DE3901876A1 - Vorrichtung zum messen von drehwinkeln - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Rela­ tiv-Drehwinkeln eines Körpers um eine Achse und einen Signal­ überträger.

In vielen Fällen ist es nicht möglich, Drehwinkel direkt zu messen, da z. B. die Drehachse nicht direkt zugänglich ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Vorrichtung zum Messen von Drehwinkeln, die vielfältig an­ wendbar ist, zuverlässig arbeitet und auch leicht nachträglich an zueinander eine Relativdrehung durchführenden Teilen angebracht werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die Vorrichtung eine Lichtquelle, eine um eine mit der ersten Achse im we­ sentlichen koaxiale zweite Achse drehbare Halterung mit einer daran angeordneten Abbildungseinrichtung zum Abbilden eines Teils des Körpers oder eines mit demselben verbundenen Ele­ ments, einen positionsempfindlichen Detektor für den durch Abbildung gewonnenen Lichtfleck, einen Antriebsmotor für eine Drehbewegung der Halterung mit einer Nachführungsschaltung und einem Detektor für den Drehwinkel der Halterung aufweist.

Das Licht der Lichtquelle, die am sich drehenden Teil oder am Körper angebracht ist, wird auf den Detektor abgebildet. Zur Verdeutlichung sei angenommen, daß das Licht zunächst genau auf das Zentrum des Detektors fällt. Dreht sich nun der sich drehende Teil und bewegt sich damit die Lichtquelle, so wird der abgebildete Lichtpunkt am Detektorort aus der mittigen Stellung herauswandern. Der Detektor ist dabei so ausgebildet, daß er dieses seitliche Herauswandern des Lichtpunktes zusam­ men mit der Richtung dieser Bewegung detektiert und meldet. Durch die Nachführschaltung wird dann der Antriebsmotor so lange in der richtigen Richtung betrieben, bis die Halterung mit der Spiegelfläche soweit gedreht worden ist, daß der Lichtpunkt wieder auf die Mitte des Detektors fällt. Wenn die erste Achse mit der zweiten Achse koaxial ist, entspricht dann der von der Halterung zurückgelegte Drehwinkel dem Drehwinkel der zu messenden Drehbewegung. Dieser Drehwinkel der Halterung wird mit Hilfe eines Detektors, z. B. eines Encoders für Drehbewegungen gemessen.

Sind die beiden Achsen nicht genau koaxial, so kann dennoch bei bekannter Geometrie aus der Drehung mit der Halterung die Drehung des sich drehenden Teiles bestimmt werden.

Ist der Detektor an der drehbaren Halterung befestigt, so können Probleme mit der Signalweiterleitung auftreten, und zwar insbesondere, wenn die Halterung beliebig, also auch um mehr als 360° große Winkel gedreht werden kann. Zu diesem Zweck ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Vorrichtung eine schräg angeordnete Spiegelfläche zum Umlenken des vom Körper kommenden Lichts in Axialrichtung der zweiten Achse aufweist. In diesem Falle hat das vom Körper kommende Licht unabhängig vom Drehwinkel der Halterung immer im wesentlichen die Axialrichtung der zweiten Achse und fällt damit immer auf den gleichen Punkt. Damit könnte der Detektor koaxial zur zweiten Achse angeordnet sein, und zwar am feststehenden Teil, so daß keine Schleifringkontakte, optoelektronische Signal­ übertragung oder dergleichen vom Detektor zu einer festste­ henden Auswerteschaltung mehr erforderlich ist. Der Detektor könnte aber auch seitlich von der Achse angeordnet sein, indem ein weiterer Umlenkspiegel vorgesehen ist. Auch in diesem Falle kann der Detektor feststehen.

Der Detektor für den Drehwinkel kann dabei direkt mit dem Motor verbunden sein, etwa an denselben angeflanscht sein oder sogar in den Motor eingebaut sein. Der Detektor kann aber auch mit der Halterung verbunden sein. So könnte die Halterung einen Zahnkranz tragen, an dem sowohl der Motor als auch die Detektionseinrichtung für den Drehwinkel mit entsprechenden Ritzeln angreifen.

Wenn die Normale der Spiegelfläche mit der zweiten Achse einen Winkel von ungefähr 45° einschließt, so erhält man maximale Empfindlichkeit. Das auf die Vorrichtung treffende Licht wird dabei um 90° umgelenkt.

Der Detektor für das reflektierte Licht kann als Streifende­ tektor oder als eine Reihe von Detektoren, insbesondere positionsempfindlicher Detektoren und/oder fotoempfindliche Dioden, ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist aber ein Quadrantendetektor, durch den Abweichungen nicht nur in einer Richtung, sondern in der gesamten zur zweiten Drehachse senkrechten Ebene festgestellt werden können, so daß die Vorrichtung zuverlässig in der Lage ist, auch Drehungen von 360° bzw. noch größeren Drehungen zu folgen, insbesondere auch endlosen Drehungen in einer Richtung.

Wie bereits erwähnt, kann die Lichtquelle am sich drehenden Teil befestigt sein. Es kann aber ebenfalls vorgesehen werden, daß die Lichtquelle an der Halterung befestigt ist und zusammen mit der Halterung die entsprechenden Drehungen durchführt. Am sich drehenden Teil ist dann eine reflektie­ rende Fläche, z. B. ein Spiegel oder ein Retroreflektor, vorzusehen. Dabei kommt es aber nur auf Relativdrehungen an. Man könnte also auch vorsehen, daß die Vorrichtung am sich drehenden Teil befestigt ist, während die Lichtquelle bzw. der das von der Vorrichtung zu derselben zurückreflektierenden Spiegel an einem feststehenden Ort vorgesehen sind.

Eine vorteilhafte Anwendung der Erfindung besteht in der Messung von Drehwinkeln an Waffen. Hier kann einmal der Drehwinkel von der Oberlafette in bezug auf die fest auf dem Boden stehende Unterlafette gemessen werden, indem die erfindungsgemäße Vorrichtung an der Oberlafette befestigt wird und auf dem Boden, vorzugsweise in einer größeren Entfernung von z. B. 200 m der Spiegel, insbesondere ein Retroreflektor vorgesehen wird, mit dem das von der Vorrichtung ausgestrahlte Licht zur Vorrichtung zurückgestrahlt wird. Eine weitere Vorrichtung, die ebenfalls an der Oberlafette befestigt ist, kann das Licht zu einem Spiegel senden, der am Geschützrohr befestigt ist. Dabei kann die Elevation des Geschützrohres, d. h. die Schwenkung des Geschützrohres relativ zur Oberla­ fette gemessen werden.

Da die Halterung und das Abbildungssystem des Detektors durch die Nachführschaltung immer auf einen bestimmten Teil des Körpers gerichtet ist, kann die Vorrichtung auch zur Signal­ übertragung vom Körper zur Halterung bzw. damit verbundenen Teilen verwendet werden. Für diesen Zweck kann vorgesehen werden, daß am Körper am abgebildeten Teil eine Lichtquelle für modulierbares Licht und an der Halterung oder einem damit verbundenen Teil ein Detektor mit einer Demodulationsschaltung angeordnet ist. Der Detektor kann dabei sowohl derselbe Detektor, der auch für die Nachführung verwendet wird, als auch ein separater Detektor sein.

Vorteilhafterweise wird das Licht digital moduliert, wobei es vorteilhafterweise mit Audioinformation und/oder Video­ information moduliert sein kann.

Dabei ist zweckmäßigerweise der Detektor für das modulierte Licht mit Schaltungen zum Wiedergeben der Audio- und/oder Videoinformation verbunden.

Ein solches System kann wieder vorteilhafterweise für die Gefechtssimulation verwendet werden, indem die Vorrichtung mit dem Detektor an der Oberlafette eines Geschützes befestigt wird, während die modulierbare Lichtquelle in der Nähe eines Retroreflektors angeordnet ist, der als Bezugspunkt für die Messung der Drehbewegung der Oberlafette dient. Von einer feststehenden Einrichtung kann dann auf die Lichtquelle Information übertragen werden, die an das sich drehende Geschütz weitergegeben werden soll, wie z. B. künstlich erzeugte Gefechtsszenen, Ziel-, Landschafts-, Leuchtspurdar­ stellungen usw. Diese Information, die sowohl Audioinformation wie auch Videoinformation enthalten kann, wird dann am Ge­ schütz in wirklichkeitsnaher Form höhrbar und sichtbar ge­ macht.

Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn für die Lichtquellen sowohl für die Drehwinkelbestimmung als auch für die Informationsübertragung Laser, Laserdioden und/oder lichtemittierende Dioden verwendet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeich­ nungen beispielsweise beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 im Querschnitt eine Ausführungsform der Vorrichtung der Erfindung;

Fig. 2 im Querschnitt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung der Erfindung;

Fig. 3 eine noch andere Ausführungsform der Vorrichtung der Erfindung; und

Fig. 4 im Prinzip ein Anwendungsbeispiel der Erfindung.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung weist ein Gehäuse 1 auf, in dem mit Hilfe einer Lagerung 2 eine Halterung 3 so gelagert ist, daß die um eine vertikale Achse 4 gedreht werden kann. Die Halterung 3 trägt dabei einen Zahnkranz 5, in den ein Ritzel 6 eingreift, das von einem Motor 7 angetrieben ist. Fest mit dem Motor 7 verbunden ist noch ein Drehwinkeldetektor 8, z. B. ein Endcoder, der über eine Leitung 9 Meldungen über den Drehwinkel abgibt.

Die Halterung 3 weist im oberen Teil eine Lichtquelle 10 auf, die über Leitungen 11 und z. B. Schleifringkontakte 12 mit Versorgungsleitungen 13 verbunden ist. Dabei bereiten Schleifringkontakte in den Versorgungsleitungen einer Licht­ quelle selbstverständlich geringere Probleme als in Leitungen von Detektoren zu Auswerteschaltungen. Das im wesentlichen in Achsenrichtung nach unten gestrahlte Licht wird durch eine Spiegelfläche 14 um 90° abgelenkt und fällt auf einen Spiegel 15, der mit Hilfe einer Halterung 16 an einem Teil 17 befe­ stigt ist, das Drehungen um eine Achse ausführen kann, die zumindest im wesentlichen mit der Achse 4 koaxial ist. Das eingestrahlte Lichtbündel, das in der Fig. mit 18 bezeichnet ist und noch durch eine Linse 19 gebündelt ist, wird vom Spiegel 15 als Lichtbündel 20 reflektiert, das durch eine Linse 21, die ebenfalls an der Halterung befestigt ist, gebündelt und durch einen Spiegel 22 erneut um 90° so umge­ lenkt wird, daß es in Achsenrichtung und auf einen Detektor 23 fällt.

Fällt das Licht nicht genau auf das Zentrum des Detektors 23, so wird dies durch eine Nachführschaltung 24 detektiert, die den Motor 7 so betätigt, daß das Lichtbündel 18 wieder genau auf den Spiegel 15 gerichtet wird. Auf diese Weise wird also das Gehäuse 3 mit den darin angeordneten Komponenten genau der Drehbewegung des Teiles 17 nachgeführt. Der entsprechende Drehwinkel kann am Anschluß 9 vom Drehwinkeldetektor 8 abge­ nommen werden.

In Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform gezeigt, bei der die Spiegel 14 und 22 für die Umlenkung des von der Lichtquelle 10 kommenden Lichts und für die Umlenkung des Lichtes zum Detek­ tor 23 hintereinander angeordnet sind. Dabei ist der Spiegel 14 voll reflektierend, während der Spiegel 22 halbdurchlässig ist. Die Linsen 19 und 21 für die Abbildung des Lichtes von der Lichtquelle 10 bzw. für die Abbildung des Lichtes auf den Detektor 23 sind dabei nicht mehr vor den Spiegeln, sondern zwischen den Spiegeln 19 bzw. 21 und der Lichtquelle 10 bzw. dem Detektor 23 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform dreht sich der Detektor 23 mit der Halterung, so daß bei 33 eine Signalübertragung mit Schleifringkontakten oder dergleichen auf den feststehenden Teil erforderlich ist. Dabei kann aber eine Übertragung mit Schleifringkontakten z. B. durch eine optoelektronische, induktive oder sonstige Übertragung ersetzt werden, falls die Übertragung mit Schleifringkontakten Schwierigkeiten bereiten sollte. Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß keine Schleifringkontakte für möglicherweise größere Ströme zur Versorgung der Lichtquelle 10, die in diesem Falle feststeht, erforderlich sind.

Damit der Teil des von der Lichtquelle 10 kommenden Lichtes, der durch den halbdurchlässigen Spiegel 22 nach oben reflek­ tiert wird, nicht in den Detektor 23 gelangen kann, ist bei 34 noch ein entsprechender Absorptionskörper vorgesehen.

Bei der Ausführungsform der Fig. 3 ist die Lichtquelle 10 ebenfalls auf der Achse 4 bzw. deren Verlängerung ortsfest angeordnet. Das Licht wird durch eine Linse 19 gebündelt und durch einen unter 45° angeordneten vollreflektierenden Spiegel 14 auf den am Körper 17 befestigten Spiegel 15 geleitet und von dort zurückreflektiert. Das zurückreflektierte Licht wird durch einen halbdurchlässigen Spiegel 22 umgelenkt und durch eine Linse 21 auf den seitlich von der Achse angeordneten Reflektor 23 geleitet, der ebenfalls ortsfest angeordnet ist, so daß keine Schleifringkontakte zur Signalübertragung auf die Nachführschaltung 24 erforderlich sind.

Zusätzlich ist am Körper 17 auf dem Spiegel 15 oder in unmit­ telbarer Nähe desselben eine Lichtquelle 29 angeordnet, deren Licht mit Hilfe einer Schaltung 30 mit Audio- und/oder Videomodulation moduliert werden kann. Dieses modulierte Licht fällt ebenfalls auf den Detektor 23 und wird durch eine damit verbundene Schaltung 31 verstärkt und demoduliert. Die Infor­ mation, die in die Schaltung 30 eingegeben wurde, kann dabei im Teil 32 sichtbar und/oder hörbar gemacht werden. Bei dieser Ausführungsform wurde der gleiche Detektor sowohl für die Nachführung als auch für die Informationsübertragung vorgese­ hen. Es ist aber auch möglich, den in Fig. 3 gezeigten Detek­ tor 23 lediglich für die Informationsverarbeitung zu verwen­ den, wobei dann die Position des Spiegels 15 und damit die Nachführung durch einen positionsempfindlichen Sensor festge­ stellt bzw. bewirkt wird, der hinter dem Spiegel 14 in der Verlängerung des Lichtstrahls 20 angeordnet ist, wobei in diesem Fall selbstverständlich der Spiegel 14 teildurchlässig sein muß.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der auf einer feststehenden Unterlafette 25 eine drehbare Oberlafette 26 angeordnet ist, auf der wiederum schwenkbar ein Geschützrohr 27 befestigt ist. An der Oberlafette ist das Gehäuse 1 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, die ihren Licht­ strahl 18 auf einen Spiegel 15 schickt, der am Geschützrohr 17 befestigt ist. Der vom Spiegel 15 reflektierte Lichtstrahl 20 wird dann in die Vorrichtung 1 zurückgeworfen. Auf diese Weise kann wie oben beschrieben der Schwenkwinkel des Geschützes 27 bestimmt werden.

Das Gehäuse 1 einer weiteren Vorrichtung ist in der Fig. 2 links an der Oberlafette 26 befestigt und sendet ihr Licht 18 links auf einen Retroreflektor 20, der dem bisher erwähnten Spiegel 15 entspricht, der in einiger Entfernung vom Geschütz aufgestellt ist. Mit Hilfe des reflektieren Lichtstrahls kann dann ebenfalls in der oben beschriebenen Weise der Drehwinkel der Oberlafette 26 bestimmt werden.

Am Rand des Retroreflektors 28 ist eine Lichtquelle 29 vorge­ sehen, deren Licht über eine Schaltung 30 mit Daten, Audio­ und Videoinformationen für die Gefechtssimulation moduliert werden kann. Die Information wird dann von der auf der Ober­ lafette festmontierten Vorrichtung 1 gemessen, deren Licht­ strahl 18 auf den Retroreflektor 28 gerichtet und nachgeführt ist. Die Information kann dann z. B. in einer Visiereinrich­ tung 32 oder dergleichen sichtbar gemacht werden.

Claims (14)

1. Vorrichtung zum Messen von Relativ-Drehwinkeln eines Körpers um eine erste Achse, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Lichtquelle (10), eine um eine mit der ersten Achse im wesentlichen koaxiale zweite Achse (4) drehbare Halterung (3) mit einer daran angeordneten Abbildungsein­ richtung (21) zum Abbilden eines Teils des Körpers (17) oder eines mit demselben verbundenen Elements (15), einen positionsempfindlichen Detektor (23) für den durch Abbil­ dung gewonnenen Lichtfleck, einen Antriebsmotor (7) für eine Drehbewegung der Halterung (3) mit einer Nachführschaltung (24) und einen Detektor (8) für den Drehwinkel der Halterung aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine schräg angeordnete Spiegelfläche (22) zum Umlen­ ken des vom Körper (17) kommenden Lichtes in Axialrichtung der zweiten Achse (4) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (23) koaxial zur zweiten Achse angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Detektor (8) für den Drehwinkel mit der Halterung (3) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Normale der Spiegelfläche (22) mit der zweiten Achse (4) einen Winkel von ungefähr 45° einschließt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (23) für den abgebildeten Lichtfleck als Quadrantendetektor ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10) an der Halterung befestigt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (3) um beliebig große, auch 360° überschreitende Winkel drehbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß am Körper (17) am abgebildeten Teil eine Lichtquelle (29) für modulierbares Licht und an der Halterung oder einem damit verbundenen Teil ein Detektor (26) mit einer Demodulationsschaltung (31) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht digital moduliert ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich­ net, daß das Licht mit Audioinformation moduliert ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht mit Videoinformation modu­ liert ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Detektor (26) für das modulierte Licht mit Schaltungen (32) zum Wiedergeben der Audio- und/oder Videoinformation verbunden ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (10, 29) Laser, Laserdioden oder lichtemittierende Dioden sind.