DE102005039405B4 - Vorrichtung zum Bestimmen der absoluten Drehstellung einer Drehachse - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zum Bestimmen einer absoluten Drehstellung einer Drehachse (2), aufweisend einen Umdrehungszähler (3) und einen Winkelkodierer (4), die jeweils einen mit der Drehachse (2) verbundenen Geber (3.1, 3.2; 4.1, 4.2) aufweisen, wobei der Geber des Umdrehungszählers (3) eine Spindel (3.1) und einen relativ zu dieser drehbar und entlang derselben axial beweglichen Schlitten (3,2) aufweist und der Winkelkodierer (4) eine auf einem zumindest transluzenten Zylinder (4.1) angeordnete lichtundurchlässige schraubenförmige Mantellinie (4.2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Geber von Umdrehungszähler (3) und Winkelkodierer (4) axial nebeneinander bezüglich der gemeinsamen Drehachse (2) von Spindel (3.1) und transluzentem Zylinder (4.1) angeordnet sind und an einer freien Stirnseite der Spindel (3.1) eine Lampe (5) vorgesehen ist, die axial in die Zylinderanordnung aus Spindel (3.1) und transluzentem Zylinder (4.1) einstrahlt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen einer absoluten Drehstellung einer Drehachse.
• Derartige Vorrichtungen dienen zur Erfassung der absoluten Drehstellung einer Drehachse einer Maschine. Dabei kann es vorkommen, dass die Achse der Maschine rotiert, wenn die Maschine und der Absolutgeber abgeschalten, also vom Stromnetz abgetrennt sind. Es ist jedoch erwünscht, dass auch Rotationen der Maschinenachse in einer solchen Situation vom Absolutgeber erfasst werden, so dass eine Neukalibration zur Erfassung der genauen Achslage nach dem Wiedereinschalten vermieden werden kann.
• Mechanische Absolutgeber müssen Achsumdrehungen mittels eines Getriebes messen. Das Getriebe ist mit der rotatorischen Achse verbunden und weist hierarchisch miteinander gekoppelte Zahnräder auf. Je weiter ein Zahnrad hierarchisch von der Achse entfernt ist, desto langsamer dreht es sich bezüglich der Rotation der Achse. So kann die Winkelstellung der Achse mit den hierarchisch nahen Zahnrädern relativ genau gemessen werden, während durch die Kaskadierung weiter entfernte Zahnräder Mehrfachrotationen erfassen können. Die Zahnräder sind dabei mit Markierungen versehen, so dass ihre Winkelstellung erfasst werden kann.
• Aufgrund ihrer mechanischen Beschaffenheit und der Vielzahl von beweglichen Teilen sind solche Absolutgeber verschleißanfällig, was einen regelmäßigen Austausch oder regelmäßige Wartung notwendig macht. Bei diesen Systemen wird die zu messende rotatorische Achse an ein Getriebe angeschlossen. Je weiter ein Zahnrad hierarchisch von der Antriebsachse entfernt ist, desto langsamer dreht es sich. Auf jedem Rad sind Marken/Kerben angebracht, mit denen die Drehlage des Rades innerhalb einer gesamten Drehung erfasst werden kann. Durch die Kaskadierung zu einem Getriebe können so auch Mehrfachrotationen erfasst werden, ohne das eine elektrische Pufferung erforderlich wäre.
• Elektronische Absolutgeber haben eine Pufferbatterie. Die Pufferbatterie erlaubt den Betrieb des Absolutgebers, auch wenn überlagerte Komponenten stromlos sind. Pufferbatterien haben eine begrenzte Lebensdauer und müssen nach einer bestimmten Zeit ausgetauscht werden. Außerdem benötigen solche Batterien Platz, was die Außenmaße des Absolutgebers erhöht.
• Die DE 198 55 064 A1 beschreibt einen optoelektronischen Lenkwinkelsensor zum Bestimmen der absoluten Winkelstellung des Lenkrades eines Kraftfahrzeuges umfassend eine Funktionseinheit zum Erfassen der Winkelstellung des Lenkrades innerhalb eines Winkelsegmentes aus dem gesamten Lenkraddrehbereich mit einem an die Drehbewegung des Lenkrades gekoppelten Codegeber aufweisend eine beleuchtete Codespur und mit einem aus einer Vielzahl von einzelnen optoelektronischen Wandlerelementen aufgebauten Sensorarray. Die Codespur ist entsprechend der Stellung des Lenkrades in dem Winkelsegment an unterschiedlichen Stellen auf der photosensitiven Oberfläche des Sensorarrays abgebildet. Der Lenkwinkelsensor verfügt über eine weitere optoelektronisch arbeitende Funktionseinheit, die zum Erfassen der Winkelstellung des Lenkrades innerhalb des gesamten Lenkraddrehbereichs vorgesehen ist und über einen an die Drehbewegung des Lenkrades gekoppelten beleuchteten Codegeber und über ein aus einer Vielzahl von einzelnen optoelektronischen Wandlerelementen aufgebautes Sensorarray verfügt, wobei zum Erfassen der Codespuren der jeweils einer Funktionseinheit zugeordneten Codegeber ein gemeinsames Sensorarray vorgesehen ist. Anstelle von Codescheiben können dabei auch andere Geberelemente eingesetzt sein, wie beispielsweise Walzen, die konzentrisch die Lenksäule umgebend angeordnet sind, und beispielsweise schraubenlinienförmige Codespuren aufweisen.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Ermittlung der Drehstellung einer Drehachse bereitzustellen.
• Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum Bestimmen einer absoluten Drehstellung einer Drehachse, aufweisend einen Umdrehungszähler und einen Winkelkodierer, die jeweils einen mit der Drehachse verbundenen Geber aufweisen, wobei der Geber des Umdrehungszählers eine Spindel und einen relativ zu dieser drehbar und entlang derselben axial beweglichen Schlitten aufweist und der Winkelkodierer eine auf einem zumindest transluzenten Zylinder angeordnete lichtundurchlässige schraubenförmige Mantellinie aufweist, und wobei die Geber von Umdrehungszähler und Winkelkodierer axial nebeneinander bezüglich der gemeinsamen Drehachse von Spindel und transluzentem Zylinder angeordnet sind und an einer freien Stirnseite der Spindel eine Lampe vorgesehen ist, die axial in die Zylinderanordnung aus Spindel und transluzentem Zylinder einstrahlt.
• Es wird also die Drehstellung einer Drehachse erfasst, bevorzugt auf rein mechanische Weise, und weiter auf optische Weise ausgelesen. Das optische Auslesen geschieht dabei, indem Geber von Umdrehungszähler und Winkelkodierer durch Licht beschienen werden und so einen örtlich begrenzten Schatten auf lichtempfindliche Detektoren werfen. Der Schatten wird von den Sensoren detektiert und die Position des Schattens in elektrische Signale gewandelt. Die axiale Position der Schatten hängt dabei von der Stellung von Umdrehungszähler und Winkelkodierer ab und die Drehstellung dieser von der Drehstellung der Drehachse. Somit kann aus der Position des Schattens auf die Drehstellung der Drehachse geschlossen werden. Durch das optische Auslesen ist es möglich, berührungsfrei und ohne weitere bewegliche Teile die Position der Schlitten zu detektieren. Dies führt zu einer unkomplizierten und wartungsfreien Vorrichtung und einem entsprechenden Verfahren zur Bestimmung der Drehposition.
• Es ist vorgesehen, dass Umdrehungszähler und Winkelkodierer jeweils einen mit der Drehachse verbundenen Geber aufweisen und dass die Geber vom Umdrehungszähler und Winkelkodierer axial nebeneinander auf der Drehachse angeordnet sind. Die Geber von Umdrehungszähler und Winkelkodierer erfassen ihre Werte Umdrehungszahl bzw. Winkelstellung mechanisch und so ohne Stromversorgung als absolute Werte. Mindestens ein optischer Winkel-Detektor liest mittels einer Lichtquelle die Werte optisch. Dies ist besonders vorteilhaft, da das Auslesen somit berührungsfrei und so reibungsfrei und fast wartungsfrei geschehen kann.
• Der Umdrehungszähler weist eine Spindel mit einem durch diese axial verschiebbaren Schlitten auf. Der Umdrehungszähler kann, ohne ein zusätzliches Getriebe zu benötigen, an die zu erfassende Achse gekoppelt werden. Dies vereinfacht den Aufbau. Dabei kann die Spindel so ausgebildet werden, dass eine sehr große Anzahl an Achsendrehungen durch die Spindel-Schlitten-Kombination erfasst werden kann, ohne dass der Schlitten an das Ende der Spindel gelangt. Dies kann z. B. durch Spindeln, deren Gewinde nur eine geringe Steigung aufweist, realisiert werden. Dieser Wertebereich kann durch die Verwendung von Planeten-Wälz-Gewindespindeln weiter vergrößert werden. Hierbei ist der Vortrieb pro Umdrehung um ein Vielfaches kleiner als die Steigung der Spindel.
• Da mit dem Umdrehungszähler nur eine bestimmte maximale Anzahl an Umdrehungen gemessen werden kann, muss beim Einbau darauf geachtet werden, dass der Umdrehungszähler-Schlitten während des normalen Betriebs nicht an einen seiner Anschläge fährt.
• Soll dennoch ein ”Überdrehen” zugelassen werden, dann muss der Schlitten so konstruiert sein, dass er diesen Vorgang schadlos übersteht.
• Konstruktiv geschieht dies dadurch, dass der Schlitten das führende Gewinde gegen eine geringe Federkraft verlässt, wie axial auf einen zylindrischen Abschnitt mit dem Nutengrund des Gewindes der Gewindespindel entsprechenden Durchmesser. Schon eine geringe Federkraft stellt sicher, dass der Schlitten bei Drehrichtungsumkehr wieder auf die Gewindespindel aufsetzt und zurückfährt.
• Rotationen, die in diesem Zustand (bei stehendem Umdrehungszähler-Schlitten) ausgeführt werden, können nicht absolut erfasst werden. Jedoch kann ein in Betrieb befindliches überlagertes Steuerungssystem diese dennoch kennen, da ja der rechte Teil des Sensors zur Erfassung der Drehlage innerhalb einer einzigen Umdrehung nach wie vor funktioniert.
• Alternativ kann die Lichtquelle mindestens eine Leuchtdiode sein. Leuchtdioden sind im Gegensatz zu anderen Leuchtmitteln energiesparend. So kann der Stromverbrauch gesenkt werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Lichtquelle durch eine Batterie gespeist wird. Vorteilhaft ist die Lichtquelle mit einem Lichtleiter gekoppelt. So muss die Lichtquelle nicht in unmittelbarer Nähe der lichtempfindlichen Sensoren angeordnet werden. Dies führt einerseits zu größerer konstruktiver Freiheit, so dass auch speziellere räumliche Geometrien geschaffen werden können, andererseits kann somit auch die Wärme der Lichtquelle von dem Absolutgeber fern gehalten werden. Da der Lichtleiter das eingekoppelte Licht entlang einer bestimmten Strecke aussenden kann, können auch punktförmige Lichtquelle benutzt werden.
• Vorteilhaft ist aber mindestens ein lichtempfindlicher Detektor als CCD-Wandler ausgebildet. CCD-Wandler sind weit verbreitet und deshalb preiswert verfügbar. Auch können CCD-Wandler sehr fein z. B. mit einer Pixelgröße von 1–20 ym hergestellt werden. Dadurch kann eine hohe Auflösung des vom Winkelerfassungsmittel veränderten Lichts erreicht werden. Auch sind CCD-Wandler mit einer Vielzahl von Sensorzellen (bis über 10000) erhältlich. Es lässt sich also das Licht nicht nur sehr fein aufgelöst, sondern auch über eine große Strecke detektieren.
• In bevorzugter Ausgestaltung sind die lichtempfindlichen Sensoren mit einer elektronischen Steuereinheit verbunden. Mit einer solchen Steuereinheit werden einerseits der mittels eines Detektors mit Taktsignalen zum Aufnehmen und Übertragen der Helligkeitsdaten versorgt, andererseits können damit aus den Ausgabesignalen des Detektierens die Winkelstellung der rotatorischen Achse berechnet werden. Daneben können in einer Steuereinheit auch Fehlerkorrekturen stattfinden, wodurch das Verfahren noch zuverlässiger wird. Diese Fehlerkorrekturen können sowohl Fehler durch die Beleuchtung betreffen, als auch Fehler in der Detektion u. ä.
• Vorteilhaft ist der Datenausgang des lichtempfindlichen Detektierens mit mindestens einem Analog/Digitalwandler verbunden. Dadurch können die Analogsignale der Sensoren in leicht weiterverarbeitbare Digitalsignale umgewandelt werden. Diese Signale werden der elektronischen Steuereinheit übermittelt, wo diese dann weiterverarbeitet werden.
• Die Ausgangssignale der Detektoren werden so durch den Analog/Digitalwandler digitalisiert und der elektronischen Steuereinheit zugeführt, welches auch die Detektoren ansteuert. Durch die Digitalisierung können die Signale aus den Detektoren bequem mit elektronischen Rechnerbausteinen weiterverarbeitet werden. Die elektronische Steuereinheit kann dabei die für die Detektoren erforderlichen Taktfrequenzen bereitstellen und außerdem die durch den Analog/Digitalwandler verarbeiteten Daten entsprechend der vorherigen Schritte weiterverarbeiten, also invertieren, mitteln, gewichten etc.
• Die Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Winkelkodierer eine auf einem zumindest transluzenten Zylinder angeordnete lichtundurchlässige schraubenförmige Mantellinie aufweist. Dadurch entsteht, wenn der Hohlzylinder um seine Achse rotiert, ein Schatten auf einem Zeilen-Detektor, der sich entlang desselben bewegt. Der Schatten springt dabei am Ende einer Umdrehung von seinem Bewegungssendepunkt zu seinem Bewegungsanfangspunkt.
• Eine weiterhin bevorzugte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle eine sich im Wesentlichen parallel zur Drehachse erstreckende Stablampe ist, wobei entweder die Stablampe neben der Drehachse angeordnet ist, oder aber die Stablampe koaxial angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, dass die Lichtquelle über einen großen Längen-Bereich gleichmäßig Licht aussendet und so über einen großen Längen-Bereich die lichtempfindlichen Detektoren gleichmäßig bestrahlt. Diese Gleichmäßigkeit ist besonders gewünscht, da dadurch eine besondere Kalibrierung der Lichtquelle oder des Sensors vermieden werden kann.
• Bevorzugt fallen die von Umdrehungszähler und Winkelkodierer erzeugten Schatten auf unterschiedliche Detektoren oder unterschiedliche Bereiche des mindestens einen Zeilen-Detektors. Die dadurch entstehenden Ausgangssignale werden getrennt weiterbehandelt, wodurch sich die Weiterbehandlung der Signale vereinfacht.
• Vorteilhaft werden die Ausgangssignale der lichtempfindlichen Sensoren invertiert. Dabei werden die Helligkeitssignale der beschienen Sensorzellen auf Null gesetzt, während die Signale vollkommen abgeschatteter Sensorzellen auf einen Maximalwert gesetzt werden. Da die Schatten das relevante Signal zur Winkelbestimmung darstellen, wird es durch das Invertieren leichter, das relevante Signal weiterzuverarbeiten.
• In einem Verfahrens kann vorgesehen sein, dass durch Gewichtung der invertierten Signale der Mittelpunkt eines auf den Zeilen-Detektor fallenden Schattens bestimmt wird. Hierdurch wird der Signalverlauf über den Ort durch einen einzigen Wert, nämlich den Mittelpunkt dieses Verlaufs, ersetzt. So wird es einfacher, verschiedene Signale miteinander in Beziehung zu setzen. Da der Mittelpunkt des Schattens die Umdrehungszahl bzw. den zu messenden Winkel repräsentiert, bleibt durch die Mittelung die Ortsinformation des Winkelerfassungsmittels erhalten. Werden mehrere benachbarte Sensorzellen abgeschattet, so wird aus den Ausgangssignalen der Detektoren eine Helligkeitsverteilung erhalten, deren Mittelpunkt die Umdrehungssignale bzw. den Winkel der Drehachse kodiert. Durch dieses Verfahren können die Mittelpunkte genauer ermittelt werden, als es eigentlich die Ausdehnung der einzelnen Detektoren oder Pixel erlaubt. Es wird eine Genauigkeit im Sub-Pixelbereich erzielt.
• Besonders bevorzugt werden die getrennt behandelten Signale durch Ermittlung der Phasendifferenz miteinander in Beziehung gebracht. So können z. B. der Fehler in der Winkelermittlung eingeschätzt werden.
• Der Schatten des Winkelkodierers springt auf dem Detektor nach einem Durchlauf von einem Ende zum anderen. Dabei ist es für die Auswertung der Signale wichtig, dass mindestens ein Schatten sich vollständig auf dem Detektor befindet. Dies kann gewährleistet werden, indem zeitweise zwei Schatten auf den Sensor projiziert werden. Dementsprechend ist in bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen, dass der Winkelkodierer je nach Drehstellung zwei Schatten auf einem Detektor erzeugen. Die daraus resultierenden Ausgangsdaten werden mittels Gewichtung zueinander in Beziehung gebracht.
• Zwei Schatten sind für die Auswertung problematisch, da diese Schatten zwei verschiedene Werte darstellen. Dieses Problem wird gelöst, indem die beiden Werte gewichtet werden und somit der Winkelwert unter Berücksichtigung der Gewichtung ermittelt wird.
• Bevorzugt ist der Absolutgeber mit Kühlelementen ausgestattet. Dadurch wird es möglich, den Absolutgeber auch in der Nähe von heißen Maschinen zu platzieren, ohne dass der Absolutgeber Schaden nimmt.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung im Einzelnen erläutert sind. Dabei zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung;
• 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Vorrichtung;
• 3 die schematische Darstellung des Anschlusses des Absolutgebers an eine heiße Maschine;
• 4 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der Steuerelektronik für die erfindungsgemäße Vorrichtung;
• 5 eine schematische Darstellung zur Digitalisierung der Signale der lichtempfindlichen Sensoren;
• 6a, 6b Diagramme des Schattenverlaufs von Umdrehungszähler und Winkelkodierer der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
• 7a, 7b Diagramme zum Phasenvergleich zwischen zwei Signalen des Winkelkodierers zur korrekten Bestimmung der Umdrehungszahl.
• 8 ein Diagramm zur Gewichtung zweier Signale des Winkelkodierers.
• Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zum Bestimmen der Absolutposition einer Drehachse 2. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 weist einen Umdrehungszähler 3 zum Bestimmen der Umdrehungszahl der Achse 2 und einen Winkelkodierer 4 zum Bestimmen der Winkelstellung der Achse 2 bei einer bestimmten Umdrehung auf.
• Der Umdrehungszähler 3 hat eine mit der Achse 2 drehfest verbundene Spindel 3.1 mit kleiner Steigung und mit N-Windungen. Die Windungszahl N entspricht der maximalen Anzahl der zu messenden Umdrehungen der Achse 2. Auf der Spindel 3.1 sitzt ein Schlitten 3.2, der in das Gewinde der Spindel 3.1 eingreift und bei Drehung derselben (mit der Achse 2) sich längs der Spindel 3.1 bewegt. Der Schlitten 3.2 umgreift im dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 eine Stablampe 5, die sich parallel zur Spindel 3.1 und demgemäß auch durch den Schlitten 3.2 hindurcherstreckt. Die Stablampe 5 wird durch ein Anschlusskabel 5.1 mit Spannung versorgt.
• Ebenfalls sich parallel zur Spindel 3.1 erstreckend befindet sich unterhalb dieser und der Stablampe 5 und auf der der Spindel 3.1 abgewandten Seite der Stablampe 5 ein Zeilen-Detektor 6, insbesondere in Form eines CCD-Wandlers mit mindestens einer Zeile lichtempfindlicher Elemente oder Pixel.
• Durch den Schlitten 5 ergibt sich in dessen Bereich, wie im Teildiagramm 7 der 1 ersichtlich ist, eine Abschattung auf den entsprechenden lichtempfindlichen Elementen oder Pixeln des Zeilen-Detektors 6, der demgemäß in diesem Bereich 7.1 kein Signal abgibt, aber in den nicht durch den Schlitten 3.2 abgedeckten Bereichen des Zeilen-Detektors 6 ein Signal 7.2 endlicher Größe abgibt.
• Wie dem rechten Teil der 1 entnehmbar ist, ist weiterhin drehfest mit der Achse 2 ein transluzenter, vorzugsweise transparenter Zylinder 4.1 verbunden, der über seine Länge hin eine schraubenförmige lichtundurchlässige Mantellinie 4.2 trägt. Die Stablampe 5 erstreckt sich in den Zylinder 4.1 hinein, der diese damit umgreift. Ebenfalls erstreckt sich der Zeilen-Detektor 6 bis über die Länge des Zylinders 4.1.
• Die gesamte Anordnung der Achse 2, der Spindel 3.1 und des Zylinders 4.1 wird durch einen Rahmen 8 getragen.
• Die schraubenförmige Mantellinie 4.2 erstreckt sich, wie weiter unten im Einzelnen erläutert ist, über etwas mehr als 360° des Zylinders 4.1.
• Die schraubenförmige Mantellinie 4.1 schattet in ihrem zwischen der Stablampe 5 und dem Zeilen-Detektor 6 liegenden Bereich das auf diesen fallende Licht der Stablampe 5 ebenfalls wieder ab, so dass sich bei den einzelnen Pixeln im Bereich 7.3 (Diagramm 7) wiederum kein Signal ergibt, während benachbart hierzu im nicht abgeschatteten Bereich des Zylinders 4.1 sich wiederum das endliche Signal 7.4 bzw. 7.5 zeigt.
• Die 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen der Absolutposition einer Drehachse. Soweit diese Ausgestaltung gleiche Elemente zeigt, wie die der 1, sind diese gleich bezeichnet.
• Mit der Drehachse 2 ist wiederum drehfest eine Spindel 3.1 verbunden, auf der ein Schlitten 3.2 läuft, der axial verschieblich gehalten ist, demgegenüber sich aber die Achse 2 und damit die Spindel 3.1 verdrehen kann. Die Spindel 3.1 ist in diesem Ausführungsbeispiel transluzent, vorzugsweise transparent ausgebildet. Weiter ist wiederum in Längsrichtung benachbart zur Spindel 3.1 ein transluzenter, vorzugsweise transparenter Zylinder 4.1 mit einer schraubenförmigen Mantellinie 4.2 vorhanden. Unterhalb von Spindel 3.1 und Zylinder 4.1 befindet sich wiederum ein Zeilen-Detektor 6 mit einzelnen lichtempfindlichen Elementen. Die Spindel 3.1 und der Zylinder 4.1 können einstückig ausgebildet sein, wobei im Bereich der Spindel 3.1 aus dem zunächst glatten Zylinder beispielsweise die Spindelwindungen ausgearbeitet sind.
• Statt der Stablampe 5 ist erfindungsgemäß an der freien Stirnseite der Anordnung, also an der freien Stirnseite der Spindel 3.1 eine Lampe 5a vorgesehen, die axial in die Zylinderanordnung aus Spindel 3.1 und Zylinder 4.1 strahlt.
• Das durch die Lampe 5a in eine Spindel 3.1 und den Zylinder 4.1 eingestrahlte Licht kann aus diesen seitlich austreten und damit auf die lichtempfindlichen Elemente des Zeilen-Detektors (CCD-Empfänger) fallen, abgesehen von den Bereichen des Schlittens 3.2 und des zu dem Zeilen-Detektor 6 hingerichteten Bereichs der Mantellinie 4.2, also bei 7.1 und 7.3 des Diagramms 7 der 2.
• Der Zylinder 3.1, 4.1 kann ein Hohlzylinder sein. Im Inneren können aber auch Elemente vorgesehen sein, die ein besseres Austreten des Lichts in radialer Richtung ermöglichen, beispielsweise durch am der Rotationsachse 2 zugewandten Ende winklig angestellte Spiegel oder Lichtleiterelemente.
• Bei dieser Ausgestaltung nimmt, wie im Diagramm 7 der 2 dargestellt ist, die selbst austretende und auf den Zeilen-Detektor 6 fallende Helligkeit am Zylinder 3.1, 4.1 mit der Entfernung zur Lichtquelle 5a ab. Dies muss bei der weiter unten beschriebenen Auswertung der Signale der des Zeilen-Detektors 6 berücksichtigt werden.
• Die 3 zeigt die Anbindung der Vorrichtung 1 an eine heiße Maschine 13, wie einem Antriebsmotor. Zur thermischen Trennung der Vorrichtung 1 von der heißen Maschine 13 ist ein Gehäuse 14 von der heißen Maschine 13 beabstandet angeordnet. Der Abstand der Vorrichtung 1 ist durch einen die Achse 2 umgebenden Abstandshalter 15 gewährleistet. Über die Strecke zwischen dem Gehäuse 14 und der Maschine 13 weist die Achse 5 Kühlrippen 16 auf, um die Achse 2 auf dieser Strecke möglichst stark zu kühlen. Weiter kann die Achse 2a der Vorrichtung selbst, die schlecht wärmeleitend ist, an die Achse 5 der Maschine 13 angeschlossen sein. Weiterhin kann auch das Gehäuse 14 der Vorrichtung 1 mit Kühlrippen 16 versehen sein.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung der Drehlage einer Drehachse weist eine Steuereinheit 17 auf, wie sie in 4 schematisch dargestellt ist. Teil der Steuereinheit 17 ist der Zeilen-Detektor 6, ein Analog-Digital-Wandler 18 sowie einen Mikrokontroller 19, der die Steuerleitungen 21 des Zeilen-Detektors 6 ansteuert. Das Ausgangssignal eines Zeilen-Detektors 6, wie eines CCD-Empfängers, ist in der Regel ein analoges Spannungssignal, das den Helligkeitswert der lichtempfindlichen Elemente oder Pixel mit einer zugeordneten Taktnummer wiedergibt. Zur Signalabfrage legt der Mikrokontroller Taktsignale an den Zeilen-Detektor an. Der Zeilen-Detektor 6 übergibt über 22 seine Ausgangsdaten dem Analog-Digital-Wandler 18, der die Helligkeitswerte in digitale Signale umwandelt. Diese werden dann vom Mikrokontroller 19 über 23 eingelesen. Der Mikrokontroller 19 wandelt die empfangenen Signale in Echtzeit unter Mittelung, Gewichtung und Fehlerbereinigung in Positionsinformationen des Umdrehungszählers 3 und des Winkelkodierers 4 um, wie dies im weiteren genauer erläutert wird. Das Ergebnis dieser Berechnungen, insbesondere der Wert der Rotation der Achse 5, wird dann an einer Schnittstelle bei 20 bereitgestellt.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 arbeitet folgendermaßen: Der Schlitten 3.2 des Umdrehungszählers 3 und die Mantellinie 4.2 des Winkelkodierers 4 schirmen Licht aus der Lichtquelle 5, 5a ab und werfen somit einen oder mehrere Schatten auf die Zeilen-Detektor 6. Die Helligkeitsverteilung auf den Zeilen-Detektoren 6 und demgemäß das von diesen abgegebene Signal gleicht dabei der Kurve im Diagramm 7 der 1, 2, aus denen ein Ausschnitt aus dem Bereich 7.1 beispielhaft in der 5a dargestellt ist. Erfindungsgemäß wird das Ausgangssignal des Zeilen-Detektors 6 derart invertiert, dass die Signalwerte für die maximale Helligkeit zu Null und die minimalle Helligkeit auf einen Maximalwert gebracht werden, wie dies in 5 dargestellt ist, aus der ersichtlich ist, dass die Empfangsdaten durch die scharf begrenzten Empfangselemente oder Pixel entlang der Messbereiche quantifiziert, als auch die Messwerte von Pixel zu Pixel abgestuft sind.
• Aus dieser invertierten und digitalisierten Helligkeitskurve der 5 wird nun die Mitte 19 des Pegelverlaufs im Bereich des Schattens 7.2 des Schlittens 3.1 bestimmt. Dies geschieht durch Mittelung gemäß: S = Σ P / 1iH_i/Σ P / 1H_i, wobei i die Pixelnummer, H_i die Helligkeit des Pixels i und P die Anzahl der Pixel darstellt. Es ergibt sich der Mittelpunkt S des Schattens als reelle Zahl, der die Mitte des Schattens in Pixelkoordinaten angibt.
• Die Berechnung der Summen erfolgt dabei genau Taktsynchron mit dem Eintreffen des jeweiligen Pixels, so dass am Ende des Einlesevorgangs Zähler und Nenner bereitstehen und nur noch dividiert werden müssen.
• Dieser Vorgang wird für jeden der beiden relevanten Schatten wiederholt. Es ergeben sich zwei ”Pixel-Koordinaten” als reelle Zahlen, die die Mittelpunkte der Schatten auf dem CCD-Sensor repräsentieren. Die Genauigkeit liegt dabei im Sub-Pixelbereich. Gerade die gewisse optische Unschärfe der Projektion führt zu einer Steigerung der Genauigkeit, weil hierdurch der gesamte Helligkeitsbereich der Sensoren ausgenutzt wird.
• Im nächsten Schritt werden die berechneten Koordinaten der Schatten umgerechnet in die absolute Position der Achse. Dabei müssen Skalierungsfaktoren und Offsets berücksichtigt werden.
• Die Position der Drehachse 2 ergibt sich nun aus der Formel Pos = K_T360°(S_T + O_T) + K_E(S_E + O_E) mit S_T den Koordinaten des Schattens des Schlittens 3.2, S_E den Koordinaten des Schattens der Mantellinie 4.2 des Zylinders 4.1, dem Offset O_T des Schlittens 3.2, dem Offset O_E der Mantellinie 4.2 des Zylinders 4.1, einem Skalierungsfaktor K_T des Schlittens und einem Skalierungsfaktor K_E des Zylinders für die Mantellinie 4.2 des Zylinders 3.1.
• Um diese Berechnung durchführen zu können, muss allerdings zuerst der Mittelpunkt des Schattens der Mantellinie 4.2 mit dem Mittelpunkt des Schattens des Schlittens 4.2 korreliert werden.
• Je nach Auflösung des eingesetzten Wandlers und je nach Steigungsmaß des Gewindes stehen für den Umdrehungszähler 3.1, 3.2 z. B. zwischen 10 und 100 Pixel pro Umdrehung zur Verfügung, die allerdings im Sub-Pixelbereich aufgelöst werden. Der Algorithmus zur Berechnung des Zentrums des Schattens kann also beispielsweise einen Wert wie 1967.2905 als Mitte des Schattens liefern.
• Im Gegensatz zum Winkelkodierzylinder kommt über den gesamten Verfahrbereich der Schatten des Umdrehungszählers nur ein einziges Mal an jeder Position vorbei. Der Schatten des Winkelkodierzylinders führt hingegen zu zyklisch wiederkehrenden Werten.
• Die Problematik besteht nun darin, dass beide Signalanteile nicht exakt rauschfrei sein können und das Signal des Winkelkodierers am Ende des Messbereichs unstetig ist und springt. Auch bei einem extrem rauscharmen Signal kommt es in dieser Übergangszone zu Sprüngen der gemessenen Position, wenn der Umdrehungszählerwert (Turn) nicht ebenfalls genau synchron umschaltet. Im Folgenden wird erläutert, wie erfindungsgemäß die beiden Signale bei maximaler Fehlertoleranz dennoch sicher zu einer Winkelstellung kombiniert werden können, ohne dass der Wert der Umdrehungszahl bei rauschenden Signalen zwischen zwei vollen Umdrehungen hin- und herspringt und dadurch das Ergebnis unbrauchbar macht.
• Um diese Sprünge zu vermeiden, werden die beiden Signale entsprechend den 6a und 6b korreliert. Die 6a zeigt ein Diagramm mit den durch die Mantellinie 4.2 abgeschalteten Pixeln P_θ über dem Drehwinkel θ, 6b ein Diagramm der durch den Schlitten 3.2 abgeschalteten Pixel über die Umdrehungszahl T.
• Zunächst werden beide Signale auf den Wertebereich zwischen 0 und 1 normiert. Dies geschieht entsprechend den Formeln: P'_θ = P_θ/W und P'_T = (P_T/T) – int(P_T/T) mit T gleich der Anzahl Pixel, die für eine Umdrehung vom Schatten des Schlittens 3.2 überstrichen werden, W der Anzahl Pixel, die für eine Umdrehung vom Schatten der Mantellinie 4.2 überstrichen werden, P_T, der aktuellen Position des Schattens des Schlittens 3.2 in Sensorpixeln und P_θ, die aktuelle Position des Schattens der Mantellinie 4.2 in Sensorpixeln. Diese normierten Werte werden nun verglichen. Bei P_T wird zusätzlich der Vorkommaanteil abgeschnitten, so dass beide Kurven stets Funktionswerte im Interwall [0..1] und eine Periodendauer 1 pro Umdrehung haben. Realisierungstechnisch werden diese beiden Signale jedoch etwas phasenverschoben sein bzw. werden die Phasen dieser Signale etwas zueinander rauschen, wie dies in den 7a und 7b dargestellt ist. Zu einem Messpunkt P_θ der Position X und der direkt vom Sensor gelieferten Turnlage P_T muss daher die minimale Phasendifferenz der beiden Signale bestimmt werden.
• Die 7a, 7b zeigen den Verlauf der normierten Werte P'_θ und P'_T über zwei Achsenumdrehungen von T_i bis T_i+2. Die beiden Kurven weisen dabei einen Versatz (a, b) auf, da die Umdrehungszähler und Winkelkodierer nicht genau miteinander synchronisiert sind. Der Wert P'_θ des Winkelkodierers springt zwischen X (weiße Punkte) und X₁ (schwarze Punkte) von 1 auf 0, also von 360° auf 0°. P'_T ist jedoch zwischen den beiden Punkten stetig und somit nimmt auch der ganzzahlige Anteil von P_T nicht zu. Ein einfaches Addieren der Werte entsprechend der Formel für POS würde dabei falsche Werte liefern.
• Um die Werte auch bei fehlerbehefteten Signalen sicher zu einem Wert kombinieren zu können, wird der minimale Abstand zwischen den Kurven P'_θ und P'_T bestimmt. So ergibt in 7a für die Werte bei X₀ (weiße Punkte) für P'_θ ca. 0,9 und für P'_T ca. 0,5. Daraus ergibt sich für den Abstand b, a bei einer Steigung 1 und der Periode 1 zwischen den beiden Kurven mit b = P'_θ – P'_T = ca. 0,4 und a = 1 – b = ca. 0,6.
• Der minimale Abstand ist also b, die nächstgelegene Phase des Umdrehungszählers liegt rechts der Winkelkodierkurve P'_θ. Entsprechendes gilt für die schwarzen Messpunkte der 7a und die Messpunkte der 7b.
• Es ergibt sich folgende allgemeine Berechnung der ganzzahligen Umdrehungszahlen T:
• 1. Wenn P'_θ > P'_T, dann b = P'_θ – P'_T und a = 1 – b Sonst a = P'_T – P'_θ und b = 1 – a,
• 2. Wenn a > b, dann T = int(P_T/T) Sonst T = int(P_T/T) – 1.
• Da die Verschiebung der Phase auch Aufschluss gibt über die Vertrauenswürdigkeit der Messung, kann der Wert |a – b| zur Fehlerabschätzung herangezogen werden. So kann |a – b| < 0,3 z. B. bedeuten, dass der erhaltene Wert kritisch zu beurteilen ist, während Werte mit |a – b| < 0,1 als Fehler angesehen werden können.
• Die 8a bis 8d zeigen die Schatten auf den Detektoren mit einem Messbereich von 0 bin N Pixel, wenn der Winkelkodierer (Zylinder) von 360° auf 0° springt. In 8a ist nur der Schwerpunkt S1 des Schattens auf dem Detektor dargestellt, während in 8b rechts ein zweiter Schatten mit Schwerpunkt S2 auf dem Detektor abgebildet wird. Dieser zweite Schatten entsteht, da die Mantellinie 4.2 auf dem Zylinder 4.1 so ausgelegt ist, dass immer mindestens ein Schatten vollständig auf dem Sensor abgebildet wird. Deshalb gibt es Winkelstellungen, bei denen genau zwei Schatten S1, S2 vollständig zu sehen sind. Aufgrund der Verteilungsbreite der Schatten ergibt sich eine Zone zwischen L und U, in der vollständige Schatten liegen können. Es können also keine Schattenmittelpunkte jenseits von U und L ermittelt werden, da in diesen Randbereichen die Schatten nicht mehr vollständig abgebildet werden. Haben die Schatten zueinander den Abstand Pd, der 360° entspricht, so stehen insgesamt G = (U – L) – Pd Pixel zur Verfügung, bei denen genau beide Schatten vollständig auf dem Sensor abgebildet werden. Um Unstetigkeiten zu vermeiden, ist es vorteilhaft nicht plötzlich von einem Schatten auf den nächsten umzuschalten, sondern kontinuierlich zwischen den Schatten zu wechseln. Daher wird für den Fall, dass beide Schatten auf dem Sensor abgebildet sind, also wenn S2 > = L und S1 < = U (8b, 8c) folgende Formel angewendet, um den Einfluss der Schatten unterschiedlich zu gewichten: S = ((S2 + Pd)(S2 – L) + S1(U – S1))/G mit L gleich der Untergrenze für die gültigen Schattenkoordinaten, U der Obergrenze der gültigen Schattenkoordinaten, Pd der Periode in Pixeln, S1 den Koordinaten des linken Schattens, S2 den Koordinaten des rechten Schattens (S2 – S1) und G = (U – L) – Pd, der Breite des gemeinsamen Bereichs.
• Diese Formel liefert dabei den Wert S, der kontinuierlich von (L + Pd) bis U läuft, wobei der Einfluss von S2 immer stärker wird. Ist S1 genau U, dann liefert die Formel genau S2 + Pd, also im Idealfall U. Ist S1 kleiner als U, so wird die Formel nicht mehr benutzt und das Messergebnis ist S2. Dabei springt das Messergebnis Pd in Richtung L. Hierdurch erfolgt ein kontinuierliches Überblenden der Schwerpunkte der Schatten, wodurch Unstetigkeiten vermeiden werden.
• Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung

2

Drehachse

2a

Achse

3

Umdrehungszähler

3.1

Spindel

3.2

Schlitten

4

Winkelkodierer

4.1

Zylinder

4.2

Mantellinie

5

Stablampe

5a

Lampe

5.1

Anschlusskabel

6

Zeilen-Detektor

7

Diagramm

7.1–7.5

Signal

8

Rahmen

13

Maschine

14

Gehäuse

15

Abstandshalter

16

Kühlrippen

17

Steuereinheit

18

Analog-Digital-Wandler

19

Mikrokontroller

20

Schnittstelle

21

Steuerleitungen

22

Signalleitung

23

Signalleitung

i

Pixelnummer

H_i

Helligkeit

K_T

Skalierungsfaktor des Schlittens

K_E

Skalierungsfaktor des Zylinders

N

Windungszahl

O_T

Offset des Schlittens

O_E

Offset der Mantellinie

P

Anzahl der Pixel

P_θ

Pixel

P_T

aktuelle Position des Schattens des Schlittens

S

Mittelpunkt des Schattens

S1, S2

Schatten

S_T

Koordinaten des Schattens des Schlittens

S_E

Koordinaten des Schattens der Mantellinie des Zylinders

T

Umdrehungszahl

W

Anzahl der Pixel

X

Position

θ

Drehwinkel

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Bestimmen einer absoluten Drehstellung einer Drehachse (2), aufweisend einen Umdrehungszähler (3) und einen Winkelkodierer (4), die jeweils einen mit der Drehachse (2) verbundenen Geber (3.1, 3.2; 4.1, 4.2) aufweisen, wobei der Geber des Umdrehungszählers (3) eine Spindel (3.1) und einen relativ zu dieser drehbar und entlang derselben axial beweglichen Schlitten (3,2) aufweist und der Winkelkodierer (4) eine auf einem zumindest transluzenten Zylinder (4.1) angeordnete lichtundurchlässige schraubenförmige Mantellinie (4.2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Geber von Umdrehungszähler (3) und Winkelkodierer (4) axial nebeneinander bezüglich der gemeinsamen Drehachse (2) von Spindel (3.1) und transluzentem Zylinder (4.1) angeordnet sind und an einer freien Stirnseite der Spindel (3.1) eine Lampe (5) vorgesehen ist, die axial in die Zylinderanordnung aus Spindel (3.1) und transluzentem Zylinder (4.1) einstrahlt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe (5) als LED oder LED-Laser ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderanordnung aus Spindel (3.1) und transluzentem Zylinder (4.1) ein innerhalb der Geber (3.1, 3.2; 4.1, 4.2) angeordnetes Lichtleitelement zum radialen Auskoppeln des axial eingestrahlten Lichts bildet.

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