard, Januar
1986, Seiten 1-21 und 1-22) wird eine geschlitzte Co
dierscheibe verwendet, deren Spur im Strahlengang zwi
schen Strahlungssender und Strahlungsempfänger angeord
net ist. Als Sender dienen Leuchtdioden (LED) und als
Empfänger Fotodioden. In zwei Kanälen werden um 90 elek
trische Grade phasenverschobene Signale, sogenannte Qua
dratursignale, gewonnen. Mit ihnen lassen sich nicht
nur Drehwinkeländerungen und davon abhängige Größen,
wie Winkelgeschwindigkeit, Umdrehungszahl u.dgl. bestim
men, sondern auch die jeweilige Drehrichtung.
Bei einer solchen Meßvorrichtung bereitet die Justierung
erhebliche Schwierigkeiten. Denn es müssen nicht nur
Sender und Empfänger für einen jeden Kanal miteinander
ausgerichtet werden, sondern die beiden Sende- und Em
pfangseinrichtungen müssen auch untereinander ausgerich
tet werden. Mangelnde Ausrichtung führt zu ungenauen
Messungen und daher zu einer schlechten Auflösung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehwin
kel-Meßvorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzu
geben, die eine einfachere Justierung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
die Markierungselemente ein gegenüber der Trägeroberflä
che unterschiedliches Reflexionsverhalten haben, daß
die Abtastvorrichtung zwei Lichtleiter aufweist, deren
Abtastende der Spur benachbart ist und deren anderes
Ende mit der Sende- und Empfangseinrichtung verbunden
ist, und daß die Abtastenden in einem gemeinsamen Halter
derart angeordnet sind, daß sie in Drehrichtung des Trä
gers einen Mittenabstand haben, der gleich 50% der
Breite der Markierungselemente bzw. ihres gleich großen
Abstandes ist.
Wegen der Ausnutzung des unterschiedlichen Reflexions
verhaltens kann man ein und denselben optischen Licht
leiter für die Zuleitung der vom Sender ausgehenden Pri
mär-Lichtstrahlung und für die Rückleitung der reflek
tierten Sekundär-Lichtstrahlung zum Empfänger ausnutzen.
Es ist daher nicht erforderlich, für jeden Kanal einen
Sender und einen Empfänger miteinander auszurichten.
Da die Abtastenden in einem gemeinsamen Halter angeord
net sind, in dem sie eine definierte Lage zueinander
haben, reduziert sich der Justiervorgang auf das richti
ge Einsetzen des Halters. Dies läßt sich mit hoher Ge
nauigkeit durchführen. Hinzu kommt, daß die Lichtleiter
mit sehr kleinem Querschnitt ausgeführt und mit sehr
geringem Abstand von der Spur angeordnet werden können.
Dies führt zu Signalen mit steilen Flanken. Daher kann
man die Markierungselemente in geringerem Abstand als
bisher nebeneinander anordnen und dadurch eine höhere
Winkelauflösung erzielen.
Vorzugsweise wird der Halter durch ein Rohr gebil
det, das die Abtastenden beider Lichtleiter aufnimmt.
Ein solches Rohr läßt sich leicht handhaben. Es schützt
die Lichtleiter. Diese lassen sich auch leicht im Rohr
fixieren, beispielsweise durch Einfüllen einer Gieß
masse.
Man kann dafür sorgen, daß die Abtastenden im Rohr einen
Mittenabstand haben, der gleich der halben Breite der
Markierungselemente ist. Dann ist beim Einbau lediglich
darauf zu achten, daß die Achsen der beiden Lichtleiter
genau in Drehrichtung des Trägers aufeinanderfolgen.
Eine in der Praxis bevorzugte Alternative besteht darin,
daß die Mitten der Abtastenden der Lichtleiter im Rohr
einen größeren Abstand voneinander haben als 50% der
Breite der Markierungselemente und daß das Rohr drehbar
in einer Aufnahmeöffnung angeordnet ist. Dadurch, daß
bewußt ein größerer Mittenabstand gewählt wird, kommt
es nicht mehr auf eine große Herstellungsgenauigkeit
an. Vielmehr erfolgt die Justierung einfach dadurch,
daß das Rohr so weit in seiner Aufnahmeöffnung gedreht
wird, bis die beiden Signale die gewünschte Phasenver
setzung von 90° elektrisch besitzen.
In weiterer Ausgestaltung kann das Rohr mit den aufge
nommenen Lichtleitern biegbar sein. Es wird dann in die
Aufnahmeöffnung gesteckt und kann außerhalb dieser Öff
nung auf beliebige Art zur eigentlichen Sende- und Em
pfangseinrichtung geführt werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist dafür ge
sorgt, daß der Träger durch einen in einem Lager abge
stützten Rotationsteil einer Maschine gebildet ist, der
gemeinsame Halter gehäusefest gehalten ist und sich die
Spur und der Halter im Lagerbereich befinden. Dadurch,
daß die Meßvorrichtung in der Maschine integriert ist,
ergeben sich erhebliche Platz- und Kostenvorteile. Ab
tastenden und Spur erhalten eine außerordentlich genaue
Zuordnung zueinander, so daß keine Signalfehler durch
Schwingungen oder andere Relativbewegungen zwischen Ab
tastende und Spur entstehen. Hierdurch wird die Meßge
nauigkeit noch weiter erhöht.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der
Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbei
spiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Rotationsmaschine im Teillängsschnitt mit
einer Drehwinkel-Meßvorrichtung gemäß der Erfin
dung,
Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform der Abtastvor
richtung,
Fig. 3 einen Querschnitt durch ein zwei Lichtleiter ent
haltendes Rohr,
Fig. 4 eine Abwandlung des Querschnitts der Fig. 3,
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Spur mit den Abtast
enden zweier Lichtleiter,
Fig. 6 eine Darstellung der beiden das Quadratursignal
ergebenden Signale,
Fig. 7 eine schematische Darstellung der opto-elektri
schen Drehwinkel-Meßvorrichtung mit zwei Licht
leitern,
Fig. 8 eine Teildarstellung einer Alternative hierzu
und
Fig. 9 eine Teildarstellung einer weiteren Ausführungs
form.
Fig. 1 zeigt einen Teil einer Rotationsmaschine 1 in
Form einer innenachsigen, hydraulischen Kreiskolbenma
schine, insbesondere eines Motors, wie sie sich aus
DE-PS 29 10 831 ergibt. In der Bohrung 2 eines Gehäuses
3 ist ein Drehschieber 4 gleitend gelagert. Der Dreh
schieber ist einerseits mit einer Hauptwelle 5 verbunden
und andererseits über eine Verzahnung 6 mit einer nicht
veranschaulichten Gelenkwelle gekuppelt, die eine An
triebsverbindung zum Kreiskolben herstellt. Mit Hilfe
von Steueröffnungen im Drehschieber 4 und in der Gehäu
sebohrung 2 werden die sich vergrößernden und verklei
nernden Verdrängerkammern des Motors sinnrichtig gefüllt
und entleert. Der Drehschieber 4 bildet mit der Gehäuse
bohrung 2 ein Gleitlager 8. Stirnseitig wird der Dreh
schieber 4 von einem axialen Wälzlager 9 abgestützt und
mittels einer Ringdichtung 10 abgedichtet.
Eine Drehwinkel-Meßvorrichtung 11 weist an der Oberflä
che 12 des Drehschiebers 4 eine Spur 13 von im Abstand
angeordneten Markierungselementen 14 auf. Ein als Halter
dienendes Rohr 15 ist in einer Gehäusebohrung 16 klem
mend, aber wie durch den Pfeil 17 angedeutet - drehbar
eingesetzt. Im Rohr 15 befinden sich zwei Lichtleiter
18 und 19, deren Abtastenden 20 der Spur 13 unmittelbar
benachbart sind. Die Lichtleiter bilden den Teil einer
Abtastvorrichtung 21, die außerdem eine Strahlungssende
und Empfangseinrichtung 22 aufweist. Dieser Einrichtung
wird über ein Kabel 23 Energie zugeführt. Umgekehrt wer
den über dieses Kabel zwei Drehwinkelsignale abgegeben,
die aus dem unterschiedlichen Reflexionsverhalten von
Oberfläche 12 und Markierung 14 entstehen.
Die Abtastenden 20 stehen der Spur 13 mit minimalem Ab
stand, also im Rahmen der Passung des Gleitlagers 8,
gegenüber, so daß sich sehr genaue Messungen ergeben.
Die Lichtleiter 18 und 19 können als Glasstäbe oder in
üblicher Weise als optische Fasern ausgebildet sein,
die einen Kern aus lichtleitendem Material und eine Hül
le mit kleinerem Brechungsindex als der Kern aufweisen.
Als Licht kommt nicht nur sichtbares Licht in Betracht,
sondern auch unsichtbares Licht, wie UV- und IR-Strah
lung.
In Fig. 2 ist in einer abgewandelten Ausführungsform
veranschaulicht, daß das Gehäuse 103 der Rotationsma
schine außen eine Axialnut 124 besitzt. Das Rohr 115
mit den beiden Lichtleitern 118 und 119 ist in die Ge
häusebohrung 116 so weit eingeführt worden, daß das Ab
tastende 120 mit der Gehäusebohrung 102 fluchtet. Nach
dem Justieren durch Drehen in Richtung des Pfeiles 17
ist das Rohr 115 umgebogen und in die Nut 124 gelegt
worden. Dies führt einerseits zur Sicherung der beim
Justieren erzielten Drehwinkellage und andererseits da
zu, daß das Rohr platzsparend verlegt wird, wenn sich
die Sende- und Empfangseinrichtung nicht in unmittelba
rer Nähe der Gehäusebohrung 116 befindet. Falls der ver
anschaulichte Biegeradius zu klein sein sollte, so daß
die Lichtleiter brechen, kann man ihn auch größer wäh
len, beispielsweise 30 mm und mehr. Man kann statt der
Biegung auch eine optische Anordnung zum Abknicken der
Lichtstrahlen an der Außenseite des Gehäuses 103 ver
wenden.
In Fig. 3 ist ein Rohr 15 a mit den beiden Lichtleitern
18 a und 19 a veranschaulicht. Die Lichtleiter sind durch
eine Gießmasse 25 im Rohr fixiert. Ihr Mittenabstand
ist gleich der halben Breite b eines Markierungselements
14. Die Breite b ist ihrerseits gleich dem Abstand a
zwischen benachbarten Markierungselementen. Ein solches
Rohr 15 a muß derart in die Gehäusebohrung 16 eingesetzt
werden, daß die beiden Abtastenden der Lichtleiter in
Umfangsrichtung miteinander fluchten.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 sind in ein Rohr
15 b wiederum zwei Lichtleiter 18 b und 19 b eingesetzt.
Die Abtastenden der Lichtleiter haben aber einen größe
ren Mittenabstand als die Lichtleiter 18 a und 19 a in
Fig. 3.
Wie Fig. 5 zeigt, kann man durch entsprechendes Drehen
des Rohres 15 b eine Justierung erreichen, bei der die
Mitten der Lichtleiter-Abtastenden in Drehrichtung um
die halbe Breite b bzw. den halben Abstand a versetzt
sind. Die richtige Einbaulage kann man beispielsweise
dadurch bestimmen, daß die über das Kabel 23 abgenomme
nen Drehwinkelsignale beobachtet werden und das Rohr
dann solange verdreht wird, bis die Phasenverschiebung
von 90° elektrisch erreicht ist.
Man erhält dann gemäß Fig. 6 in zwei Kanälen die Signale
K 1 und K 2. Über der Zeit sind die hohen und tiefen Sig
nalpegel aufgetragen. Die eine Drehrichtung ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Anstiegsflanke des zweiten Sig
nals K 2 derjenigen des ersten Signals K 1 folgt, wie es
in Fig. 6 dargestellt ist. Bei der anderen Drehrichtung
ist es umgekehrt.
Fig. 7 zeigt Einzelheiten der Sende- und Empfangsein
richtung 22. Es gibt einen kreisförmigen Sender S 1, der
von einem ringförmigen Empfänger E 1 umgeben ist. Eine
Lichtoptik 26 a, beispielsweise eine Linse, fokussiert
die vom Sender S 1 ausgehende Primärstrahlung auf das
dem Abtastende 20 a gegenüberliegende Ende 27 a des Licht
leiters 18. Die Sekundärstrahlung wird von diesem Ende
27 a über die Optik 26 a auf den Empfänger E 1 gerichtet.
In gleicher Weise ist dem dem Abtastende 20 a gegenüber
liegenden Ende 27 b des Lichtleiters 19 ein Sender S 2,
ein Empfänger E 2 und eine Lichtoptik 26 b zugeordnet.
Da die beiden Abtastenden 20 a und 20 b in Drehrichtung
gegeneinander versetzt sind, geben die beiden Empfänger
E 1 und E 2 bei Drehung des Trägers die Signale K 1 und
K 2 ab.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 8 wirkt das Ende 27 c
des Lichtleiters 19 a mit einem Sender S 3, dem eine Optik
26 c vorgeschaltet ist, und einem daneben angeordneten
Empfänger E 3, dem eine Optik 26 d vorgeschaltet ist, zu
sammen. Eine gleichartige Vorrichtung ist dem entspre
chenden Ende des Lichtleiters 18 a zugeordnet.
Eine dritte Möglichkeit ist in Fig. 9 veranschaulicht.
Das Ende 27 d liegt im Brennpunkt einer dem Sender S 4
vorgeschalteten Optik 26 e. In den Strahlengang ist aus
serdem ein halbdurchlässiger Spiegel 26 f gelegt, der
Sekundär-Lichtstrahlung auf den Empfänger E 4 richtet.
Für das entsprechende Ende des Lichtleiters 18 b ist eine
ähnliche Anordnung vorgesehen.
Es gibt auch Laser-Vorrichtungen, bei denen Sender und
Empfänger kombiniert sind. Auch eine solche kombinierte
Vorrichtung kann je einem der Lichtleiter zugeordnet
werden.
Das unterschiedliche Reflexionsverhalten der Markie
rungselemente 14 gegenüber der Oberfläche 12 kann bei
spielsweise dadurch erzielt werden, daß eine blanke Me
talloberfläche geschwärzt oder durch Ätzen gerauht wird.
Die Markierungen können auch durch Vertiefungen darge
stellt werden, gegebenenfalls durch solche, die mit ei
nem stumpfen Füllstoff aufgefüllt sind. In allen Fällen
sind die beiden Enden der Lichtleiter optisch poliert,
so daß sich ein hohes Verhältnis von Nutzsignal zu Stör
signal ergibt.
Claims (5)
1. Opto-elektrische Drehwinkel-Meßvorrichtung, die ei
nen drehbaren Träger mit einer in Umfangsrichtung
verlaufenden Spur von Markierungselementen und eine
feststehende Abtastvorrichtung mit einer Strahlungs
sende- und -empfangseinrichtung und zwei Kanälen für
zwei um 90 elektrische Grade versetzte Abtastsignale,
aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Markie
rungselemente (14) ein gegenüber der Trägeroberfläche
(12) unterschiedliches Reflexionsverhalten haben,
daß die Abtastvorrichtung (21) zwei Lichtleiter (18,
19; 18 a, 19 a; 18 b, 19 b; 118, 119) aufweist, deren
Abtastende (20; 20 a, 20 b) der Spur (13) benachbart
ist und deren anderes Ende (27 a, 27 b, 27 c, 27 d) mit
der Sende- und Empfangseinrichtung (22) verbunden
ist, und daß die Abtastenden in einem gemeinsamen
Halter (15; 15 a; 15 b; 115) derart angeordnet sind,
daß sie in Drehrichtung des Trägers einen Mittenab
stand haben, der gleich 50% der Breite (b) der Mar
kierungselemente bzw. ihres gleich großen Abstandes
(a) ist.
2. Opto-elektrische Drehwinkel-Meßvorrichtung nach An
spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter
durch ein Rohr (15; 15 a; 15 b; 115) gebildet ist, das
die Abtastenden (20; 20 a; 20 b) beider Lichtleiter
(18; 19; 18 a, 19 a; 18 b, 19 b; 118, 119) aufnimmt.
3. Opto-elektrische Drehwinkel-Meßvorrichtung nach An
spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitten der
Abtastenden der Lichtleiter (18 b, 19 b) im Rohr einen
größeren Abstand voneinander haben als 50% der Brei
te (b) der Markierungselemente (14) und daß das Rohr
(15 b) drehbar in einer Aufnahmeöffnung (16; 116) an
geordnet ist.
4. Opto-elektrische Drehwinkel-Meßvorrichtung nach An
spruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr
(115) mit den aufgenommenen Lichtleitern (118; 119)
biegbar ist.
5. Opto-elektrische Drehwinkel-Meßvorrichtung nach einem
der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Träger durch einen in einem Lager (8) abgestütz
ten Rotationsteil (4) einer Maschine (1) gebildet
ist, der gemeinsame Halter (15) gehäusefest gehalten
ist und sich die Spur (13) und der Halter im Lagerbe
reich befinden.
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