DE3906917A1 - Vorrichtung zur drehwinkelbestimmung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dreh­ winkelbestimmung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Es sind Drehwinkelkodierer bekannt, die eine an einer Welle anzubringende Kodierscheibe aufweisen, welche auf koaxial angeordneten Spuren verschiedene Kodierstreifen trägt. Auf jede der Spuren ist ein ortsfester optischer Sensor gerichtet. Die Gesamtheit der Sensoren erfaßt die für den jeweiligen Drehwinkel der Kodierscheibe charakteristische Kombination aus hellen und dunklen Bereichen der Gesamtheit der Kodierstreifen. Ferner sind Drehpotentiometer bekannt, bei denen der elek­ trische Widerstand sich in Abhängigkeit von der Winkel­ stellung einer Welle ändert.

Die bekannten Vorrichtungen zur Drehwinkelbestimmung sind bei komplexen Anordnungen aus mehreren zu beo­ bachtenden Drehbewegungen nur schwer mit der erforder­ lichen Genauigkeit zu realisieren. Bei optischen Dreh­ winkelkodierern werden zur Erzielung einer hochgenauen Drehwinkelbestimmung zahlreiche Spuren benötigt, die entweder den Einsatz einer entsprechend großen Kodier­ scheibe erfordern oder bis in die Nähe der Scheiben­ mitte reichen, wo der Radius der Spur sehr klein ist. Bei potentiometrischen Drehwinkelkodierern ist die Genauigkeit häufig unzureichend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 an­ gegebenen Art zu schaffen, die eine hochgenaue Winkel­ auflösung mit relativ wenig Spuren auf der Kodier­ scheibe ermöglicht und die somit eine relativ geringe radiale Erstreckung aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 an­ gegebenen Merkmalen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Dreh­ winkel durch Bestimmung eines elektrischen Widerstandes gemessen. Hierbei befinden sich auf der Kodierscheibe elektrische Widerstände in Form von Ringstreifen, die konzentrisch um den Mittelpunkt der Kodierscheibe in Sektoren angeordnet sind. Diese Widerstandselemente haben im Vergleich zu der elektrisch gut leitenden Scheibe einen hohen elektrischen Widerstand. Mindestens ein Ende eines jeden Widerstandsstreifens ist elek­ trisch mit der Scheibe verbunden. Durch einen elek­ trischen Abgriff mit einem Kontaktelement, das mit dem Widerstandselement in Berührung kommt, kann der elek­ trische Widerstand zwischen Kontaktelement und Kodier­ scheibe, und somit der Drehwinkel der Kodierscheibe, bestimmt werden. Da der elektrische Widerstand pro Längeneinheit des Widerstandselementes konstant ist, kann bei vorgegebenem Radius der Spur, auf der das Widerstandselement liegt, der Drehwinkel innerhalb des von dem Widerstandselement eingenommenen Sektors be­ stimmt werden.

Gemäß Anspruch 2 erfolgt durch die Anordnung der Wider­ standselemente eine Grobbestimmung des Drehwinkels der Kodierscheibe nach Sektoren. In den Sektoren sind die Widerstandselemente durch ihre Lagen auf den einzelnen Spuren so gruppiert, daß jeder Sektor durch die Lage seiner Widerstandselemente eindeutig gekennzeichnet ist. Jedes Widerstandselement eines Sektors erstreckt sich über den vollen Umfangswinkel des Sektors. Inner­ halb der Sektoren erfolgt die Feinbestimmung des Dreh­ winkels durch Widerstandsmessung analog.

Probleme können sich an den Übergangsbereichen der Sek­ toren ergeben, also an denjenigen Stellen, an denen die Widerstandselemente mit dem Material der Scheibe ver­ bunden sind. Die Merkmale der Ansprüche 3 und 4 er­ lauben es, auch in den Übergangsbereichen der Sektoren den Drehwinkel eindeutig zu bestimmen. Jede Spur wird dabei mit zwei elektrischen Kontaktelementen abge­ tastet, die so angeordnet sind, daß immer nur eines der Kontaktelemente im Übergangsbereich liegen kann. Mit den beiden Kontaktelementen, die dieselbe Spur ab­ tasten, wird nacheinander der Widerstand bestimmt. Durch zwei Kontaktelemente ist es zudem möglich, auf eine Widerstandsmessung zur Drehwinkelbestimmung mit Abgriff in der Mitte des Widerstandselements zu ver­ zichten, da in diesem Bereich die Winkelauflösung rela­ tiv gering ist. Die Verwendung von zwei Kontaktelemen­ ten ermöglicht schließlich auch die Erkennung, ob bei einem Widerstandselement, dessen beide Enden mit der Platte verbunden sind, der Abgriff rechts oder links von der geometrischen Mitte des Widerstandselements erfolgt. Hierzu werden die zeitlich hintereinander er­ mittelten Widerstandswerte des linken Abgriffs und des rechten Abgriffs miteinander verglichen. Somit ist eine einwandfreie Unterscheidung der Meßwerte in beiden Hälften des Widerstandselementes möglich.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Drehwinkelbestim­ mung eignet sich insbesondere zur Anwendung an Stellen, die nicht oder nur schwer zugänglich sind, und beson­ ders zur Anwendung im Vakuum. DE 88 12 730 U1 be­ schreibt eine Fluidkupplung zum Festhalten einer mit einer Welle verbundenen Kupplungsscheibe in einer ein­ genommenen Position. Dabei wird die Kupplungsscheibe zwischen einer Stützscheibe und einem fluidbetätigten Druckstück eingeklemmt. Die erfindungsgemäße Vorrich­ tung eignet sich besonders für den Einsatz bei einer derartigen Fluidkupplung. Hierbei ist die Kupplungs­ scheibe als Kodierscheibe ausgebildet und die Kupplung wird nicht nur dazu benutzt, die Kodierscheibe festzu­ halten, sondern darüber hinaus auch zur Ermittlung der Position, die die Kodierscheibe im festgehaltenen Zu­ stand einnimmt. Während der Drehung der Kodierscheibe sind die Kontaktelemente nicht mit der Kodierscheibe oder den Widerstandselementen in Berührung, so daß auch kein Abrieb eintritt. Dies ist insbesondere für Vakuum­ anwendungen wichtig. Der Kontakt wird erst hergestellt und die Winkelmessung erfolgt erst bei betätigter Fluidkupplung im Ruhezustand der Kodierscheibe.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den Einsatz der Winkelmeßvorrichtung in einer fluidbetätigten Kupplung,

Fig. 2 eine Ansicht der Kodierscheibe,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III von Fig. 2 und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der mit den Wider­ standselementen zusammenwirkenden Kontaktele­ mente.

Die kreisförmige Kodierscheibe 10 ist an einer Welle 11 befestigt, welche relativ zu dem Rahmen 12 drehbar ist und durch eine fluidbetätigte Kupplung 13 relativ zum Rahmen 12 fixiert werden kann. Die Kupplung 13 weist eine am Rahmen 12 befestigte Andrückplatte 14 und ein in Bezug auf die Andrückplatte 14 bewegbares Kupplungs­ teil 15 auf. Zwischen Andrückplatte 14 und Kupplungs­ teil 15 ragt die Kupplungs- oder Kodierscheibe 10 hinein. Das Kupplungsteil 15 ist am Ende eines Falten­ balges 16 befestigt, dessen Innenraum durch eine Lei­ tung 17 mit Druckfluid beaufschlagt werden kann. Der Faltenbalg 16 ist seinerseits an dem Rahmen 12 ange­ bracht. Bei Druckbeaufschlagung des Innenraums des Faltenbalges 16 wird der Randbereich der Kodierscheibe 10 zwischen Andrückplatte 14 und Kupplungsteil 15 ein­ geklemmt, so daß die Welle 11 relativ zu dem Rahmen 12 verdrehungssicher festgehalten wird.

Die Kodierscheibe 10 besteht aus gut leitendem Metall und sie ist über einen Schleifkontakt 18 mit einem festen Potential, z.B. Massepotential, verbunden.

Gemäß Fig. 2 und 3 hat die Kodierscheibe 10 kreis­ bogenförmige Schlitze 20, die um den Scheibenmittel­ punkt zentriert sind. In jedem dieser Schlitze 20 ver­ läuft ein Widerstandselement 21 in der Schlitzmitte und mit Abstand zu den beiden Schlitzrändern. Jedes Wider­ standselement 21 ist nur an seinen beiden Enden mit dem gut leitenden Material der Kodierscheibe 10 leitend verbunden.

Die Kodierscheibe 10 ist in Winkelsektoren S von gleicher Umfangserstreckung unterteilt. Die Länge eines jeden Schlitzes entspricht der Länge des betreffenden Winkelsektors S unter Berücksichtigung des Radius, auf dem der Schlitz 20 bzw. das Widerstandselement 21 an­ geordnet ist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Schlitze und Widerstandselemente auf insgesamt vier Spuren T 1, T 2, T 3, T 4 angeordnet, die koaxial zur Scheibenmitte verlaufen. Jeder Sektor enthält eine un­ verwechselbare Kombination von Widerstandselementen, d.h. die Verteilung der Widerstandselemente auf die Spuren T 1- T 4 ist für jeden der Sektoren einzigartig und bei keinem anderen Sektor in gleicher Weise anzutref­ fen. Auf diese Weise kann der jeweilige Sektor S anhand der Kombination derjenigen Spuren festgestellt werden, in denen sich Widerstandselemente befinden. Dadurch ist eine Grob-Winkelbestimmung möglich, d.h. eine Bestim­ mung des jeweiligen Sektors.

Innerhalb der Sektoren erfolgt die Fein-Winkelbestim­ mung durch Widerstandsmessung.

An der Andrückplatte 14 sind Kontaktvorrichtungen K 1- K 4 in der Weise angebracht, daß jede dieser Kontaktvor­ richtungen einer der Spuren T 1- T 4 gegenüberliegt. Jede der Kontaktvorrichtungen K 4 ist an eine Widerstands­ meßeinrichtung 22 angeschlossen, die es ermöglicht, den Widerstand zwischen der jeweiligen Kontaktvorrichtung K 1- K 4 und Massepotential zu ermitteln. Wenn dieser Widerstand 0 ist, ist die jeweilige Kontaktvorrichtung in direkter Berührung mit dem gut leitenden Material der Kodierscheibe 10.

Fig. 4 zeigt den Aufbau der Kontaktvorrichtungen, und insbesondere denjenigen der Kontaktvorrichtung K 3. Diese Kontaktvorrichtung weist zwei an der Andrück­ platte 14 mit einem Isolierkörper 23 befestigte Kon­ taktelemente 24, 24 a auf, die sich in entgegengesetzte Richtungen erstrecken und jeweils an ihrem äußeren Ende eine Kontaktschneide 25, 25 a tragen. Die Kontaktschnei­ den 25 und 25 a liegen der jeweiligen Spur T 3 gegenüber, so daß bei Betätigung der Kupplung 13 die Schneiden 25 und 25 a auf der Spur T 3 mit der Kodierscheibe in Be­ rührung kommen. Pro Spur sind also zwei elektrische Abgriffe vorhanden, wobei der Abstand der beiden Schneiden 25, 25 a so bemessen ist, daß maximal nur eine dieser Schneiden im Endbereich eines Widerstandsele­ mentes 21, also im Übergangsbereich zwischen zwei Sek­ toren, liegt. Der Abstand der beiden Schneiden 25 und 25 a beträgt etwa 1/3 der Sektorweite auf der jeweiligen Spur. Für den Fall, daß die Widerstandselemente 21 an beiden Enden mit der Scheibe elektrisch kontaktiert sind, ist es für eine eindeutige Winkelbestimmung not­ wendig, zwei elektrische Abgriffe pro Spur vorzusehen, da der gemessene elektrische Widerstand zur Lage des halben Sektorwinkels symmetrisch ist. Der Abstand der Kontaktelemente kann auch hier etwa ein Drittel der Sektorweite betragen.

Die Kontaktelemente 24 und 24 a haben Anschlußfahnen, an die die Widerstandsmeßeinrichtung angeschlossen wird. Die Widerstandsmeßeinrichtung kann einen Mikroprozessor aufweisen, der aufgrund der vorbestimmten Positionen der Schneiden 25 und 25 a und des an der jeweiligen Schneide gemessenen Widerstandswertes die Positionen der Kodierscheibe ermittelt.

Die mit der Kodierscheibe 10 in Berührung kommenden Teile der Kupplung 13 (außer den Kontaktelementen) be­ stehen aus elektrisch isolierenden Werkstoffen. Die Kupplung wird nur im Ruhezustand der Kodierscheibe 10 betätigt, d.h. während der Betätigung der Kupplung gibt es keine Relativbewegung zwischen Andrückplatte 14 und Kodierscheibe 10.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Drehwinkelbestimmung, mit einer drehbaren Kodierscheibe (10), die in mindestens einer Spur mindestens einen Kodierstreifen trägt, und mit mindestens einem den Kodierstreifen ab­ tastenden Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kodierstreifen ein Widerstandselement (21) ist, das an mindestens einem Ende mit der leitenden Kodierscheibe (10) verbunden und im übrigen von der Kodierscheibe (10) isoliert ist, und daß jeder Sensor mindestens ein Kontaktelement (24), das mit der Kodierscheibe (10) und dem Widerstandselement (21) in Kontakt kommt, und eine Widerstandsmeßeinrichtung (22) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Ermöglichung einer Grobbestimmung des Drehwinkels die Kodierstreifen (21) in unter­ schiedlichen Sektoren (S) der Kodierscheibe (10) auf unterschiedlichen Kombinationen von Spuren (T 1- T 4) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß gegenüber jeder Spur (T 1- T 4) zwei Kontaktelemente (24, 24 a) in festem gegensei­ tigem Abstand angeordnet sind, daß die Widerstands­ bestimmung an einem der beiden Kontaktelementen erfolgt, und daß aus den beiden Widerständen die Position bestimmt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Abstand von Schneiden (25, 25 a) der beiden Kontaktelemente (24, 24 a) mindestens etwa 1/3 der Länge eines Widerstandselementes (21) be­ trägt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktelemente (24, 24 a) isoliert an einer Andrückplatte (14) befestigt sind, der ein bewegbares Kupplungsteil (15) gegen­ überliegt und daß die Kodierscheibe (10) zwischen Kupplungsteil (15) und Andrückplatte (14) ragt, wobei die Kontaktelemente (24, 24 a) nur im Kupp­ lungszustand des Kupplungsteils (15) mit der Ko­ dierscheibe (10) in Kontakt kommen.