DE102005039405B4 - Device for determining the absolute rotational position of a rotation axis - Google Patents

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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.Device for determining an absolute rotational position of an axis of rotation (2), comprising a revolution counter (3) and an angle encoder (4) each having an encoder (3.1, 3.2, 4.1, 4.2) connected to the axis of rotation (2), the encoder of the revolution counter (3) has a spindle (3.1) and a relative to this rotatable and axially movable along the same slide (3,2) and the angle encoder (4) arranged on an at least translucent cylinder (4.1) opaque helical generating line (4.2) characterized in that the encoders of revolution counter (3) and angle encoder (4) axially adjacent to each other with respect to the common axis of rotation (2) of spindle (3.1) and translucent cylinder (4.1) are arranged and at a free end face of the spindle (3.1) a lamp (5) is provided, which radiates axially into the cylinder arrangement of spindle (3.1) and translucent cylinder (4.1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen einer absoluten Drehstellung einer Drehachse.The invention relates to a device for determining an absolute rotational position of a rotation axis.

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.Such devices are used to detect the absolute rotational position of a rotation axis of a machine. It may happen that the axis of the machine rotates when the machine and the absolute encoder are switched off, so they are disconnected from the mains. However, it is desirable that rotations of the machine axis in such a situation be detected by the absolute encoder, so that a recalibration to detect the exact axis position after restarting can be avoided.

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.Mechanical absolute encoders must measure axis revolutions by means of a gearbox. The gear is connected to the rotary axis and has hierarchically coupled gears. The further a gear is hierarchically away from the axis, the slower it rotates with respect to the rotation of the axis. Thus, the angular position of the axis with the hierarchically close gears can be measured relatively accurately, while by cascading more distant gears can detect multiple rotations. The gears are provided with markings so that their angular position can be detected.

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.Due to their mechanical nature and the large number of moving parts, such absolute encoders are susceptible to wear, which necessitates regular replacement or regular maintenance. In these systems, the rotary axis to be measured is connected to a gearbox. The further a gearwheel is hierarchically away from the drive axis, the slower it turns. On each wheel marks / notches are attached, with which the rotational position of the wheel can be detected within a complete turn. By cascading to a transmission so multiple rotations can be detected without an electrical buffering would be required.

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.Electronic absolute encoders have a backup battery. The backup battery allows the operation of the absolute encoder, even if superimposed components are de-energized. Buffer batteries have a limited life and must be replaced after a certain period of time. In addition, such batteries require space, which increases the external dimensions of the absolute encoder.

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.The DE 198 55 064 A1 describes an optoelectronic steering angle sensor for determining the absolute angular position of the steering wheel of a motor vehicle comprising a functional unit for detecting the angular position of the steering wheel within an angular segment from the entire steering wheel rotation with a coupled to the rotational movement of the steering wheel encoders having an illuminated code track and one of a plurality of individual Optoelectronic transducer elements constructed sensor array. The code track is imaged according to the position of the steering wheel in the angular segment at different locations on the photosensitive surface of the sensor array. The steering angle sensor has a further optoelectronic operating unit, which is provided for detecting the angular position of the steering wheel within the entire steering wheel rotational range and has a coupled to the rotational movement of the steering wheel illuminated code transmitter and a built-up of a plurality of individual optoelectronic transducer elements sensor array, wherein the Detecting the code tracks of each associated with a functional unit code transmitter a common sensor array is provided. Instead of code discs can also be used other donor elements, such as rollers, which are arranged concentrically surrounding the steering column, and for example helical code tracks have.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Ermittlung der Drehstellung einer Drehachse bereitzustellen.The object of the invention is to provide an improved method and an improved device for determining the rotational position of a rotation axis.

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.According to the invention, said object is achieved by a device for determining an absolute rotational position of a rotation axis, comprising a revolution counter and an angle encoder, each having an encoder connected to the axis of rotation, wherein the encoder of the revolution counter, a spindle and a rotatable relative thereto and along the same having axially movable carriage and the angle encoder has an arranged on an at least translucent cylinder opaque helical generatrix, and wherein the encoders of revolution counter and angle encoder axially adjacent to the common axis of rotation of the spindle and translucent cylinder are arranged and provided on a free end face of the spindle, a lamp is that radiates axially into the cylinder assembly of spindle and translucent cylinder.

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.Thus, the rotational position of an axis of rotation is detected, preferably in a purely mechanical manner, and further read out in an optical manner. The optical readout is done by the transmitter of revolution counter and angle encoder are illuminated by light and throw a localized shadow on photosensitive detectors. The shadow is detected by the sensors and the position of the shadow is converted into electrical signals. The axial position of the shadow depends on the position of revolution counter and angle encoder and the rotational position of this of the rotational position of the axis of rotation. Thus it can be concluded from the position of the shadow on the rotational position of the axis of rotation. The optical reading makes it possible to detect the position of the carriages without contact and without moving parts. This leads to an uncomplicated and maintenance-free device and a corresponding method for determining the rotational position.

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.It is envisaged that revolution counters and angle encoders each have an encoder connected to the axis of rotation and that the encoders of the revolution counter and angle encoder are arranged axially next to each other on the axis of rotation. The encoders of revolution counters and angle encoders record their values of revolution number or angular position mechanically and thus without power supply as absolute values. At least one optical angle detector optically reads the values by means of a light source. This is particularly advantageous because the reading can thus be done without contact and as smoothly and almost maintenance-free.

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.The revolution counter has a spindle with an axially displaceable by this slide. The revolution counter can be coupled to the axis to be detected without the need for an additional gearbox. This simplifies the structure. In this case, the spindle can be formed so that a very large number of axial rotations can be detected by the spindle-carriage combination, without the carriage reaches the end of the spindle. This can be z. B. by spindles whose thread has only a small slope can be realized. This range of values can be further increased by using planetary roller screws. Here, the propulsion per revolution is many times smaller than the pitch of the spindle.

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.Since only a certain maximum number of revolutions can be measured with the revolution counter, it must be ensured during installation that the revolution counter carriage does not move to one of its stops during normal operation.

Soll dennoch ein ”Überdrehen” zugelassen werden, dann muss der Schlitten so konstruiert sein, dass er diesen Vorgang schadlos übersteht.However, if "over-revving" is to be allowed, then the carriage must be designed so that it can withstand this process without damage.

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.Constructively, this is done by the carriage leaves the leading thread against a small spring force, such as axially on a cylindrical portion with the groove bottom of the thread of the threaded spindle corresponding diameter. Even a small spring force ensures that the slide touches down on the threaded spindle when the direction of rotation is reversed and retracts.

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.Rotations that are performed in this state (with the revolution counter carriage stopped) can not be detected absolutely. However, an overriding control system in operation may still be aware of this since the right part of the sensor for detecting the rotational position still functions within a single revolution.

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.Alternatively, the light source may be at least one light emitting diode. Light-emitting diodes are energy-saving in contrast to other light sources. So the power consumption can be reduced. This is particularly advantageous when the light source is powered by a battery. Advantageously, the light source is coupled to a light guide. Thus, the light source does not have to be arranged in the immediate vicinity of the photosensitive sensors. On the one hand, this leads to greater constructive freedom, so that more specific spatial geometries can be created, on the other hand, therefore, the heat of the light source can be kept away from the absolute encoder. Since the optical fiber can emit the coupled light along a certain distance, punctiform light source can be used.

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.However, at least one light-sensitive detector is advantageously designed as a CCD converter. CCD converters are widely used and therefore reasonably priced. Also, CCD converters can be very fine z. With a pixel size of 1-20 ym. As a result, a high resolution of the light changed by the angle detection means can be achieved. CCD converters with a large number of sensor cells (up to more than 10,000) are also available. Not only can the light be resolved very finely, but it can also be detected over a large distance.

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.In a preferred embodiment, the photosensitive sensors are connected to an electronic control unit. With such a control unit on the one hand the supplied by means of a detector with clock signals for recording and transmitting the brightness data, on the other hand can thus be calculated from the output signals of the detection, the angular position of the rotary axis. In addition, error corrections can also take place in a control unit, making the method even more reliable. These error corrections can affect both errors due to the illumination, as well as errors in the detection 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.Advantageously, the data output of the photosensitive detection is connected to at least one analog / digital converter. Thereby can The analog signals of the sensors are converted into easily processed digital signals. These signals are transmitted to the electronic control unit, where they are then further processed.

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.The output signals of the detectors are digitized by the analog / digital converter and fed to the electronic control unit, which also controls the detectors. Due to the digitization, the signals from the detectors can be processed conveniently with electronic computer components. The electronic control unit can thereby provide the clock frequencies required for the detectors and also further process the data processed by the analog / digital converter in accordance with the previous steps, that is, invert, average, weight, 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.The embodiment of the invention provides that the angle encoder has an opaque screw-shaped generatrix arranged on an at least translucent cylinder. As a result, when the hollow cylinder rotates about its axis, a shadow is created on a line detector moving along it. The shadow jumps at the end of a revolution from its movement end point to its movement starting point.

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.A further preferred embodiment is characterized in that the light source is an essentially parallel to the axis of rotation extending flashlight, wherein either the flashlight is arranged next to the axis of rotation, or the flashlight is arranged coaxially. This makes it possible for the light source to emit light uniformly over a large length range and thus uniformly irradiate the photosensitive detectors over a large length range. This uniformity is particularly desirable because it allows a special calibration of the light source or the sensor can be avoided.

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.The shadows generated by revolution counters and angle encoders preferably fall on different detectors or different areas of the at least one line detector. The resulting output signals are treated separately, which simplifies the further processing of the signals.

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.Advantageously, the output signals of the photosensitive sensors are inverted. In this case, the brightness signals of the illuminated sensor cells are set to zero, while the signals of completely shaded sensor cells are set to a maximum value. Since the shadows represent the relevant signal for angle determination, inverting makes it easier to process the relevant signal.

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.In a method it can be provided that the center of a shadow falling on the line detector is determined by weighting the inverted signals. As a result, the waveform over the location by a single value, namely the center of this course, replaced. This makes it easier to relate different signals to each other. Since the center of the shadow represents the number of revolutions or the angle to be measured, the location information of the angle detection means is retained by the averaging. If several adjacent sensor cells are shaded, a brightness distribution is obtained from the output signals of the detectors, whose center encodes the revolution signals or the angle of the rotation axis. By this method, the centers can be determined more accurately than actually allows the extent of the individual detectors or pixels. Sub-pixel accuracy is achieved.

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.Most preferably, the separately treated signals are correlated by determining the phase difference. So z. B. the error in the angle determination are estimated.

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.The shadow of the angle encoder jumps on the detector after a pass from one end to the other. It is important for the evaluation of the signals that at least one shadow is completely on the detector. This can be ensured by temporarily projecting two shadows onto the sensor. Accordingly, it is provided in a preferred embodiment that the angle encoder produce two shadows on a detector depending on the rotational position. The resulting output data are related by weighting each other.

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.Two shadows are problematic for the evaluation because these shadows represent two different values. This problem is solved by weighting the two values and thus determining the angle value taking into account the weighting.

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.Preferably, the absolute encoder is equipped with cooling elements. This makes it possible to place the absolute encoder in the vicinity of hot machines without the absolute encoder being damaged.

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:Further features and advantages of the invention will become apparent from the claims and from the following description in which preferred embodiments of the invention are explained in detail. Showing:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung; 1 a schematic representation of a device;

2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Vorrichtung; 2 a schematic representation of an embodiment of the device according to the invention;

3 die schematische Darstellung des Anschlusses des Absolutgebers an eine heiße Maschine; 3 the schematic representation of the connection of the absolute encoder to a hot machine;

4 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der Steuerelektronik für die erfindungsgemäße Vorrichtung; 4 a schematic representation of an embodiment of the control electronics for the device according to the invention;

5 eine schematische Darstellung zur Digitalisierung der Signale der lichtempfindlichen Sensoren; 5 a schematic representation of the digitization of the signals of the photosensitive sensors;

6a, 6b Diagramme des Schattenverlaufs von Umdrehungszähler und Winkelkodierer der erfindungsgemäßen Vorrichtung; 6a . 6b Diagrams of the shadow profile of revolution counter and angle encoder of the device according to the invention;

7a, 7b Diagramme zum Phasenvergleich zwischen zwei Signalen des Winkelkodierers zur korrekten Bestimmung der Umdrehungszahl. 7a . 7b Diagrams for the phase comparison between two signals of the angle encoder for the correct determination of the number of revolutions.

8 ein Diagramm zur Gewichtung zweier Signale des Winkelkodierers. 8th a diagram for weighting two signals of the angle encoder.

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.The 1 shows a first embodiment of a device 1 for determining the absolute position of a rotation axis 2 , The device according to the invention 1 has a revolution counter 3 for determining the number of revolutions of the axle 2 and an angle encoder 4 for determining the angular position of the axis 2 at a certain turn on.

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.The revolution counter 3 has one with the axle 2 rotatably connected spindle 3.1 with small pitch and with N turns. The number of turns N corresponds to the maximum number of revolutions of the axis to be measured 2 , On the spindle 3.1 sits a sled 3.2 which is in the thread of the spindle 3.1 engages and upon rotation of the same (with the axis 2 ) along the spindle 3.1 emotional. The sled 3.2 surrounds in the illustrated embodiment of the 1 a flashlight 5 , which are parallel to the spindle 3.1 and accordingly also by the sledge 3.2 extends. The flashlight 5 is through a connection cable 5.1 energized.

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.Also parallel to the spindle 3.1 extending below this and the flashlight 5 and on the spindle 3.1 opposite side of the flashlight 5 a line detector 6 , in particular in the form of a CCD converter with at least one row of photosensitive elements or pixels.

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.Through the sledge 5 results in its range, as in the partial diagram 7 of the 1 a shadow on the corresponding photosensitive elements or pixels of the line detector 6 accordingly, in this area 7.1 does not give off any signal, but in the not by the slide 3.2 covered areas of the line detector 6 a signal 7.2 gives off finite size.

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.Like the right part of the 1 is removable, is still rotationally fixed to the axis 2 a translucent, preferably transparent cylinder 4.1 connected, over its length, a helical opaque generatrix 4.2 wearing. The flashlight 5 extends into the cylinder 4.1 into it, which embraces it. The line detector also extends 6 over the length of the cylinder 4.1 ,

Die gesamte Anordnung der Achse 2, der Spindel 3.1 und des Zylinders 4.1 wird durch einen Rahmen 8 getragen.The entire arrangement of the axle 2 , the spindle 3.1 and the cylinder 4.1 is through a frame 8th carried.

Die schraubenförmige Mantellinie 4.2 erstreckt sich, wie weiter unten im Einzelnen erläutert ist, über etwas mehr als 360° des Zylinders 4.1.The helical generatrix 4.2 extends, as explained in detail below, over a little more than 360 ° of the cylinder 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.The helical generatrix 4.1 shadows in her between the flashlight 5 and the line detector 6 area lying on this falling light of the flashlight 5 also off again, so that in the individual pixels in the area 7.3 (Diagram 7 ) again gives no signal while adjacent thereto in the unshaded area of the cylinder 4.1 turn the finite signal 7.4 respectively. 7.5 shows.

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.The 2 shows an embodiment of the inventive device for determining the absolute position of a rotation axis. As far as this embodiment shows the same elements as the 1 , these are the same.

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.With the rotation axis 2 In turn, a spindle is non-rotatable 3.1 connected, on which a sleigh 3.2 runs, which is held axially displaceable, in contrast, but the axis 2 and with it the spindle 3.1 can twist. The spindle 3.1 is translucent, preferably transparent in this embodiment. Next is again in the longitudinal direction adjacent to the spindle 3.1 a translucent, preferably transparent cylinder 4.1 with a helical sheath line 4.2 available. Below the spindle 3.1 and cylinders 4.1 there is again a line detector 6 with individual photosensitive elements. The spindle 3.1 and the cylinder 4.1 can be integrally formed, wherein in the region of the spindle 3.1 from the initially smooth cylinder, for example, the spindle turns are worked out.

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. Instead of the flashlight 5 is according to the invention at the free end face of the arrangement, ie at the free end face of the spindle 3.1 a lamp 5a provided axially into the cylinder assembly of spindle 3.1 and cylinders 4.1 shine.

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.That by the lamp 5a in a spindle 3.1 and the cylinder 4.1 incident light can emerge from this side and thus fall on the photosensitive elements of the line detector (CCD receiver), except for the areas of the carriage 3.2 and to the line detector 6 executed area of the generatrix 4.2 , so at 7.1 and 7.3 of the diagram 7 of the 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.The cylinder 3.1 . 4.1 can be a hollow cylinder. Inside, however, it is also possible to provide elements which allow a better exit of the light in the radial direction, for example through the axis of rotation 2 facing end angled employed mirror or light guide elements.

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.In this embodiment, as in the diagram 7 of the 2 is shown, the self-exiting and on the line detector 6 falling brightness on the cylinder 3.1 . 4.1 with the distance to the light source 5a from. This must be in the below described evaluation of the signals of the line detector 6 be taken into account.

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.The 3 shows the connection of the device 1 to a hot machine 13 like a drive motor. For thermal separation of the device 1 from the hot machine 13 is a housing 14 from the hot machine 13 spaced apart. The distance of the device 1 is by one the axis 2 surrounding spacers 15 guaranteed. About the distance between the case 14 and the machine 13 indicates the axis 5 cooling fins 16 on to the axis 2 To cool as much as possible on this route. Next, the axis 2a the device itself, which is poorly heat-conducting, to the axis 5 the machine 13 be connected. Furthermore, the housing can also 14 the device 1 with cooling fins 16 be provided.

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.The inventive device for detecting the rotational position of a rotation axis has a control unit 17 on how they are in 4 is shown schematically. Part of the control unit 17 is the line detector 6 , an analog-to-digital converter 18 and a microcontroller 19 that the control lines 21 of the line detector 6 controls. The output signal of a line detector 6 , such as a CCD receiver, is typically an analog voltage signal representing the brightness value of the photosensitive elements or pixels having an associated clock number. For signal request, the microcontroller applies clock signals to the line detector. The line detector 6 passes over 22 its output data to the analog-to-digital converter 18 , which converts the brightness values into digital signals. These are then from the microcontroller 19 above 23 read. The microcontroller 19 Converts the received signals in real time by averaging, weighting and error correction in position information of the revolution counter 3 and the angle encoder 4 to, as will be explained in more detail below. The result of these calculations, in particular the value of the rotation of the axis 5 , then joins an interface 20 provided.

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.The device according to the invention 1 works like this: The sled 3.2 of the revolution counter 3 and the generatrix 4.2 of the angle encoder 4 Shield light from the light source 5 . 5a thus casting one or more shadows on the line detector 6 , The brightness distribution on the line detectors 6 and accordingly the signal emitted by these equals the curve in the diagram 7 of the 1 . 2 which make up a section of the field 7.1 exemplary in the 5a is shown. According to the invention, the output signal of the line detector 6 inverted so that the signal values for the maximum brightness to zero and the minimum brightness are brought to a maximum value, as in 5 from which it can be seen that the received data is quantified by the sharply delimited receiving elements or pixels along the measuring areas, and the measured values are graduated from pixel to pixel.

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 / 1iHi/Σ P / 1Hi, wobei i die Pixelnummer, Hi 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.From this inverted and digitized brightness curve of the 5 will now be the middle 19 the level profile in the shadow area 7.2 of the sled 3.1 certainly. This is done by averaging according to: S = Σ P / 1iH i / Σ P / 1 H i, where i is the pixel number, H i is the brightness of the pixel i and P is the number of pixels. The result is the center S of the shadow as a real number indicating the center of the shadow in pixel coordinates.

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.The calculation of the sums takes place exactly clock synchronous with the arrival of the respective pixel, so that at the end of the read-in counter and denominator are available and only have to be divided.

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.This process is repeated for each of the two relevant shadows. There are two "pixel coordinates" as real numbers representing the centers of the shadows on the CCD sensor. The accuracy is in the sub-pixel range. Just the certain optical blur of the projection leads to an increase in accuracy, because in this way the entire brightness range of the sensors is utilized.

Im nächsten Schritt werden die berechneten Koordinaten der Schatten umgerechnet in die absolute Position der Achse. Dabei müssen Skalierungsfaktoren und Offsets berücksichtigt werden. In the next step, the calculated coordinates of the shadows are converted to the absolute position of the axis. You must take into account scaling factors and offsets.

Die Position der Drehachse 2 ergibt sich nun aus der Formel Pos = KT360°(ST + OT) + KE(SE + OE) mit ST den Koordinaten des Schattens des Schlittens 3.2, SE den Koordinaten des Schattens der Mantellinie 4.2 des Zylinders 4.1, dem Offset OT des Schlittens 3.2, dem Offset OE der Mantellinie 4.2 des Zylinders 4.1, einem Skalierungsfaktor KT des Schlittens und einem Skalierungsfaktor KE des Zylinders für die Mantellinie 4.2 des Zylinders 3.1.The position of the rotation axis 2 now results from the formula Pos = K T 360 ° (S T + O T ) + K E (S E + O E ) with S T the coordinates of the shadow of the carriage 3.2 , S E to the coordinates of the shadow of the generatrix 4.2 of the cylinder 4.1 , the offset O T of the carriage 3.2 , the offset O E of the generatrix 4.2 of the cylinder 4.1 , a scaling factor K T of the carriage and a scaling factor K E of the cylinder for the generatrix 4.2 of the cylinder 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.In order to perform this calculation, however, first the center of the shadow of the surface line must 4.2 with the center of the shadow of the sled 4.2 be correlated.

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.Depending on the resolution of the converter used and depending on the pitch of the thread stand for the revolution counter 3.1 . 3.2 z. B. between 10 and 100 pixels per revolution available, which are resolved, however, in the sub-pixel area. For example, the algorithm for calculating the center of the shadow may provide a value such as 1967.2905 as the center of the shadow.

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.In contrast to the angle coding cylinder, the shadow of the revolution counter passes over the entire travel range only once at each position. By contrast, the shadow of the angle coding cylinder leads to cyclically recurring values.

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.The problem now is that both signal components can not be exactly noise-free and the signal of the angle encoder at the end of the measuring range is unsteady and jumps. Even with an extremely low-noise signal, there will be jumps in the measured position in this transition zone if the revolution counter value (turn) does not also switch exactly synchronously. In the following it will be explained how, according to the invention, the two signals can still be safely combined with maximum error tolerance to form an angular position, without the value of the number of revolutions jumping back and forth between two full revolutions with noisy signals, thereby rendering the result useless.

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 Pθ über dem Drehwinkel θ, 6b ein Diagramm der durch den Schlitten 3.2 abgeschalteten Pixel über die Umdrehungszahl T.To avoid these jumps, the two signals are in accordance with the 6a and 6b correlated. The 6a shows a diagram with the through the generatrix 4.2 turned off pixels P θ above the rotation angle θ, 6b a diagram of the slide 3.2 turned off pixels over the number of revolutions T.

Zunächst werden beide Signale auf den Wertebereich zwischen 0 und 1 normiert. Dies geschieht entsprechend den Formeln: P'θ = Pθ/W und P'T = (PT/T) – int(PT/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, PT, der aktuellen Position des Schattens des Schlittens 3.2 in Sensorpixeln und Pθ, die aktuelle Position des Schattens der Mantellinie 4.2 in Sensorpixeln. Diese normierten Werte werden nun verglichen. Bei PT 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 Pθ der Position X und der direkt vom Sensor gelieferten Turnlage PT muss daher die minimale Phasendifferenz der beiden Signale bestimmt werden.First, both signals are normalized to the value range between 0 and 1. This happens according to the formulas: P ' θ = P θ / W and P' T = (P T / T) - int (P T / T) with T equal to the number of pixels allowed for one revolution from the shadow of the carriage 3.2 be swept, W of the number of pixels that for a turn from the shadow of the generatrix 4.2 be swept over, P T , the current position of the shadow of the slide 3.2 in sensor pixels and P θ , the current position of the shadow of the generatrix 4.2 in sensor pixels. These normalized values are now compared. At P T , the pre-comma part is also truncated, so that both curves always have function values in the interwall [0..1] and a period of 1 per revolution. However, these two signals will be slightly out of phase in terms of realization, or the phases of these signals will be slightly noisy to each other, as in the 7a and 7b is shown. Therefore, the minimum phase difference of the two signals must be determined for a measuring point P θ of the position X and the turntable position P T supplied directly by the sensor.

Die 7a, 7b zeigen den Verlauf der normierten Werte P'θ und P'T über zwei Achsenumdrehungen von Ti bis Ti+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 PT nicht zu. Ein einfaches Addieren der Werte entsprechend der Formel für POS würde dabei falsche Werte liefern.The 7a . 7b show the course of the normalized values P ' θ and P' T over two axis revolutions from T i to T i + 2 . The two curves have an offset (a, b), since the revolution counters and angle encoders are not exactly synchronized with each other. The value P ' θ of the angle encoder jumps between X (white dots) and X 1 (black dots) from 1 to 0, ie from 360 ° to 0 °. However, P ' T is continuous between the two points, and thus the integer part of P T does not increase. Simply adding the values according to the formula for POS would yield wrong values.

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. In order to be able to combine the values reliably even for error-adjusted signals to a value, the minimum distance between the curves P ' θ and P' T is determined. So results in 7a for the values at X 0 (white dots) for P ' θ about 0.9 and for P' T about 0.5. It follows for the distance b, a at a slope 1 and the period 1 between the two curves b = P ' θ - P' T = about 0.4 and a = 1 - b = approx. 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.The minimum distance is therefore b, the nearest phase of the revolution counter is to the right of the angle coding curve P ' θ . The same applies to the black measuring points of 7a and the measuring points of the 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(PT/T) Sonst T = int(PT/T) – 1.
The following general calculation of the integral number of revolutions T results:
  • 1. If P ' θ >P' T , then b = P ' θ - P' T and a = 1 - b Otherwise a = P ' T - P' θ and b = 1 - a,
  • 2. If a> b, then T = int (P T / T) Otherwise 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.Since the shift of the phase also provides information about the trustworthiness of the measurement, the value | a-b | be used for error estimation. So | a - b | <0.3 z. B. mean that the value obtained is to be assessed critically, while values with | a - b | <0.1 can be considered a mistake.

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.The 8a to 8d show the shadows on the detectors with a measuring range of 0 to N pixels when the angle encoder (cylinder) jumps from 360 ° to 0 °. In 8a only the center of gravity S1 of the shadow is shown on the detector while in 8b on the right a second shadow with focus S2 is displayed on the detector. This second shadow arises because of the generatrix 4.2 on the cylinder 4.1 is designed so that always at least one shadow is completely displayed on the sensor. Therefore, there are angular positions where exactly two shadows S1, S2 are completely visible. Due to the distribution width of the shadows, there is a zone between L and U, in which complete shadows can lie. Thus, no shadow centers beyond U and L can be determined, since in these edge regions the shadows are no longer completely imaged. If the shadows have the distance Pd, which corresponds to 360 °, then a total of G = (U - L) -Pd pixels are available, in which exactly both shadows are completely imaged on the sensor. To avoid discontinuities, it is advantageous not suddenly to switch from one shadow to the next, but to switch continuously between the shadows. Therefore, if both shadows are imaged on the sensor, that is, if S2> = L and S1 <= U ( 8b . 8c ) used the following formula to weight the influence of shadows differently: S = ((S2 + Pd) (S2-L) + S1 (U-S1)) / G with L equal to the lower limit for the valid shadow coordinates, U the upper limit of the valid shadow coordinates, Pd the period in pixels, S1 the coordinates of the left shadow, S2 the coordinates of the right shadow (S2-S1) and G = (U-L) - Pd, the width of the common area.

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.This formula gives the value S, which runs continuously from (L + Pd) to U, whereby the influence of S2 becomes ever stronger. If S1 is exactly U, then the formula returns exactly S2 + Pd, ie ideally U. If S1 is smaller than U, the formula is no longer used and the measurement result is S2. In this case, the measurement result Pd jumps in the direction L. This results in a continuous cross-fading of the focal points of the shadows, whereby discontinuities are avoided.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Vorrichtungcontraption
22
Drehachseaxis of rotation
2a2a
Achseaxis
33
Umdrehungszählerrevolution counter
3.13.1
Spindelspindle
3.23.2
Schlittencarriage
44
Winkelkodiererangle encoder
4.14.1
Zylindercylinder
4.24.2
Mantelliniegenerating line
55
Stablampepenlight
5a5a
Lampelamp
5.15.1
Anschlusskabelconnection cable
66
Zeilen-DetektorSlice detector
77
Diagrammdiagram
7.1–7.57.1-7.5
Signalsignal
88th
Rahmenframe
1313
Maschinemachine
1414
Gehäusecasing
1515
Abstandshalterspacer
1616
Kühlrippencooling fins
1717
Steuereinheitcontrol unit
1818
Analog-Digital-WandlerAnalog to digital converter
1919
Mikrokontrollermicrocontroller
2020
Schnittstelleinterface
2121
Steuerleitungencontrol lines
2222
Signalleitungsignal line
2323
Signalleitungsignal line
ii
Pixelnummerpixel number
Hi H i
Helligkeitbrightness
KT K T
Skalierungsfaktor des SchlittensScaling factor of the carriage
KE K E
Skalierungsfaktor des ZylindersScaling factor of the cylinder
NN
Windungszahlnumber of turns
OT O T
Offset des SchlittensOffset of the carriage
OE O E
Offset der MantellinieOffset of the generatrix
PP
Anzahl der PixelNumber of pixels
Pθ P θ
Pixelpixel
PT P T
aktuelle Position des Schattens des Schlittenscurrent position of the shadow of the carriage
SS
Mittelpunkt des SchattensCenter of the shadow
S1, S2S1, S2
Schattenshadow
ST S T
Koordinaten des Schattens des SchlittensCoordinates of the shadow of the sled
SE S E
Koordinaten des Schattens der Mantellinie des ZylindersCoordinates of the shadow of the generatrix of the cylinder
TT
Umdrehungszahlrevolutions
WW
Anzahl der PixelNumber of pixels
XX
Positionposition
θθ
Drehwinkelangle of rotation

Claims (3)

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.Device for determining an absolute rotational position of a rotation axis ( 2 ), comprising a revolution counter ( 3 ) and an angle encoder ( 4 ), each one with the axis of rotation ( 2 ) ( 3.1 . 3.2 ; 4.1 . 4.2 ), wherein the encoder of the revolution counter ( 3 ) a spindle ( 3.1 ) and a relative to this rotatable and along the same axially movable carriage ( 3 . 2 ) and the angle encoder ( 4 ) one on an at least translucent cylinder ( 4.1 ) arranged opaque helical generating line ( 4.2 ), characterized in that the encoders of revolution counter ( 3 ) and angle encoders ( 4 ) axially adjacent to each other with respect to the common axis of rotation ( 2 ) of spindle ( 3.1 ) and translucent cylinder ( 4.1 ) are arranged and at a free end face of the spindle ( 3.1 ) a lamp ( 5 ) is provided which axially into the cylinder assembly of spindle ( 3.1 ) and translucent cylinder ( 4.1 ). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe (5) als LED oder LED-Laser ausgebildet ist.Device according to claim 1, characterized in that the lamp ( 5 ) is designed as an LED or LED laser. 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.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the cylinder arrangement of spindle ( 3.1 ) and translucent cylinder ( 4.1 ) within the donor ( 3.1 . 3.2 ; 4.1 . 4.2 ) arranged light guide for radially decoupling the axially incident light forms.
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