DE3716465C2 - Opto-elektrische Drehwinkel-Meßvorrichtung - Google Patents

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 versetzte Abtastsignale aufweist, wobei die Markierungselemente ein gegenüber der Trägeroberfläche unterschiedliches Reflexionsverhalten haben und die Abtastvorrichtung zwei Lichtleiter aufweist, deren Abtastende der Spur benachbart ist und deren anderes Ende mit der Sende- und Empfangseinrichtung verbunden ist.

Eine derartige Drehwinkel-Meßvorrichtung ist aus DE 31 33 401 A1 bekannt. Hier ist ein faseroptischer Impulsgeber zur Messung einer Drehzahl oder einer Lage beschrieben, der einen drehbaren Träger mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Spur von Markierungselementen und eine feststehende Abtastvorrichtung mit einer Strahlungssende- und -empfangseinrichtung und zwei Kanäle für zwei versetzte Abtastsignale aufweist, wobei die Markierungselemente ein gegenüber der Trägeroberfläche unterschiedliches Reflexionsverhalten haben und die Abtastvorrichtung zwei Lichtleiter aufweist, deren Abtastende der Spur benachbart ist und deren anderes Ende mit der Sende- und Empfangseinrichtung verbunden ist.

DE 27 03 155 A1 offenbart eine Wägevorrichtung mit einem opto-elektronischen Umwandler. Hierbei wird eine lineare Bewegung durch ein Moiree-Muster in Impulse übersetzt. Lichtstrahlen werden durch einen Meßwertgeber hindurch gesendet und durch Photodetektoren, die mit einer Empfangseinrichtung verbunden sind, ausgewertet. Die Photodetektoren sind auf einer gegenüber der Bewegungsrichtung von Lichtleisten, die durch die Moiree-Muster entstehen, geneigten Linie angeordnet. Durch Veränderung der Neigung läßt sich der Abstand der Photodetektoren in diese Richtung verändern und dem Abstand dieser Lichtleisten anpassen. Dies ist jedoch mit einem beträchtlichen Aufwand verbunden.

DE 30 07 311 C2 beschreibt, bei einem Längen- oder Winkelmeßsystem benachbarte optische Aufnehmer um 90° versetzt (bezogen auf eine Periode des abzutastenden Musters) anzuordnen. Hierbei wird aber einfach vorausgesetzt, daß die Abtastfelder jeweils um eine Viertelteilungsperiode gegeneinander versetzt sind.

Bei einer weiteren bekannten Drehwinkel-Meßvorrichtung ("Technical Data" der Firma Hewlett Packard, Januar 1986, Seiten 1-21 und 1-22) wird eine geschlitzte Codierscheibe verwendet, deren Spur im Strahlengang zwischen Strahlungssender und Strahlungsempfänger angeordnet ist. Als Sender dienen Leuchtdiode (LED) und als Empfänger Fotodioden. In zwei Kanälen werden um 90 elektrische Grade phasenverschobene Signale, sogenannte Quadratsignale, 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 Empfangseinrichtungen müssen auch untereinander ausgerichtet 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 und mit der sich eine höhere Winkelauflösung erzielen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lichtleiter in einem Halter derart angeordnet und fixiert sind, daß ihre Abtastenden einen größeren Abstand voneinander haben als 50% der Breite der Markierungselemente, daß der Halter durch ein drehbar in einer Aufnahmeöffnung angeordnetes Rohr gebildet ist und daß das Rohr mit den Lichtleitern biegbar ist, daß das Rohr zur Erzeugung von um 90° phasenverschobenen elektrischen Signalen in eine Stellung gedreht wird, bis der Mittenabstand der Abtastenden der Lichtleiter in Drehrichtung des Trägers gleich 50% der Breite der Markierungselemente bzw. ihres gleich großen Abstandes ist und daß zur Fixierung des Rohres in dieser Stellung das Rohr mit den Lichtleitern durch Biegen in eine Nut der Abtastvorrichtung festlegbar ist.

Wegen der Ausnutzung des unterschiedlichen Reflexions­ verhaltens kann man ein und denselben optischen Licht­ leiter für die Zuleitung der vom Sender ausgehenden Primär-Lichtstrahlung und für die Rückleitung der reflektierten 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 angeordnet sind, in dem sie eine definierte Lage zueinander haben, reduziert sich der Justiervorgang auf das richtige Einsetzen des Halters. Dies läßt sich mit hoher Genauigkeit 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. Das Rohr, das die Abtastenden beider Lichtleiter aufnimmt, läßt sich leicht handhaben. Es schützt die Lichtleiter. Diese lassen sich auch leicht im Rohr fixieren, beispielsweise durch Einfüllen einer Gießmasse. Wenn 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. Einfacher ist es jedoch, 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. Das biegbare Rohr mit den aufgenommenen Lichtleitern wird einfach in die Aufnahmeöffnung gesteckt und kann außerhalb dieser Öffnung auf beliebige Art zur eigentlichen Sende- und Empfangseinrichtung 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 15a mit den beiden Lichtleitern 18a und 19a 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 15a 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 15b wiederum zwei Lichtleiter 18b und 19b eingesetzt. Die Abtastenden der Lichtleiter haben aber einen größe­ ren Mittenabstand als die Lichtleiter 18a und 19a in Fig. 3.

Wie Fig. 5 zeigt, kann man durch entsprechendes Drehen des Rohres 15b 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 26a, beispielsweise eine Linse, fokussiert die vom Sender S 1 ausgehende Primärstrahlung auf das dem Abtastende 20a gegenüberliegende Ende 27a des Licht­ leiters 18. Die Sekundärstrahlung wird von diesem Ende 27a über die Optik 26a auf den Empfänger E 1 gerichtet. In gleicher Weise ist dem dem Abtastende 20a gegenüber­ liegenden Ende 27b des Lichtleiters 19 ein Sender S 2, ein Empfänger E 2 und eine Lichtoptik 26b zugeordnet. Da die beiden Abtastenden 20a und 20b 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 27c des Lichtleiters 19a mit einem Sender S 3, dem eine Optik 26c vorgeschaltet ist, und einem daneben angeordneten Empfänger E 3, dem eine Optik 26d vorgeschaltet ist, zu­ sammen. Eine gleichartige Vorrichtung ist dem entspre­ chenden Ende des Lichtleiters 18a zugeordnet.

Eine dritte Möglichkeit ist in Fig. 9 veranschaulicht. Das Ende 27d liegt im Brennpunkt einer dem Sender S 4 vorgeschalteten Optik 26e. In den Strahlengang ist au­ ßerdem ein halbdurchlässiger Spiegel 26f gelegt, der Sekundär-Lichtstrahlung auf den Empfänger E 4 richtet. Für das entsprechende Ende des Lichtleiters 18b 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 (2)

1. Opto-elektrische Drehwinkel-Meßvorrichtung, die ei­ nen drehbaren Träger mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Spur von Markierungselementen und eine feststehende Abtastvorrichtung mit einer Strahlungssende- und -empfangseinrichtung und zwei Kanälen für zwei versetzte Abtastsignale aufweist, wobei die Markierungselemente ein gegenüber der Trägeroberfläche unterschiedliches Reflexionsverhalten haben und die Abtastvorrichtung zwei Lichtleiter aufweist, deren Abtastende der Spur benachbart ist und deren anderes Ende mit der Sende- und Empfangseinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtleiter (18b, 19b; 118, 119) in einem Halter (15b, 115) derart angeordnet und fixiert sind, daß ihre Abtastenden (120) einen größeren Abstand voneinander haben als 50% der Breite (b) der Markierungselemente (14),
daß der Halter (15b, 115) durch ein drehbar in einer Aufnahmeöffnung (116) angeordnetes Rohr (115) gebildet ist und daß das Rohr (115) mit den Lichtleitern (18b, 19b; 118, 119) biegbar ist,
daß das Rohr (115) zur Erzeugung von um 90° phasenverschobenen elektrischen Signalen (K1, K2) in eine Stellung gedreht wird, bis der Mittenabstand der Abtastenden (120) der Lichtleiter (18b, 19b; 118, 119) in Drehrichtung des Trägers gleich 50% der Breite (b) der Markierungselemente (14) bzw. ihres gleich großen Abstandes (a) ist und
daß zur Fixierung des Rohres (115) in dieser Stellung das Rohr (115) mit den Lichtleitern (18b, 19b; 118, 119) durch Biegen in eine Nut (124) der Abtastvorrichtung festlegbar ist.

2. Opto-elektrische Drehwinkel-Meßvorrichtung nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger durch einen in einem Lager (8) abgestützten Rotationsteil (4) einer Maschine (1) gebildet ist, der gemeinsame Halter (15) gehäusefest gehalten ist und sich die Spur (13) und der Halter im Lagerbereich befinden.