DE4120343C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßwertaufnehmer, insbesondere zur Bestimmung der Umdrehungsanzahl eines Drehteiles nach dem Co­ dierverfahren, mit einem Untersetzungsgetriebe, das mit einem Antrieb koppelbar ist und das mindestens eine Impulsscheibe an­ treibt, deren zugeordnete Lichtschranke bei der Drehbewegung der Impulsscheibe einer Auswerteeinheit zuführbare Impulse er­ zeugt.

Bei einem derartigen Meßwertaufnehmer, wie er z. B. aus "Dr.-Ing. P. Klein, Winkelabtastung und -codierung in: Elektronik 1968, Heft 9, Seiten 283 bis 286" bekannt ist, wird die Drehbewegung eines Drehteiles durch das Untersetzungsgetriebe untersetzt, wodurch ein Absolutwert für die Anzahl der Umdrehungen erhalten wird, die das Drehteil absolviert hat. Gegenüber Meßwertaufnehmern, die die Umdrehungsanzahl durch Zählung bestimmen, haben derar­ tige Meßaufnehmer den Vorteil, daß die Umdrehungsanzahl als Absolutwert vorliegt. Auch bei einem Stromausfall geht dieser Wert somit nicht verloren. Das Untersetzungsgetriebe ist mit mindestens einem Zahnrad ausgeführt, das von der Antriebswelle angetrieben wird. Die von dem Zahnrad angetriebene Impulsschei­ be ist mit einer Lichtschranke gekoppelt, an der bei der Dreh­ bewegung der Impulsscheibe Impulse erzeugt werden, die an einer Auswerteeinheit ausgewertet werden.

Aus der DE-PS 35 42 908 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erhöhen der Genauigkeit eines Winkel- oder Linearcodierers bekannt.Die Grundidee ist dabei die Erzeugung und das Speichern von Korrekturdaten in einem Datenspeicher durch Verwendung ei­ nes Referenzcodierers von hoher Präzision und Korrigieren des Ausgangs des Winkel- oder Linearcodierers entsprechend der ge­ speicherten Daten.

Die DE-OS 27 13 579 beschreibt einen Analog-Digital-Wandler, der über zwei Codierscheiben verfügt. Dabei wird die erste die­ ser Codierscheiben von einer Eingangswelle angetrieben, auf welcher ein zugeordnetes Zahnrad sitzt, welches wiederum über ein nachgeschaltetes Zahnrad anderer Zähnezahl die zweite Co­ dierscheibe antreibt. Dadurch soll eine möglichst hohe Umdre­ hungszahl erreicht werden, bevor dieselben Codekombinationen wiederkehren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßwertaufneh­ mer der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß ein Aus­ gleich des Zahnflankenspieles des Untersetzungsgetriebes er­ reicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der mindestens einen Impulsscheibe wenigstens eine zusätz­ liche, parallel geschaltete Impulsscheibe zugeordnet ist, und daß das Untersetzungsgetriebe mindestens zwei mit den Impuls­ scheiben gekoppelte Zahnräder mit einer teilerfremden Zähnezahl umfaßt, daß eine Speichereinheit vorgesehen ist, in der eine endliche Anzahl von der Stellung der mindestens einen Impuls­ scheibe und der zugeordneten Impulsscheibe zuordenbaren Signal­ werten abspeicherbar ist, und daß das Meßsignal mit den abge­ speicherten Signalwerten verglichen wird, einem abgespeicherten Signalwert zugewiesen und dann ausgegeben wird.

In der Speichereinheit ist eine endliche Anzahl von Digitalwer­ ten abgespeichert, die mit der jeweiligen Stellung der Impuls­ scheiben korrelieren und einer bestimmten Umdrehungsanzahl ent­ sprechen. Durch den Vergleich und die Zuordnung des erhaltenen Meßsignales mit den abgespeicherten Meßsignalen wird somit ge­ wissermaßen eine digitale Korrektur des Zahnflankenspieles des Untersetzungsgetriebes erreicht. Durch eine derartige Ausge­ staltung ist es möglich, die bei der Fertigung des Meßwertauf­ nehmers oder auf sonstige Weise entstehenden Toleranzen auszu­ gleichen. Insbesondere ist es möglich, keine übermäßig hohen Anforderungen an die Toleranzen des Untersetzungsgetriebes zu stellen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorge­ sehen, daß die mindestens eine Impulsscheibe mit einem Gray-Code versehen ist. Insbesondere kann eine Impulsscheibe mit einem sogenannten gekappten Gray-Code versehen werden.

In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Speichereinheit als EPROM-Glied ausgebildet ist. In dem EPROM- Glied ist eine endliche und somit begrenzte Anzahl von Signal­ werten der Impulsscheibe abgelegt. Diesen abgelegten Werten kann zum Ausgleich des Zahnflankenspieles des Untersetzungsge­ triebes jeweils ein Meßsignal zugewiesen werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß die Antriebswelle mindestens zwei mit Impulsscheiben zur Umdreh­ ungsanzahlmessung gekoppelte Zahnräder vorgesehen sind, deren Zähnezahl verschieden sind. Die höchste meßbare Umdrehungszahl des Meßwertaufnehmers wird durch das vorliegende Untersetzungs­ verhältnis der Zahnräder bestimmt. Zur Erzielung einer hohen meßbaren Umdrehungszahl sind nahezu gleich große Zahnräder, deren Zähnezahl jedoch verschieden sind, vorteilhaft. Durch diese Ausgestaltung wird eine größtmögliche Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Raumes innerhalb des Meßwertaufnehmers er­ reicht.

In vorteilhafter Weiterbildung wird vorgesehen, daß die Zahn­ räder mit einer teilerfremden Zähnezahl ausgebildet sind. Auch hierdurch wird die höchstmöglich meßbare Umdrehungsanzahl ge­ steigert.

Hierbei kann in vorteilhafter Weiterbildung vorgesehen sein, daß den Zahnrädern Impulsscheiben zugeordnet sind, die jeweils einen verschiedenartigen Gray-Code aufweisen. Insbesondere un­ terscheiden sich die Impulsscheiben durch die Anzahl der Schritte des Gray-Codes.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß die Antriebswelle mit einer weiteren Impulsscheibe gekop­ pelt ist, an deren zugeordneter Lichtschranke dem Drehwinkel der Antriebswelle entsprechende Signale erzeugt werden. Die Kombination mit einem derartigen prinzipiell bekannten System zur Bestimmung des Drehwinkels eines Drehteiles hat den Vorteil, daß neben dem Drehwinkel auch die Umdrehungsanzahl als Absolut­ wert gemessen werden kann.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß ein an der weiteren Impulsscheibe erzeugte Signal zur Ju­ stierung der Impulsscheiben zur Umdrehungsanzahlmessung abge­ griffen wird. Hierzu eignet sich das MSB (Most-Signal-Bit) des Drehwinkelmeßsystems, das als Übertrag für das System zur Um­ drehungsanzahlmessung benützt wird.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel, das nachfolgend beschrieben wird. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfin­ dungsgemäßen Meßwertaufnehmer,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Meßwertaufnehmers gemäß Fig. 1,

Fig. 3 den Signalverlauf der Impulsscheiben gemäß Fig. 4 und 5,

Fig. 4 und 5 die beim Meßwertaufnehmer gemäß Fig. 1 zum Einsatz kommenden Impulsscheiben zur Umdrehungsanzahlmessung und

Fig. 6 die beim Meßwertaufnehmer gemäß Fig. 1 zum Einsatz kommende Impulsscheibe zur Drehwinkelmessung.

Der in Fig. 1 im Längsschnitt dargestellte Meßwertaufnehmer (10) dient der simultanen Erfassung des Drehwinkels und der Um­ drehungsanzahl eines nicht dargestellten Drehteiles. Hierzu be­ sitzt der Meßwertaufnehmer (10) im wesentlichen zwei Systeme (11, 12), wobei das in Fig. 1 oben liegende System (11) der Er­ fassung der Umdrehungsanzahl und das in Fig. 1 unten liegende System (12) zur Drehwinkelmessung ausgebildet ist. Das System (11) kann auch separat zur Nachrüstung bekannter Meßwertaufneh­ mer zur Drehwinkelbestimmung eingesetzt werden.

Der Meßwertaufnehmer (10) besitzt ein Trägerteil (13), an dem eine als Vollwelle ausgebildete Antriebswelle (14) drehbeweg­ lich gelagert ist. Die Antriebswelle (14) weist an ihrem einen Endbereich eine Längsnut (15) auf, mit der eine Ankopplung an ein nicht dargestelltes Drehteil möglich ist. Die Lagerung der Antriebswelle (14) erfolgt mittels Kugellagern (16, 17), die von einer in dem Trägerteil (13) angeordneten Bohrung (18) auf­ genommen werden. Der Außenumfang des Trägerteiles (13) wird von einem im Querschnitt näherungsweise U-förmig ausgebildeten Ge­ häuse (19) umfaßt. In einem von dem Gehäuse (19) gebildeten In­ nenraum (20) des Meßwertaufnehmers (10) sind die Systeme (11 und 12) sicher und geschützt untergebracht. Die Abdichtung der Antriebswelle (14) gegenüber dem Innenraum (20) erfolgt mittels einer Dichtung (21), die beispielsweise als Stopfbuchse ausge­ bildet ist.

Mittels einer hülsenförmigen Klemmeinrichtung (22), die zwei­ teilig ausgebildet ist, ist eine erste Impulsscheibe (23) dreh­ fest gegenüber der Antriebswelle (14) angeordnet. Die erste Im­ pulsscheibe (23) ist wesentliches Bauteil des Systems (12) zur Drehwinkelbestimmung. Gemäß Fig. 6, die eine Draufsicht auf die erste Impulsscheibe (23) zeigt, sind auf dieser mehrere radial versetzt angeordnete konzentrische Impulsspuren aufgebracht. Der Impulsscheibe (23) ist eine aus der Zeichnung nicht hervor­ gehende Lichtschranke zugeordnet, die die Impulsspuren der Im­ pulsscheibe (23) abtastet. Die Lichtschranke besteht beispiels­ weise aus einem unterhalb der Impulsscheibe (23) angeordneten Lichtsender, dessen Lichtsignale von einem oberhalb der Impuls­ scheibe (23) angeordneten Lichtempfänger aufgenommen werden. Die Impulsscheibe (23) ist zwischen zwei parallel zueinander ange­ ordneten Leiterplatten (24, 25) positioniert. Die mit Abstand zueinander angeordneten Leiterplatten (24, 25) sind über mehrere Schrauben (26), denen jeweils eine Hülse (27) zugeordnet ist, miteinander verbunden. Die Leiterplatten (24, 25) dienen der Aufnahme von elektronischen Bauteilen, die die an der Licht­ schranke anfallenden Signale auswerten. Insbesondere sind auch der Sender und der Empfänger der Lichtschranke an den Leiter­ platten (24, 25) festgelegt.

In der Darstellung gemäß Fig. 1 oberhalb des Systemes (12) zur Drehwinkelbestimmung ist das System (11) zur Bestimmung der Um­ drehungsanzahl positioniert. An zwei parallel zueinander ange­ ordneten Leiterplatten (28, 29), deren Abstand mittels mehrerer Schrauben (30) festgelegt ist, sind zwei Wellen (31, 32) dreh­ beweglich gelagert. Die Lagerung der Wellen (31, 32) erfolgt mittels Kugellagern (34), wobei jeder Welle (31, 32) zwei Ku­ gellager (34) zugeordnet sind. Auf der Welle (31) ist eine Im­ pulsscheibe (35) drehfest angeordnet, die in Draufsicht in Fig. 5 dargestellt ist. Die Impulsscheibe (35) besitzt mehrere in Radialrichtung versetzt angeordnete Impulsspuren. Die Impuls­ scheibe (35) ist mit einem gekappten Gray-Code versehen, der 26 Schritte aufweist und dessen Signalverlauf aus Fig. 3 her­ vorgeht. Eine der Impulsscheibe (35) zugeordnete Lichtschranke, die aus der Zeichnung nicht hervorgeht, tastet die Impulsspuren der Impulsscheibe (35) ab. Der Sender und der Empfänger der Lichtschranke sind an den Leiterplatten (28, 29) befestigt.

Der Endbereich der Welle (31) nimmt ein Zahnrad (36) auf, das mit einer Außenverzahnung (37) versehen ist. Die Außenverzah­ nung (37) weist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 78 Zähne auf. Die Zähne der Außenverzahnung (37) kämmen mit einer Außenverzahnung (38), die auf dem Endbereich der Antriebswelle (14) angebracht ist und mit sechs Zähnen ausgeführt ist. Die Außenverzahnung (38) der Antriebswelle (14) treibt ebenfalls ein Zahnrad (39) an, das drehfest auf der Welle (32) aufsitzt. Eine Außenverzahnung (40) des Zahnrades (39) ist mit 66 Zähnen ausgeführt. Die Drehbewegung der Welle (32) wird auf eine Im­ pulsscheibe (41) übertragen, die drehfest auf der Welle (32) aufsitzt.

Fig. 4 zeigt die Impulsscheibe (41) in Draufsicht. Auch diese Impulsscheibe (41) ist mit mehreren in Radialrichtung versetzt zueinander angeordneten Impulsspuren ausgebildet. Ebenfalls ist die Impulsscheibe (41) mit einem gekappten Gray-Code versehen, der 22 Schritte enthält. Der Signalverlauf des gekappten Gray- Codes der Impulsscheibe (41) geht aus Fig. 3 hervor.

Die Drehbewegung der Antriebswelle (14) wird durch die Zahnrä­ der (36, 39) untersetzt und an die zugeordneten Impulsscheiben (35, 41) übertragen. Hierbei liegt an dem Zahnrad (36) ein Un­ tersetzungsverhältnis von 11 : 1 und an dem Zahnrad (39) ein Untersetzungsverhältnis von 13 : 1 vor. Somit ist der gemeinsa­ me Nenner des Halbgetriebes 143. Diese gibt auch gleichzeitig die höchste meßbare Umdrehungsanzahl an, die durch die Anzahl der möglichen Stellungen der Zahnräder (36, 39) begrenzt ist. Nach der Messung von 143 Umdrehungen nimmt das Halbgetriebe so­ mit wieder seine Ursprungslage ein.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild des Meßwertaufnehmers (10). Das System (12) zur Bestimmung der Drehwinkellager eines Dreh­ teiles ist mit der Impulsscheibe (23) versehen, der eine Licht­ schranke zugeordnet ist, die aus einem Sender (42) und einem Empfänger (43) besteht. Die von dem Empfänger (43) aufgenommen­ en Signale werden in einem Dekoder (44) ausgewertet und über die Endstufe (45) als Binärmuster abgegeben.

Den Impulsscheiben (35, 41) des Systems (11) zur Bestimmung der Umdrehungsanzahl ist jeweils eine Lichtschranke zugeordnet. Die Lichtschranke der Impulsscheibe (35) besteht aus einem Sender (46) und einem Empfänger (47). Der Impulsscheibe (41) des Sy­ stems (11) ist ein Sender (48) und ein Empfänger (49) zugeord­ net. Die von den Empfängern (47, 49) empfangenen Signale werden einem Dekoder (50) zugeführt. Dieser erhält ebenfalls ein Sig­ nal des Empfängers (43) des Systems (12). Dieses sogenannte MSB-Signal dient als Übertragssignal insbesondere der Justie­ rung des Meßwertaufnehmers (10).

In dem Dekoder (50) ist eine als EPROM ausgebildete Speicher­ einheit vorgesehen, in der eine endliche Anzahl von möglichen Signalwerten abgespeichert ist. Im vorliegenden Fall sind dies 143 Signalwerte, die jeweils einer möglichen Stellung der Im­ pulsscheiben (35, 41) des Systems (11) entsprechen. Um gegeben­ enfalls das zwischen den Zahnrädern (36, 39) und der Antriebs­ welle (14) bestehende Zahnflankenspiel auszugleichen, werden die von den Empfängern (47, 49) erhaltenen Signale mit den im EPROM abgespeicherten Signalwerte verglichen und einem abge­ speicherten Wert zugewiesen. Hierdurch kann ein Ausgleich des gegebenenfalls auftretenden Zahnflankenspiels erzielt werden.

Nach der Zuweisung an einen der abgespeicherten Signalewerte wird das Signal über eine Endstufe (51) ausgegeben.

Sowohl der Drehwinkel als auch die Umdrehungsanzahl liegt bei dem Meßwertaufnehmer (10) als Absolutwert vor. Auch nach einem gegebenenfalls auftretenden Stromausfall bleiben diese Absolut­ werte erhalten und können gegebenenfalls wieder abgegriffen werden. Die Absolutwertmessung des Drehwinkels und der Umdre­ hungsanzahl bedingt weiterhin, daß hiermit auch die Drehrich­ tung der Antriebswelle (14) erfaßt werden kann.

Die Zahnräder (36, 39) sind hinsichtlich Durchmesser und Zähne­ zahl derart gewählt, daß bei den zur Verfügung stehenden Raum­ verhältnissen eine möglichst hohe Anzahl von Umdrehungen der Antriebswelle (14) meßbar ist. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, daß die Zähnezahl der Verzahnungen (37, 40) teiler­ fremd gewählt wurden.

Claims (7)

1. Meßwertaufnehmer, insbesondere zur Bestimmung der Um­ drehungsanzahl eines Drehteiles nach dem Codierverfahren, mit einem Untersetzungsgetriebe, das mit einem Antrieb koppelbar ist und das mindestens eine Impulsscheibe antreibt, deren zuge­ ordnete Lichtschranke bei der Drehbewegung der Impulsscheibe einer Auswerteeinheit zuführbare Impulse erzeugt, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der mindestens einen Impulsscheibe (35) we­ nigstens eine zusätzliche, parallel geschaltete Impulsscheibe (41) zugeordnet ist, und daß das Untersetzungsgetriebe (36, 38, 39) mindestens zwei mit den Impulsscheiben (35, 41) gekoppelte Zahnräder (36, 39) mit einer teilerfremden Zähnezahl umfaßt, daß eine Speichereinheit vorgesehen ist, in der eine endliche Anzahl von der Stellung der mindestens einen Impulsscheibe (35) und der zugeordneten Impulsscheibe (41) zuordenbaren Signalwer­ ten abspeicherbar ist, und daß das Meßsignal mit den abgespei­ cherten Signalwerten verglichen wird, einem abgespeicherten Signalwert zugewiesen und dann ausgegeben wird.

2. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß den Zahnrädern (36, 39) Impulsscheiben (35, 41) zuge­ ordnet sind, die jeweils einen insbesondere verschiedenartigen Gray- Code aufweisen.

3. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Speichereinheit als EPROM-Glied ausge­ bildet ist.

4. Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Impulsscheiben (35, 41) zueinan­ der versetzt angeordnet sind.

5. Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Antriebswelle (14) vorgesehen ist, die mit einer weiteren Impulsscheibe (23) gekoppelt ist, an deren zugeordneter Lichtschranke dem Drehwinkel der An­ triebswelle (14) entsprechende Signale erzeugt werden.

6. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß ein an der Impulsscheibe (23) erzeugtes Signal zur Ju­ stierung der Impulsscheiben (35, 41) zur Umdrehungsanzahlmes­ sung abgegriffen wird.

7. Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß ein erstes Zahnrad (39), das mit 66 Zähnen ausgebildet ist, und mit einer 22 Schritte aufweisenden Impulsscheibe (48) gekoppelt ist, und ein zweites Zahnrad (36) vorgesehen sind, das mit 78 Zähnen und mit einer 26 Schritte aufweisenden zweiten Impulsscheibe (35) gekoppelt ist, wobei die beiden Zahnräder (36, 39) mit der Antriebswelle (14) käm­ men, die eine Verzahnung (38) mit sechs Zähnen aufweist.