DE8334088U1

DE8334088U1 - Mehrstufiger Winkelkodierer

Info

Publication number: DE8334088U1
Application number: DE19838334088
Authority: DE
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1983-11-26
Filing date: 1983-11-26
Publication date: 1988-09-15

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Winkelkodierer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Mehrstufige Winkelkodierer dienen zur Messung der Winkellage einer Welle über mehrere Umdrehungen, um z.B. die absolute Position eines Schlittens einer Werkzeugmaschine aus der Winkelposition der Antriebsspindel zu bestimmen und sind beispielsweise aus der DE-AS 21 26 510 und aus der DE-PS 27 46 854 bekannt.

Ein derartiger Winkelkodierer, der einen Winkel &eegr; · 360 ^ö messen soll, enthält eine erste mit der Welle des Winkelkodierers verbundene Codescheibe, die die absolute Feinposition der Welle in &zgr; Sehritten innerhalb des Winkels 360° eindeutig kennzeichnet, sowie mindestens eine zweite Codescheibe, die mit der Welle des Winkelkodierers über ein Untersetzungsgetriebe mit der Unter-

setzung &eegr; verbunden ist und die absolute Grobposition der Welle innerhalb des Winkels &eegr; · 360° in einem eindeutigen Code kennzeichnet, so daß insge-₍ samt eine Anzahl von &eegr; · 2 Winkelsehritten in oodierter Form dargestellt ist.

Bei Winkelkodierern werden zur Winkelkodierung vorzugsweise einschrittige Codes verwendet, bei denen sich benachbarte Binärkombinationen stets nur in einer Binärstelle unterscheiden, um keine Undefinierten Zwischenzustände beim übergang von einer Winkelstellung in die nächste Winkelstellung zu erhalten, da solche einsehrittigen Codes den geringsten elektronischen Aufwand erfordern. Bei diesen einschrittigen Codes wird aber die Meßgenauigkeit von den Codeinformationen aller Codespuren auf den beiden Codescheiben bestimmt. Die Untersetzungsgetriebe mehrstufiger Winkelkodierer sind im allgemeinen aber zu ungenau, um die Codeinformation der₍ Grobcodescheibe zur Codeinformation der Feincodescheibe exakt zuzuordnen. Aus diesem Grund wird Üblicherweise die Codeinformation jeder Codespur der Grobcodescheibe doppelt (einmal voreilend und einmal nacheilend) abgetastet; mit Hilfe eines Signals, das von der Feincodescheibe abgeleitet wird, entscheidet eine Schaltlogik, welche Grobcodeinformation ausgewertet werden soll (Prinzip der ü^A&tastung), Diese Oeppelabtastung ist aber iss« besondere bei großen Meßlängen und damit bei vielen Codespuren sehr aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem mehrstufigen Winkelkodierer der oben genannten Gattung eine Einfachabtastung der Codeinformatiön alt hoher Meßgenauigkeit zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäfi durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen Si insbesondere darin, daß mit einfachen Mitteln eine¹ eindeutige Zuordnung der Groboodeinformation zur Feincodeinformation erzielt wird/ so daß eine aufwendige Doppelabtastung und eine Schaltlogik entfallen können und an die Genauigkeit dee Unter-Setzungsgetriebes keine großen Anforderungen gestellt werden müssen. Insgesamt ergibt sich somit ein einfach aufgebauter und damit preisgünstiger möhrstu* figer Winkelkodlerer mit hoher Meßgenauigkeit.

vorteilhafte Weiterbildungen entnimmt man den Unter" ansprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. 20

Es zeigen

Figur 1 einen zweistufigen Winkelkodierer , 25

Figur 2 das Codeschema eines 4-Bit Graycodes,

3 g^g^ e©öes6&e£fce» mit zugeaösi» ^{ünd 4} ger Äbtastplatte und

Figur 5 schematiSGhe Darstellungen der

^13X1 Überlagerung der Codespuren der Grobcodeseheibe und der

Steuerspuren der Feincodeseheibe.

In Figur 1 iet sin zweistufiger Winkelkodierer dargestellt > dessen Gehäuse G mit einem Maschinenteil einer nicht geseigten Be&rbeitungsmasohine verbun-, den ist. In Gehäuse &bgr; ist mittels Lager L₁ eine &uacgr; Welle W gelagert, die über eine Kupplung mit einer Antriebespindel der Bearbeitungsmaschine verbunden ist. Auf der Welle W sind eine Feineodeseheibe FS und ein Ritzel R₁ befestigt, das über ein Zahnrad 2₂ und ein Ritzel R₂ eines im Gehäuse &bgr; fest ange ordneten Untersetzungsgetriebes U ein mit einer Nabe M verbundenes Zahnrad Z₁ antreibt. Die Habe N ist mittels Lager L₂ auf der Welle W gelagert und trägt eine Grobcodescheibe GS, die in geringem Abstand won der Feineodescheibe FS gegenüber dieses¹ mit der halben Winkelgeschwindigkeit infolge der Untersetzung &eegr; » 2 des Untersetzungsgetriebes U drehbar ist.

Zur lichtelektrischen Abtastung der Codeinforma- j tionen der Feineodeseheibe FS und der Grobcodescheibe GS ist im Gehäuse G eine Abtasteinheit A mit einer Beleuchtungsquelle B, einem Kondensor K, einer Abtastplatte AP und mit Pftotoelementen P befestigt. Die von den Photoelementen P erzeugten Abtastsignale werden einer Auswerteeinrichtung AW und über einen Steckverbinder V einer nicht dargestellten digitalen Anzeigeeinheit zugeführt.

In Figur 2 ist das Codesehema eines einschrittigen 3&THgr; 4-Bit Graycode^ mit einer Tabelle der Binärkombinationen gezeigt. Die dunklen(schraffierten ) Felder bedeuten den Binärzustand Null und die hellen Felder den Binärzustand Bins.

Der einschrittige Obergang von einem Binärzustar.d in den nächsten Binärzustand erfolgt an den Kanten der Felder.

Xn Figur 3 sind zur Realisierung dieses 4-Bit Graycodes nach Figur 2 bei einem zweistufigen Winkelkodierer mit der Untersetzung &eegr; = 2 die Fein— codescheibe FS und die Grobcodescheibe GS dargestellt. Die Feincodeinformation ist in den Feincodespuren 1/2 der Feincodescheibe FS und die Grobcodeinformation in den Grobcodespuren 3, 4 der Grobcodescheibe GS enthalten. |

Zur eindeutigen Zuordnung der Grobcodeinformation -

zur Feincodeinformation bei einer Einfachabtastung ' der Grobcodespuren 3, 4 sind erfindungsgemäß auf der Feincodescheibe FS Steuerinformationen in zwei Steuerspuren 3', 4' aufgebracht, die den Grobcodeinformationen der Grobcodespuren 3/4 der Grobcode- scheibe GS direkt überlagert werden. Die Grobcodespuren 3/ 4 der Grobcodescheibe GS sind jeweils in zwei konzentrische Grobcodehalbspuren 3a, 3b/ 4a, 4b und die Steuerepuren 3', 4' der Feincodescheibe FS jeweils in zwei konzentrische Steuerhalbspuren 3a¹» 3b'/ 4a'/ 4b' aufgeteilt. Zur Abtastung der Feincodespuren 1/ 2 der Feincodescheibe FS sind auf der Abtastplatte AP der Abtasteinheit A Abtastfelder AT₁, AT₂ vorgesehen. Zur gemeinsamen Abtastung der Steuerhalbspuren 3a', 3b* der Feincodescheibe FS und der Grobcodehalbspuren 3a, 3b der Grobcodescheibe GS sind auf der Abtastplatte AP ein Abtastfeld AT₃ und zur gemeinsamen Abtastung der Steuerhiftlbspuren 4a¹/ 4b* der Feineodeseheibe FS und der Grobcodehalbgpuren 4a, 4b der örobcodeaoheibo es auf der Ab-

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tastplatte AP ein Abtastfeld AT₄ vorhanden; den Abtastfeldern AT₁ - AT. sind jeweils ein Photoelement P₁ - P. in der Abtasteinheit A zugeordnet (Figur 1). Bei Drehung der Feincodescheibe FS um den Winkel U ₁ dreht sich die Grobcodescheibe GS infolge der Untersetzung &eegr; = 2 um den Winkel If₂ = V.,/2·

In Figur 5 sind schematisch die Feincodespuren 1, 2 und die Steuerhalbspuren 3a', 3b', 4a·, 4b· der Feincodescheibe FS sowie die Grobcodehalbspuren 3a, 3b, 4a, 4b der Grobcodescheibe GS mit den Abtastfeldern AT₁ - AT₄ und eine Tabelle der Binärkombinationen dargestellt. Zur besseren Kenntlichmachung der überlagerung der Steuerhalbspuren 3a', 3b', 4a', 4b¹ mit den jeweiligen Grobcodehalbspuren 3a, 3b, 4a, 4b sind die Grobcodehalbspuren 3a, 3b, 4a, 4b mit einer größeren Breite dargestellt und weisen eine andere Schraffur auf. Der Binärzustand soll Null sein, wenn die vom Abtastfeld AT- abgetasteten beiden überlagerten Halbspuren 3a, 3a' und 3b, 3b* dunkle (gestrichelte) Felder ergeben, und soll Eins sein, wenn wenigstens eine der beiden überlagerten Halbspuren 3a, 3a* und 3b, 3b' ein helles Feld ergeben. Diese Binärzustände gelten in gleicher Weise auch für die überlagerten Halbspuren 4a, 4a¹ uid 4b, 4b¹. Die Abtastung der Spuren 1-4 durch die Abtastfelder AT₁ - AT₄ ergeben gemäß der Tabelle die gleichen Binärkombinationen de3 Graycodes wie in der Tabelle nach Figur 2. Wie ersichtlich, erfolgt der einschrittige Übergang von einem Binärzustand in den nächsten Binärzustand ausschließlich an den Kanten der hellen und dunklen Felder der Steuerinformationen der steuerhalbspuren 3a¹, 3b¹, 4aS 4b¹ der Feincodescheibe FS/ so daß die Grob-

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Codeinformationen auf den Grobcodehalbspuren 3a, 3b, 4a, 4b relativ zu den Steuerinformationen auf den Steuerhalbspuren 3a¹, 3b¹, 4a', 4b.¹ um maximal 90° verschoben sein könnan. Für die Untersetzung &eegr; = 2 des Untersetzungsgetriebes U ist somit ein maximaler Fehler von 90° bezogen auf die Feincodescheibe FS bzw. ein maximaler Fehler von 90°/2 bezogen auf die Grobcodescheibe GS zulässig.

In Figur 4 sind zur Realisierung des 4-Bit Graycodes nach Figur 2 bei einem zweistufigen Winkelcodierer mit der Untersetzung &eegr; = 2 eine Feincodescheibe FS¹ und eine Grobcodescheibe GS¹ dargestellt. Die Feincodeinformation ist in den Feincodespuren 1·, 2' der Feincodescheibe FS· und die Grobcodeinformation in den Grobcodespuren 3c, 4c der Grobcodescheibe GS¹ enthalten.

Zur eindeutigen Zuordnung der Grobcodeinformation zur Feincodeinformation bei einer Einfachabtastung der Grobcodespuren 3c, 4c sind auf der Feincodescheibe FS' Steuerinformationen in zwei spiralförmigen Steuerspuren 3c·, 4c¹ aufgebracht, die den Grobcodeinformationen der ebenfalls spiralförmigen Grobcodespuren 3c, 4c der Grobcodescheibe GS* direkt überlagert werden. Zur Abtastung der Feincodespuren 1·, 2' der Feincodescheibe FS· sind auf einer Abtastplatte AP¹ einer Abtasteinheit A¹ Abtastfelder AT₁ ¹, AT₂ ¹ vorgesehen. Zur gemeinsamen Abtastung der Steuerspur 3c¹ der Feincodescheibe FS· und der Grobcodespur 3c der Grobcodescheibe GS¹ sind auf der Abtastplatte AP¹ ein Abtastfeld AT₃ ¹ und zur gemeinsamen Abtastung der Steuerspur 4c· der Feineodescheibe FS¹ und der ßarobeodespur 4c der Grobeode-

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scheibe GS¹ auf der Abtastplatte AP¹ ein Abtastfeld AT₄ ¹ vorhanden; den Abtastfeldern AT₁' - AT₄' sind jeweils ein Photoelement P₁ * - P.' in der Ab"-tasteinheit A¹ zugeordnet (Figur 1). Bei Drehung der Feincodescheibe FS' um den Winkel O ₁' dreht sich die Grobcodescheibe GS' infolge der Untersetzung &eegr; = 2 um den Winkel tj' - If '/2.

In Figur 6 sind schematisch die Feincodespuren 1', 2' und die Steuerspuren 3c', 4c' der Feincodescheibe FS¹ sowie die Grobcodespuren 3c, 4c der Grobcodescheibe GS' mit den Abtastfeldern AT ' AT₄ ¹ gemäß Figur 4 dargestellt. Zur besseren Kenntlichmachung der gegenseitigen überlagerung weisen die Steuerspuren 3c', 4c· und die Grobcodespuren 3c, 4c eine unterschiedliche Schraffur auf. Der Binärzustand soll Null sein, wenn die vom Abtastfeld AT₃' abgetasteten beiden überlagerten Spuren 3c, 3c' dunkle (gestrichelte) Felder ergeben, und '· soll Eins sein, wenn die beiden überlagerten Spuren 3c, 3c* ein helles Feld ergeben. Diese Binärzustände gelten in gleicher Weise auch für dia überlagerten Spuren 4c, 4c'. Die Abtastung der Spuren 1', 2', 3c, 3c¹, 4c, 4c· durch die Abtastfelder AT.' - AT₄· ergeben die gleichen Binärkombinationen des Graycodes wie in der Tabelle nach Figur 2. Wie ersichtlich, erfolgt der ->inschrittige Übergang von einem Binärzustand in den nächsten Binärzustand ausschließlich an den Kanten der hellen und dunklen Felder der Steuerinformationen der Steuerspuren 3c¹, 4c' der Feincodescheibe FS·, so daß die Grobcodeinformationen auf den Grobcodespuren 3c/ 4e relativ 2U den Steuerinformationen auf den Steuerepuren 3c¹, 4c· um maximal 90" verschoben sein können*

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Pur die Untersetzung &eegr; - 2 dee Untersetzungsgetriebes U ist somit ein maximaler Fehler von 90* bezogen auf die Feineodeseheibe FS¹ bzw. ein maximaler Fehler von 90°/2 bezogen auf die Groboodescheibe SS¹ zulässig.

Die mit einem derartigen Winkelkodierer ermittelten absoluten Meßwerte können sowohl in einer Positionsanzeige als auch in einer numerischen Steuerung weiterverarbeitet werden.

Die Erfindung ist nicht auf lichtelektrische Meßeinrichtungen beschränkt, sondern kann auch bei magnetischen/ induktiven oder kapazitiven Meßeinrichtungen eingesetzt werden.

Claims

- 1 DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 18. November 1983

Ansprüche ^l

1. Mehrstufiger Winkelkodierer mit einer mit einer Antriebswelle verbundenen Feincodescheibe und wenigstens einer der Feincodescheibe über ein Getriebe nachgeschalteten Grobcodescheibe sowie mit einer Abtasteinheit zur Abtastung der Codeinformationen der Codescheiben/ dadurch gekennzeichnet, daß zur eindeutigen Zuordnung der Grobcodeinformation zur Feincodeinformation auf der Feincodescheibe (FS) Steuerinformationen aufgebracht sind, die den Grobcodeinformationen der Grobcodescheibe (GS) direkt überlagerbar sind.

2. Winkelkodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerinformationen jeweils auf zwei konzentrischen Steuerhalbspuren (3a¹, 3b* <■ la', 4b¹) der Feincodescheibe (FS) und die Grobcodeinformationen jeweils auf zwei konzentrischen Grobcodehalbspuren (3a, 3b, 4a, 4b) der Grobcodescheibe (GS) aufgebracht sind.

3. Winkelkodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuarinformationen auf spiralförmigen Steuerspuren (3c*, 4c') der Feincodescheibe (FS¹) und die Grobcodeinformationen auf spiralförmigen Grobcodespuren (3c, 4c) der Grobcodescheibe (GS') aufgebracht sind.

Winkelkodierer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur gemeinsamen Abtastung jeweils zweier überlagerter Halbspuren (3a, 3a¹, 3b, 3b'; 4a, 4a¹, 4b, 4b¹) jeweils ein Abtastelement CP₃;

fi 5P^) vorgesehen ist.

5. Winkelkodierer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur gemeinsamen Abtastung jaweils zweier überlagerter spiralförmiger Spuren (3c, 3c¹; 4c, 4c¹) jeweils ein Abtastelement (P₃ ¹; ^&rgr;&lgr;') vorgesehen ist.

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