DE1292189B

DE1292189B - Codiervorrichtung fuer Drehwinkel

Info

Publication number: DE1292189B
Application number: DEU13154A
Authority: DE
Inventors: Leonard George Hamlin
Original assignee: Unimation Inc
Current assignee: Unimation Inc
Priority date: 1965-10-11
Filing date: 1966-10-10
Publication date: 1969-04-10
Also published as: US3525094A; SE333583B; BE688093A; FR1499500A; NL137729C; NL6614008A; GB1155577A; CH471373A

Description

Die Erfindung betrifft eine Codiervorrichtung für Drehwinkel einer Welle od. dgl. Es sind zahlreiche Ausführungsformen derartiger Codiervorrichtungen, die auch oft als Analog/Digital-Umsetzer (A/D-Umsetzer) bezeichnet werden, bekannt. Eine einzige Codescheibe oder ein endloses Band mit einer großen Anzahl von Informationsbits hat den Vorteil eines verhältnismäßig einfachen Aufbaus, muß aber zur Erzielung einer ausreichenden Genauigkeit sehr umfangreich oder sehr präzise gearbeitet sein. Der Platzbedarf setzt der Anzahl der möglichen binären Bits bald eine Grenze.

Unter einem Bit wird hier eine Informationseinheit, also ein Schritt in einem binären Kombinationszeichen, verstanden. Als vereinfachtes Beispiel für photoelektrische Abtastung kann eine Gesamtzahl von 24 Bits angeführt werden, die in acht Spalten und drei Zeilen angeordnet sind und teilweise lichtdurchlässige, teilweise lichtundurchlässige Flächen darstellen. Wenn' wie in diesem Beispiel jedes Codewort aus drei Bits gebildet ist, so hat man acht Codewörter, deren Bits in drei Spuren angeordnet sind. Jeder Spur ist einer Abtastvorrichtung zugeordnet. Von den Bits mit fester Länge sind die Abschnitte einer Spur zu unterscheiden, d. h. Gruppen nebeneinanderliegender gleichartiger Bits, also die Länge einer lichtdurchlässigen oder lichtundurchlässigen Strecke auf der Spur.

Es ist bekannt, zur feineren Einteilung mehrere über ein Getriebe miteinander gekuppelte Codeträger verschiedener Geschwindigkeiten vorzusehen, so daß der schnellere Codeträger zahlreiche Umläufe macht, bevor der langsamere Codeträger einmal den Codezyklus durchlaufen hat. (Nachstehend wird immer davon ausgegangen, daß die Codeträger sich bewegen und die Abtastvorrichtungen feststehen, obwohl selbstverständlich auch der umgekehrte Fall denkbar ist und gelegentlich angewandt wird.) Meist ist die Anordnung derartiger Mehrfachcodeträger so getroffen, daß der langsamere Codeträger um ein Bit vorgerückt ist, wenn der schnellere Codeträger einen ganzen Codezyklus durchlaufen hat. Schwierig ist es aber, den vollkommenen Gleichlauf zwischen den beiden Codeträgern sicherzustellen, also zu gewährleisten, daß der Übergang von einem Bit zum nächsten am langsameren Codeträger im gleichen Augenblick abgetastet wird wie der Übergang des schnelleren Codeträgers von einem Durchlauf zum nächsten.

Aufgabe der Erfindung ist es, das soeben ausgesprochene Problem in neuartiger Weise zu lösen. Die erfindungsgemäße Codiervorrichtung für Drehwinkel mit zwei über ein Getriebe derart verbundenen Codescheiben, daß die langsamere Scheibe um ein Bit vorrückt, während die schnellere Scheibe einen ganzen Codezyklus durchläuft, ist dadurch gekennzeichnet, daß eine feste Blende und ein auf der schnelleren Codescheibe angebrachtes Fenster eine plötzliche Umschaltung von der Abtastung eines vorhergehenden Bits der langsameren Codescheibe auf das nächste Bit derselben jeweils dann besorgen, wenn die schnellere Codescheibe von einem Codezyklus auf den nächsten übergeht.

Vorzugsweise besteht das Fenster aus einer Spiralblende, die gleichzeitig mit der Bewegung der schneileren Codescheibe über denjenigen Teil der einzelnen Spuren der langsameren Codescheibe hinwegläuft, der sich in der Abtaststellung befindet. Die Spiralblende enthält mehrere Spiralen, die je einen Abschnitt der entsprechenden Spur der langsameren Codescheibe freigeben, der einem Bit entspricht. Zwischen den Enden jeder Spirale besteht ein Sprung, der sich in dem Augenblick im Abtastfeld befindet, in welchem die schnellere Codescheibe einen Codezyklus durchlaufen hat und von vorn beginnt. In diesem Zeitpunkt sind zwei benachbarte Bits der entsprechenden Spur der langsameren Codescheibe in der Abtaststellung. Während des Zeitintervalls, das die schnellere Codescheibe zum Durchlauf eines Bits benötigt, rückt die Spiralblende so weit vor, daß zuerst das eine, dann das andere Bit der langsameren Codescheibe zur Abtastung freigegeben wird. Das zweite Bit rückt lansam weiter und wird von der Spirale so lange freigegeben, bis ein drittes Bit dieser Spur in die Abtaststellung gelangt. Der Sprung zwischen den gegeneinander versetzten Enden der Spirale blendet dann das zweite Bit ab und gibt das dritte Bit zur Abtastung frei. Da die Spiralmaske unmittelbar mit der schnelleren Codescheibe gekuppelt ist, wird auf diese Weise die Synchronumschaltung der beiden Codescheiben gewährleistet. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben. Das Ausführungsbeispiel arbeitet mit photoelektrischer Abtastung, ohne daß die Erfindung auf diese Abtastart beschränkt wäre. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Codiervorrichtung,

F i g. 2 einen Teilschnitt der Anordnung nach F i g. 1 mit einem Blockschaltbild der elektrischen Anordnung,

Fig. 3 eine Draufsicht gemäß der Linie 3-3 in Fig. 1 mit weggebrochenen Teilen,

F i g. 4 und 5 stark vergrößerte Teilansichten entsprechend F i g. 3 in anderen Relativstellungen der Teile,

Fig. 6, 7 und 8 Ansichten der Codescheiben 14 und 12 und der Blende 16 bei der Vorrichtung nach Fig. 1 bis 5, wobei die schwarzen Stellen jeweils lichtdurchlässige Öffnungen darstellen,

Fig. 9 eine Teilansicht des Getriebes Fig. 1 von oben, wobei die Blickrichtung der F i g. 1 durch den Pfeile gegeben ist,

Fig. 10 eine Teilansicht des Getriebes der Fig. 9 von vorn.

Gemäß Fig. 1 dient eine Platine 10 zur Lagerung der Wellen 26 und 38 für eine langsame Codescheibe 12 und eine schnelle Codescheibe 14. Eine Blende 16 überdeckt einen Teil der Codescheibe 14 sowie einander überlappende Teile der Codescheiben 12 und 14. Oberhalb der Blende 16 befindet sich eine Lichtquelle 18, die parallele Lichtstrahlen abgibt. Auf der anderen Seite der Codescheiben ist in der Platine 10 eine Photozellenanordnung 20 über die Fenster der Blende 16' verteilt. Die genannten Teile werden von einer Haube 24 umschlossen. Auf der Welle 26 der langsamen Scheibe 12 sitzt ein Zahnrad 28, das mit einem Ritzel 30 auf der Welle 32 kämmt. Die letztere Welle ist die Antriebswelle, deren Stellung jeweils digital ausgedrückt werden soll. Ferner sitzt auf der Welle 32 ein Zahnrad 34, das mit einem Ritzel 36 auf der Welle 38 der schnelleren Codescheibe 14 kämmt.

Eine untere Platine 10 α dient zur Lagerung der Eingabewelle 32 und zur Befestigung eines Elektromotors 52, dessen Läufer auf die Welle 38 ein stan-

diges Drehmoment zur Vermeidung von Getriebespiel ausübt.

Gemäß F i g. 2 besteht die Lichtquelle 18 aus einer Glühlampe 18 a, einem Reflektor 18 & und einem Infrarotfilter 18 c. Das letztere ist zur Wärmeabführung am Rand mit einem Metallüberzug 18 d versehen, der in wärmeleitender Berührung mit einer Platte 18 e und einem Klemmring 18/ steht. Der Reflektor 18 b mit der Lampe 18 α ist mit Schrauben 18 g und Unterlegscheiben 18 h am Klemmring be- ίο festigt, so daß ein Lüftungsspalt zwischen dem Reflektor und dem Klemmring bleibt. Die Schrauben 18 i dienen zur Befestigung des Klemmrings 18/ an der Platte 18 e. So läßt sich die ganze Lichtquelle leicht abnehmen und auswechseln und wieder in der riehtigen Lage anbringen.

Das Fenster 16a der Blende 16 fluchtet in Fig. 2 mit den Fenstern 12« und 14 a der beiden Codescheiben, so daß ein Parallelstrahl 18' von der Lichtquelle 18 auf eine Photozelle 20 α in der Photo-Zellenanordnung 20 gelangen kann. Das Licht hat über die ganze belichtete Fläche der Photozelle gleichmäßige Intensität. Vorzugsweise sind die Photozellen so beschaffen, daß ihre Ausgangsgröße von der belichteten Fläche abhängt. Diese Eigenschaft zeigt z. B. die bekannte Photodiode aus Silicium. In F i g. 2 sind die entsprechenden Siliciumscheibchen an einer Metallplatte 16' befestigt, die gleichzeitig als Rückleitung dient. Die Metallplatte 16' hat Fenster, die in Gestalt und Verteilung identisch mit denjenigen in der Blende 16 sind. Die Blende 16 könnte infolgedessen sogar weggelassen werden.

Wie F i g. 2 zeigt, ist die Photozelle 20 α über einen eigenen einstellbar vorgespannten Verstärker 20' mit einem zugeordneten Speicher 42 verbunden, der auf eine gemeinsame Auswertvorrichtung für alle Photozellen der Anordnung 20 arbeitet. Die Verstärker 20' haben einstellbare Verstärkung und einstellbare Vorspannung. Statt dessen können optische Graukeile für die einzelnen Photozellen verwendet werden, um zu ereichen, daß die betreffenden Speicher 42 jeweils ansprechen, wenn die Lichtintensität die Hälfte des Maximums für günstigste Stellung der Fenster 12 a und 14 a beträgt.

Ein weiteres Fenster 14 & in demjenigen Teil der Scheibe 14, der sich außerhalb der langsamen Codescheibe^ befindet, fluchtet mit entsprechenden Fenstern 16 & in der Blende 16 und einem entsprechenden Fenster in der Blende 16'. Durch dieses Fenster kann eine Photozelle 20 & erregt werden, die entsprechende Bits auf die Auswertvorrichtung 44 gibt. Ein gemeinsamer Sperrsignalgenerator 46, der von einer weiter unten erläuterten Photozelle 20 c gesteuert wird, verhindert Umschaltungen der Speicher 42, solange die schnellere Codescheibe 14 sich nicht nahezu oder ganz in der Mitte der betreffenden Codierstellung befindet. Eine Photozelle 2Od und ein Vorspannungsgenerator 48 dienen zur Erzeugung einer gemeinsamen Vorspannung für alle Verstärker 20' entsprechend den Intensitätsänderungen der Glühlampe 18 a, um dadurch Empfindlichkeitsschwankungen zu kompensieren. So wird gewährleistet, daß der Speicher 42 nur dann betätigt wird, wenn tatsächlich die halbe Fläche des Fensters 16 a verdeckt ist.

Die bisher beschriebene Anordnung liefert verschiedene binäre Codewörter, die aufeinanderfolgenden Stellungen der langsamen Welle 26 mit der langsamen Codescheibe 12 zugeordnet sind, wobei diese aufeinanderfolgenden Stellungen durch die verschiedenen Codestellungen der schnellen Scheibe 14 und das Übersetzungsverhältnis zwischen den beiden Scheiben bestimmt sind. Im dargestellten BeispieL beträgt das Übersetzungsverhältnis zwischen den Zahnrädern 28 und 30, also zwischen den Wellen 26 und 32, 16 zu 1, während das Übersetzungsverhältnis zwischen den Zahnrädern 34 und 36, welche die Wellen 32 und 38 verbinden, 8 zu 1 beträgt. Das Übersetzungsverhältnis zwischen der Welle 38 und der Welle 26 beträgt also 128 zu 1. Bei der Codeausbildung gemäß F i g. 6 und 7 hat die Codescheibe 12 128 verschiedene Codewörter, und die Codescheibe 14 hat 256 Wörter. Damit beträgt der Umfang des Codes 2¹⁵ oder 32 768 verschiedene Winkelstellungen der Welle 26. Diese Zahl kann in einem Binärcode mit 15 Stellen dargestellt werden.

Es ist denkbar, für einen 15stelligen Binärcode eine einzige Scheibe mit 15 konzentrischen Ringen zu verwenden. Dies würde jedoch eine außerordentlich hohe Präzision und sehr kleine Abtastöffnungen erfordern, wodurch wieder außerordentlich hohe Lichtintensitäten bei photoelektrischer Abtastung usw. benötigt würden. Auch müßten die Abtastelemente sehr genau auf einen wahren Radius der Codescheibe lokalisiert werden.

Alle diese Probleme lassen sich durch die hier verwendeten zwei Codescheiben mit bestimmtem Übersetzungsverhältnis lösen. Diese Lösung ist an sich bekannt. Ihr Vorteil liegt vor allem darin, daß der Platz für die einzelnen Bits um einen Faktor zunimmt, der etwa gleich dem Übersetzungsverhältnis ist. Beträgt also im vorliegenden Beispiel mit zwei Codescheiben in einem Übersetzungsverhältnis von 128 zu 1 die Länge eines Bits in Abtastrichtung auf der schnellen Codescheibe 1,25 mm, so stehen bei Verwendung einer einzigen Codescheibe des gleichen Durchmessers 1,25/128 oder etwa 0,01 mm zur Verfügung. Aber nicht nur die Bitlänge ist außerordentlich klein, sondern die Exzentrizität ist noch kritischer.' Eine Exzentrizität von nur 0,01 mm führt zu einem maximalen Abtastfehler von 0,02 mm.

Zwar könnte man eine einzige Scheibe größeren Durchmessers verwenden, aber die Bitlänge steigt nur proportional zum Durchmesser, so daß noch bei einem fünfmal so großen Durchmesser die Bitlänge nur von 0,02 mm auf 0,1 mm ansteigen würde. Ferner erfordert jede weitere Abtaststelle einer Codescheibe die gleiche Präzision wie die der kleinsten Bitlänge. Deshalb kann man mit dem Spurdurchmesser nicht beliebig heruntergehen.

Auch noch ein weiteres Problem wird durch die Verwendung zweier getrieblich verbundener Codeträger (Scheiben, Trommeln oder Bänder) gelöst. Normalerweise wird die schnelle Codescheibe nach Durchlauf eines ganzen Codezyklus gerade in ihre Ausgangslage zurückgekommen sein, also eine volle Umdrehung gemacht haben, wenn die langsame Codescheibe um ein Bit weitergerückt ist. Das bedeutet bei einem Code mit 2¹⁵ Codewörtern, daß der Übergang von einem Codewort der schnellen Scheibe zum nachfolgenden Codewort in weniger als 1/30000 einer vollen Umdrehung der langsamen Codescheibe vor sich geht.

Es muß nun vermieden werden, daß eine Mehrdeutigkeit in der Ablesung der beiden miteinander verbundenen Codescheiben dadurch entsteht, daß die

14α-1, 14α-2 usw. so angeordnet, daß in der Nullstellung der schnellen Codescheibe ein glatter Abschnitt der Spirale 14 a-1 hinter dem Fenster 16 a-1 erscheint und daß gleichzeitig die Sprünge 14 a-2', 5 14a-3' usw. hinter den betreffenden Fenstern der Blende 16 erscheinen sowie daß in diesem Zeitpunkt diejenigen Stellen der Scheibe 12, welche der jeweiligen Codestellung derselben entsprechen, sich unter den Fenstern 16 a befinden. Der Sprung 14 a-1' gelangt

Erfindung gibt eine Lösung auch dieses Problems derart, daß der erforderliche rasche Codeübergang eindeutig und ohne abrupte mechanische Bewegung irgendwelcher Teile bewirkt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Codescheiben 12 und 14 und der Blende 16 bzw.16' ist in Fig. 3 bis 8 dargestellt und in der Betriebsweise erläutert. Wie Fig. 8 zeigt, besitzt die Blende 16 bzw. 16' zwei

ein rautenförmiges Sperrfenster 16 c und ein zusätzliches Lichtregelfenster 16 d auf. Für jedes Fenster in der Blende 16 ist eine Photozelle in der Anordnung 20 vorgesehen.

Wie F i g. 3 und 6 zeigen, stellt das innerste Fenster 14 d der schnellen Codescheibe 14 einen vollständigen Kreis dar» Dieses Fenster dient zur Regelung der Grundlichtstärke mittels der Phötozelle

Abtastvorrichtung nicht sofort den Übergang vom
Ende eines Codezyklus der schnellen Codescheibe
auf den Beginn des nächsten Codezyklus registriert
und so einen groben Fehler hervorruft. Ferner muß
der Übergang möglichst plötzlich vor sich gehen.
Macht z.B. die langsame Codescheibe eine Umdrehung in 10 Sekunden, so stehen bei 32768 digitalen Winkelstellungen für jedes Codewort 10 Sekunden/32768 Bits oder etwa 0,0003 Sekunden zur
Verfügung. Die direkte Erfassung derart kurzer io eine halbe Umdehung der schnellen Scheibe später Zeiten bereitet beträchtliche Schwierigkeiten. Die hinter das Fenster 16a-l.

Die durchsichtigen und undurchsichtigen Abschnitte in den verschiedenen Spuren der Scheibe 12 haben mit Ausnahme der Spuren 12-1 und 12-2 von 15 außen nach innen jeweils die doppelte Ausdehnung der Abschnitte in der vorhergehenden Spur, wobei jedoch die Abschnitte in der Spur 12-6 die kleinste Ausdehnung haben. Die Abschnittsgröße auf der Scheibe 14 verdoppelt sich regelmäßig für jede Spur

Gruppen von Codefenstern, nämlich acht Fenster 20 von außen nach innen.

16 ö und sieben Fenster 16 δ. Außerdem weist sie Die Spur 12-6 hat die kürzesten Abschnitte der

Scheibe 12. Die Fenster in dieser Spur sind so angeordnet, daß entweder die vordere oder die hintere Hälfte eines Fensters 12-6 sich gegenüber einer Hälfte 25 des Fensters 16a-1 befindet, wenn der Spiralensprung 14a-l' gerade an diesem Fenster vorbeigeht. Dies ist in Fig. 5 dargestellt. Beide Codescheiben drehen sich z.B. entgegen dem Uhrzeigersinn. Der Sprung 14a-1' geht dann am Fenster 16 a-1 vorbei, wenn die vor-

20 d. Es stehen verschiedene mechanische Mittel zur 30 dere Hälfte eines Fensters 12-6 die obere Hälfte des Verfügung, um die Scheibe 14 trotz des ringförmigen Fensters 16 a-1 in der Blende einnimmt. Mit anderen Fensters 14 rf und der acht Spiralfenster 14 a zu- Worten fluchtet die Vorderkante eines Fensters 12-6 sammenzuhalten. Beispielsweise sind die Scheiben mit der Innenkante des einen Spiralenendes und mit aus Glas oder einem anderen durchsichtigen Werk- der Außenkante des anderen Spiralenendes 14 a-1. stoff, und die undurchsichtigen Stellen sind mit einem 35 Außerdem ist die Linie, welche die Spiralenenden Lack oder einer Schicht abgedeckt, welche nur die verbindet, im wesentlichen parallel zu den Kreisrändern der Fenster in der Spur 12-6. Fig. 5 zeigt, wie der vordere Teil des Spiralfensters 14 a-1 in denjenigen Teil des Blendenfensters 16 a-1 eintritt, wel-40 eher der von der vorderen Hälfte des Fensters 12-6 eingenommenen Fläche gegenüberliegt. Hierbei bewegt sich der hintere, versetzte Teil der gleichen Spirale 14-1 von der Blendenöffnung 16 a-1 weg. Der durch die Fenster der Scheiben 12 und 14 hindurch-

Fensterl4c auf die entsprechende Photozelle 20 c 45 gehende Lichtstrahl ist natürlich durch die Ränder fällt. An sich ist diese Sperrvorrichtung, wie sich dieser Fenster begrenzt. Demgemäß sind die Ränder noch zeigen wird, bei Anwendung der Erfindung der Fenster 16 a nicht kritisch, solange diese Fenster nicht unbedingt erforderlich, aber doch nützlich. groß genug sind.

Es sind acht Spiralfenster 14 a-1, 14a-2 usw., ge- Wenn statt des vorderen Endes das hintere Ende

zählt von der innersten Spirale aus, vorhanden. Jede 50 der Spirale 14 a-1 in der Blendenöffnung 16 a-1 erSpirale hat einen Sprung an einer Stelle, an der sich scheint, verdecken die undurchsichtigen Teile der die gegeneinander versetzten Enden der aus einer Scheiben 12 und 14 nicht mehr als Blendenfenster, Windung bestehenden Spirale gegenüberstehen. Der sondern der versetzte Teil des Spiralfensters fluchtet Sprung 14 a-1' des Spiralfensters 14 a-1 liegt diametral mit der vorderen Hälfte eines Fensters 12-6. Wähgegenüber den Sprüngen der anderen Spiralfenster. 55 rend der nachfolgenden vollen Umdrehung der Die Blende 16 bzw» 16' hat acht Fenster 16 a-1, Scheibe 14 rückt das Fenster 12-6 vor, bis sein hinte-16a-2 usw., die den gleichbezifferten Spiralfenstem rer Rand die Mitte des Fensters 16 a-1 erreicht. Wähzugeordnet sind. Diese Fenster sind nicht auf einem rend der gleichen Umdrehung sorgt die Spirale 14 a-1 bestimmten Radius der Scheibe 14 oder der Scheibe für eine konstante Belichtung einer Hälfte des ent-12 angeordnet, sondern gestaffelt, um Platz für die 60 sprechenden Fensters in der Spur 12-6 durch das benötigten Photozellen 20 a usw. zu gewinnen. Blendenfenster.

Die langsame Codescheibe 12 hat acht Codespuren Zu Beginn des nächsten Umlaufs der Scheibe 14 12-1,12-2 usw., die von innen nach außen beziffert verläßt das hintere Ende der Spirale die hintere sind. Hälfte des Fensters 12-6 und wird durch einen un-

Für jede der acht Codespuren in der Scheibe 12 65 durchsichtigen Teil der Scheibe 14 ersetzt. Das vorist ein Fenster 16 ö-l, 16 a-2 usw. vorgesehen. Diese dere Ende der Spirale 14 a-1, das gleichzeitig in das Fenster sind in Beziehung zu den Codebits auf der Blendenfenster 16 a-1 einläuft, steht vor einem unScheibe 12 und zu den Sprüngen der Spiralfenster durchsichtigen Teil der Scheibe 12.

Fenster frei lassen. Die sieben Stellen jedes Codeworts, die von der schnellen Codescheibe geliefert werden, sind durch sieben Codespuren 14 b-1, 14&-2 usw. dargestellt.

Die rautenförmigen Fenster 14 c dienen zur Festlegung der Abtaststellen in der Mitte der einzelnen Bits, indem die normalerweise gesperrten Speicher 42 nur dann geöffnet werden, wenn Licht durch ein

Somit ergeben sich hinter dem Fenster 16 a-1 abwechselnde Übergänge von offen zu geschlossen und von geschlossen zu offen bei den aufeinanderfolgenden Umdrehungen der schnellen Codescheibe 14. Diese Übergänge treten eine halbe Umdrehung nach der Nullstellung der schnellen Scheibe, IVa Umdrehungen nach der Nullstellung und jeweils nach einer weiteren ganzen Umdrehung der Scheibe 14 ein. Jeder solche Übergang wird vom Durchgang des Sprungs 14 ß-1 hinter dem Fenster 16 a-1 eingeleitet und vollendet. Die Breite der Fenster in der Spur 12-6, gemessen in Richtung des zugeordneten Spiralfensters 14 a-1 (und die Breite aller Fenster der Codescheibe 12), ist gleich der Länge eines Bits der schnellen Codescheibe 14, gemessen durch die Bahn der radialen Verbindungslinie der Endteile der betreffenden Spirale 14 a, Ideal sind die Breiten der Spiralfenster so mit den Breiten der Fenster in der Scheibe 12 verknüpft, daß hinter allen Blendenfenstern 16 α die gleichen Öffnungsflächen belichtet ao werden. Bei gleichmäßiger Beleuchtung aller Blendenfenster 16 a können somit alle zugeordneten Verstärker 20' gleich sein.

Die belichteten Flächen der hinter den Fenstern 14 b liegenden Photozellen sind ebenfalls einander «5 gleich und gleich den belichteten Stellen hinter den Blendenfenstern 16 β. Die tangential Breite jedes Fensters 16 b ist gleich einer Bitlänge der zugeordneten Spur 14 b, weshalb die Breiten der Fenster 14b-l, 14b-2 usw. entsprechend dem Radius der betreffenden Spuren voneinander abweichen. Die radiale Breite der Fenster 166 ist begrenzt durch den radialen Abstand der Spuren 14 b. Die Spurbreite ist so gewählt, daß die belichteten Flächen hinter den Fenstern 16& gleich groß sind, d.h., die inneren Spuren haben größere Breite. Ferner sollen die belichteten Flächen hinter den Fenstern 16 b gleich groß sein wie hinter den Fenstern 16«. Dies hat den Vorteil, daß alle Photozellenverstärker 20' gleich ausgeführt und eingestellt werden können.

Jedes der Spiralfenster 14 a-2, 14a-3 usw. bewirkt in gleicher Weise wie das beschriebene Spiralfenster 14ß-l den plötzlichen Übergang von einem Abtastabschnitt der langsamen Codescheibe zum darauffolgenden während des Vorrückens der schnellen Codescheibe um nur eine Stelle. Dieses Ergebnis wird ohne irgendwelche abrupte mechanische Bewegungen irgendwelcher Teile erzielt. Größe, Gestalt und Ort der Blendenöffnungen erfordern keine große Präzision, und auch der Ort der einzelnen Wellen ist so nicht kritisch.

Die Codes der Scheiben 12 und 14 sind so gewählt, daß die acht binären Stellen der Scheibe 12 und die sieben binären Stellen der Scheibe 14 zusammen eine Kapazität von 2¹⁵ oder 32768 verschiedenen Code-Stellungen für die Welle der Scheibe 12 ergeben. Die dargestellten Codes sind zyklische Codes, bei denen stets nur eine Änderung (von Hell zu Dunkel oder umgekehrt) in den 15 Stellen des Codes beim Vorrücken von einer Codestellung zur nächsten stattfindet. Wie erwähnt, ist die Ausgangsspannung der Photozellen 20 proportional zur belichteten Fläche, und die Verstärker 20' sind sämtlich so konstruiert, daß ein Umschlag von Hell auf Dunkel und umgekehrt stattfindet, wenn mehr oder weniger als die Hälfte der betreffenden Photozellenfläche mit der normalen Lichtintensität belichtet ist. Die Beleuchtungsstärke ist über jede Blendenöffnung praktisch konstant, und die effektiven Lichtintensitäten an allen Blendenöffnungen sind z.B. durch Einstellung der Verstärker 20' ausgeglichen. Damit findet eine Fortschaltung um ein Bit an jedem Fenster 16 & statt, wenn eine Kante eines Spurabschnitts die Mittellinie dieses Fensters kreuzt. Das gleiche gilt für die Fenster 16a. Wie erwähnt, ist für die Weiterschaltung der Bits auf der langsamen Scheibe 12 der Durchgang des Spungs einer Spirale 14 a maßgebend. Die Weiterschaltung tritt also hier ein, wenn die Verbindungslinie der Spiralenenden die Mittellinie der Breite einer Spur in der Scheibe 12 kreuzt.

Auch wenn unter praktischen Umständen ein Fehler auftritt, durch den die Weiterschaltung in einer der Codespuren aus der Mitte der betreffenden Blendenöffnung bzw. Photozelle verlegt wird, so kann dieser Fehler höchstens einen Bruchteil des Vorschubs der schnellen Codescheibe um ein Bit betragen, weil auch für die langsame Codescheibe die Umschaltung innerhalb eines Bits der schnellen Codescheibe stattfindet.

Dank der geschilderten Vorkehrungen und der Tatsache, daß ein zyklischer Code benutzt wird, bei dem sich das Codewort beim Übergang zur nächsten Stellung jeweils nur um ein Bit ändert, ist die bekannte Sperrvorrichtung mit den rautenförmigen Fenstern 14 c, der zugeordneten Photozelle 20 c und dem Sperrsignalgenerator 46 an sich überflüssig und kann zur Vereinfachung weggelassen werden. Das gilt allerdings nicht, wenn ein nichtzyklischer Code verwendet wird, bei dem mehrere Bits sich gleichzeitig ändern. Wenn nämlich hier der Übergang von einem Bit zum nächsten in verschiedenen Stellen etwas gegeneinander verschoben ist, ergeben sich schwere Störungen. Bei Verwendung nichtzyklischer Codes empfiehlt es sich also, die Sperranordnung, die eine Abtastung in der Mitte der jeweiligen Bits gewährleistet, beizubehalten.

Wie erwähnt, ist die Welle 32 die Eingangswelle der Codiervorrichtung. Diese Welle treibt ohne besonderen Kraftaufwand die langsame Welle 26 und die schnelle Welle 38. Die Welle 32 ist außerhalb der Vorrichtung getrieblich mit der Welle oder dem sonstigen Teil verbunden, dessen Stellungen codiert werden sollen. Um Winkelstellungen bzw. Umdrehungen beiderseits eines bestimmten Ausgangswertes erfassen zu können, empfiehlt es sich, die Scheibe 12 nicht den ganzen Bereich der Codestellungen durchlaufen zu lassen, sondern sie von einer mittleren Stellung aus je nach Bedarf rechts und links zu drehen. Aus diesem Grunde ist es manchmal wichtig, die Codiervorrichtung auf eine bestimmte Stelle des Gesamtbereichs voreinzustellen. Es ist vorteilhaft, wenn dies nicht auf elektrischem Wege, sondern auf mechanischem Wege durchgeführt werden kann.

F i g. 9 und 10 zeigen eine mechanische Vorrichtung zur Einstellung der Codiervorrichtung auf bestimmte Ausgangswerte. Die Zahnräder 28 und 34 sind mit Löchern 28 α und 34 a fortlaufend zunehmender Größe versehen. Die Löcher 28 a-11 und 34a-7 sind die kleinsten und haben den gleichen Durchmesser. Ebenso haben die Löcher 28 a-12 und 34a-8 den gleichen Durchmesser usw. bis zu den größten Löchern 28 a-15 und 34 a-11. Diese Löcher sind in gleicher Weise auf den betreffenden Zahnrädern verteilt. Das Loch 28 a-15 hat einen Winkelabstand einer halben Umdrehung vom Loch28a-14, einer Viertelumdrehung vom Loch 28a-13 und einer

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Achtelumdrehung vom Loch28a-12. Die letzteren Löcher haben also Abstände vom Loch28a-15, die durch den Ausdruck ¹Un gegeben sind, wobei η nacheinander die Reihe der ganzen Zahlen annimmt. Für die Abstände der Löcher 34 a-10, 34 a-9, 34a-8 s und 34a-7 vom Loch34a-ll gilt dasselbe.

Eine Buchse 10 b, die aus der Platine 10« herausragt, fluchtet mit den Mittelpunkten der Löcher 28a-ll bis 28a-15 und der Löcher 34a-7 bis 34a-ll. Eine Stablehre 50 ist an ihrer Stirnfläche 50 a mit konzentrischen Stufen versehen, deren Durchmesser den einzelnen Lochdurchmessern in den Zahnrädern 28 und 34 entsprechen. Tritt die Lehre 50 in die Löcher 34a-U und 28a-15 ein, so kann sie ganz durchgeschoben werden. Dies entspricht der Stellung 0 der Codescheiben bezüglich der Abtastvorrichtung 20. Greift die Stablehre 50 in die Löcher 34 a-10 und 28a-14 ein, so ist der Mittelpunkt des Codebereichs festgelegt. In diesem Falle kann die Lehre 50 nicht beliebig tief eindringen, sondern nur so weit vorgeschoben werden, daß eine Marke 50 b, die der Bereichsmitte entspricht, mit der Kante der Buchse 10 έ fluchtet. .Für eine Gesamtzahl von 2¹⁵ binären Codestellungen kann diese Mitte mit der Zahl2¹⁴ bezeichnet werden. Weitere Stellungen der Codescheiben, in denen die Lehre 50 durch zueinander passende Löcher der Scheiben hindurchgeht, sind durch weitere.Eichmarken50δ an der Außenseite der Lehre 50 bezeichnet. Gegebenenfalls kann ein zusätzliches Loch von gleichem Durchmesser wie das Loch28a-13 diametral gegenüber diesem angebracht werden, und weitere Löcher mit dem Durchmesser des Loches 28 ß-12 können um 90° gegen dieses versetzt im Zahnrad 28 vorgesehen sein, wenn dies erwünscht ist. ■

Das Zahnrad 34 kann schnell in die Stellung 0 und andere kritische Stellungen des Codebereichs gebracht werden, indem das Loch34a-ll mit einem Loch im Zahnrad 28 zur Ausfluchtung gebracht und dann gegebenenfalls das Zahnrad 34 so weit gedreht wird, bis dasjenige Loch im Zahnrad 34, das einer bestimmten Stelle des Codebereichs entspricht, vor der Lehre 50 erscheint. Es sei also angenommen, daß die Lehre 50 in beide Zahnräder eingedrungen ist, daß der Teilstrich an der Skala 50 & notiert wurde und das Werkzeug anschließend zurückgezogen wurde. Das Zahnrad 34 wird nun weitergedreht, bis z. B. das Loch 34a-7 vor der Buchse 10 b steht. Nun wird die Lehre 50 nur so weit vorgeschoben, bis ihr kleinster Endteil in das Loch 34a-7 eingreift und die nächste Stufe am Zahnrad 34 anliegt. Der entsprechende Skalenstrich 50 c entspricht der Codestellung 2⁷. Der Abstand von der vorherigen Einstellung, bei der eines der Löcher 28 α gegenüber der Buchse 10 δ lag, beträgt nämlich 2⁷ aufeinanderfolgende Code-Wörter!

Die beiden Lochreihen 28 a und 34 a und die Stablehre 50 bilden also ein mechanisches Mittel zur Feststellung desjenigen Teils des Codebereichs, der gerade durchlaufen wird, wenn das mit der Welle verbundene Gerät sich in einer bestimmten Stellung befindet. So läßt sich die anfängliche Eichung mechanisch einfacher durchführen, ohne daß man eine Codeabtastung und eine Interpretation dieser Abtastung vornehmen muß. Zur weiteren Eichung dienen Stifte 28 & und 34 ö an den Zahnrädern 28 und 34 in derartiger Lage, daß sie von einer bestimmten Blickrichtung (z.B. gesehen in Richtung des Pfeiles A in F i g. 9) zur Deckung kommen. Gleichzeitig fluchten auch die Löcher 34 a-11 und 28a-15. Diese Lage entspricht, wie gesagt, der Nullstellung der Codescheiben 12 und 14, falls die Codescheiben und die anderen Zahnräder richtig zu ihren jeweiligen Wellen orientiert sind (z. B. mit Keilen) und die Zahnräder 34 und 36 ebenfalls durch entsprechende Eichmarken richtig zueinander eingestellt sind.

Die große Codekapazität der beschriebenen Anordnung kann nur dann voll ausgenutzt werden, wenn das Getriebe zwischen der schnellen Codescheibe 14 und dem Gerät, dessen Winkelstellungen gemessen werden sollen, frei von jedem toten Gang ist. Das zulässige Höchstmaß des toten Ganges in der ganzen Getriebekette von der schnellen Welle 38 bis zu der Welle, deren Stellungen verschlüsselt werden sollen, kann leicht berechnet werden. Er darf nur einen Bruchteil des Winkels betragen, um den sich die schnelle Codescheibe 14 beim Vorrücken von einer Codestellung zur nächsten dreht. Normale Getriebe mit so geringem Spiel sind nahezu unerschwinglich teuer. Das Getriebespiel kann z. B. mittels zweier Zahnräder auf einer gemeinsamen Welle aufgenommen werden, wobei die Zähne der beiden Zahnräder durch eine Feder in den Zahnlücken der damit kämmenden Zahnräder auseinandergedrückt werden. Das wäre jedoch nur auf einem Teil der ganzen Getriebekette wirksam und würde außerdem zusätzliche Reibung und einen zusätzlichen Kraftverzehr sowie eine stärkere Abnutzung hervorrufen.

Das Getriebespiel wird daher durch einen besonderen Hilfsmotor 52 beseitigt, dessen auf der Welle 38 sitzender Läufer durch Rückwirkung mit dem an der Platine 10 a befestigten Ständer ein ständiges Drehmoment auf die Welle 38 ausübt. Der Hilfsmotor 52 ist z. B. ein Induktionsmotor, dessen Leistung einen kleinen Bruchteil einer Pferdestärke beträgt. Der Hilfsmotor wird festgehalten, wenn die Codiervorrichtung in Ruhe ist, und treibt in Vorwärtsrichtung oder wird in Rückwärtsrichtung getrieben, je nach den Bewegungen und der Antriebskraft des Geräts, dessen Stellung codiert werden soll. Der Hilfsmotor erzeugt eine induzierte Druckkraft beispielsweise an den rechten Zahnflanken des Zahnrades 36 oder an den linken Zahnflanken, aber nicht an beiden. In der einen Richtung treibt der Motor die schnelle Codescheibe, aber nur so weit, wie es die Welle 32 zuläßt. In der entgegengesetzten Richtung treibt die äußere mechanische Kraft die Codescheibe entgegen der schwächeren Kraft des Motors 52, so daß dieser rückwärts gedreht wird.

Es ist hierbei nicht erforderlich, das geringe Getriebespiel zwischen den Zahnrädern 30 und 28 völlig zu beseitigen. Dieses Spiel beeinflußt die Meßgenauigkeit nicht schädlich, denn die Eingriffsstelle 28 bis 30 gehört nicht zu der Antriebskette zwischen der Welle 38 der schnellen Codescheibe und der Welle des äußeren Gerätes, deren Stellung verschlüsselt werden soll. Der Hilfsmotor 52 verhindert jedes Getriebespiel in der letzteren Antriebskette.

Es sollen noch ein paar Worte über die verwendeten Codes angefügt werden. Wie mehrfach erwähnt, werden zyklische Codes in Fig. 6 und 7 verwendet. Man kann leicht die Anwendung des Prinzips der Änderung nur eines Bits beim Übergang zum nächsten Codewort in den meisten Fällen, z. B. hinsichtlich des Codes 14 b, erkennen. Hinsichtlich der Codescheibe 12 wird im einzelnen auf F i g. 4 verwiesen.

Die Spiralfenster 14« haben hierin eine um 180° gegen die Lage der F i g. 5 gedrehte Lage. F i g. 5 war zur Erläuterung der Wirkungsweise der Spirale 14 a-1 gedacht. In F i g. 4 erkennt man im Fenster 16a-7, daß die beiden gegeneinander versetzten Endteile der Spirale 14 a-1 erscheinen, so daß durch beide Endteile und durch das lange Fenster der Codespur 12-4 Licht hindurchgehen kann. Während des ganzen Durchgangs des Spiralensprungs 14 a-1' unter dem Blendenfenster 16 a-1 bleibt eine konstante Belichtungsfläche für die betreffende Photozelle durch das Fenster der Spur 12-4 hindurch bestehen, so daß der zugeordnete Verstärker 20' eine konstante Eingangsspannung erhält. Demgemäß tritt bei dem dargestellten Vorbeigang des Spiralensprungs 14 a-1' unter der Blendenöffnung 16 a-1 keine Bitänderung auf.

In der in F i g. 4 dargestellten Lage der Scheibe 12 befindet sich kein durchsichtiger Abschnitt der Spur 12-3 hinter dem Blendenfenster 16 a-S, so daß beim Fortschreiten der Codescheibe 14 um ein Bit das Codeelement 12-3 seinen Wert nicht ändert. Das gleiche gilt für die Blendenöffnung 16a-8.

Dagegen befindet sich in F i g. 4 ein Ende eines durchsichtigen Codeabschnitts 12-1 in der Mitte des Fensters 16a-6, so daß hier eine Bitänderung eintritt, wenn ein Endteil des Spiralensprungs 14 a-6' durch den anderen Endteil ersetzt wird.

Die von den Spiralen 14 a-2 bis 14a-8 bewirkten Bitänderungen treten an einer Stelle der Umdrehung der Codescheibe 14 ein, in der eine bestimmte Kornbination der Codeabschnitte 14 δ dieser Scheibe hinter den Blendenfenstern 16 b erscheint. Dagegen befindet sich der Spiralensprung 14 a-1' (F i g. 5) diametral gegenüber den übrigen Sprüngen 14 a-2' bis 14a-8' und arbeitet also mit einer anderen Codekombination zusammen. Dies hat sich als besonders vorteilhaft zur Lösung des Problems der Anwendung eines zyklischen Codes erwiesen, der auf zwei Codescheiben verteilt ist. Die Bitänderung einer Spur der Codescheibe 12 erfolgt so stets um eine halbe Umdrehung der Scheibe 14 vor den Bitänderungen der anderen Spuren der Scheibe 12. Es sind zwar zyklische Codes großen Umfangs, die auf zwei Codescheiben verteilt sind, auch ohne dieses Merkmal möglich, aber die beschriebene Anordnung vermeidet umständlichere Maßnahmen zur Erreichung des gleichen Ziels.

In der am stärksten unterteilten Spur 12-6 befinden sich insgesamt 64 Fenster. Man würde also zunächst annehmen, daß die Scheibe 12 einen Vorrat von 128 Codewörtern trägt. In Wirklichkeit sind aber 256 Codewörter verfügbar, wie es den acht Codespuren der Scheibe 12 entspricht. Das kommt daher, weil dank der um eine halbe Umdrehung versetzten Anordnung des Spiralensprungs 14 a-1' bereits nach jeder halben Umdrehung der Scheibe 12 ein neues Codewort erscheint. So ergeben sich 2⁸ = 256 Codewörter für die Scheibe 12 und 2⁷ = 128 Codewörter für die sieben Spuren der Scheibe 14, also insgesamt 32768 Codewörter.

Die Darstellungen der Scheiben 12 und 14 (Übersetzungsverhältnis 128:1) und des Ausschnitts der Blende 16 in F i g. 6 bis 8 sind Photokopien einer in Betrieb befindlichen Codiervorrichtung. In fast allen Fällen erstrecken sich die Abschnitte in einer Spur über die halbe Winkelausdehnung der Abschnitte in der nächsthöheren Größenordnung. Nur die Fenster in den Spuren 12-2 und 12-1 erstrecken sich beide über 180°, sind aber gegeneinander versetzt. Das ist ein normales Merkmal der sogenannten reflektierten Binärcodes.

Claims

Patentansprüche:

1. Codiervorrichtung für Drehwinkel mit zwei über ein Getriebe derart verbundenen Codescheiben, daß die langsamere Scheibe um ein Bit vorrückt, während die schnellere Scheibe einen ganzen Codezyklus durchläuft, dadurch gekennzeichnet, daß eine feste Blende (16) und ein auf der schnelleren Codescheibe (14) angebrachtes Fenster (14 a) eine plötzliche Umschaltung von der Abtastung eines vorhergehenden Bits der langsameren Codescheibe (12) auf das nächste Bit derselben jeweils dann besorgen, wenn die schnellere Codescheibe (14) von einem Codezyklus auf den nächsten übergeht (F i g. 2).

2. Codiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (14 a) für jede Codespur der langsameren Codescheibe (12) aus einer über die zugeordnete Codespur bewegten Spiralblende (14 a-1 bis 14a-8) besteht, deren Breite so gewählt ist, daß sie ein Codebit der zugeordneten Spur freigibt, und die an einer Stelle einen Sprung (14α-Γ usw.) besitzt (Fig. 2, 6).

3. Codiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der beide Codescheiben zusammen eine fortlaufende Folge von Codewörtern darbieten, dadurch gekennzeichnet, daß beim Übergang von einem Codewort zum nächsten sich jeweils nur ein Bit ändert.

4. Codiervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende so ausgebildet ist, daß die plötzliche Umschaltung für eine Spur (12-6) der langsameren Codescheibe in einem bestimmten Zeitpunkt des Codezyklus der schnelleren Codescheibe vor sich geht, während die plötzliche Umschaltung aller anderen Spuren einen halben Zyklus vorher oder nachher erfolgt (Fig. 7).

5. Codiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Hilfsmotor (52), der zwecks Unterdrückung des Getriebespiels zwischen der schnelleren Codescheibe und der Eingabewelle (32) ein ständig in einer Richtung wirkendes Drehmoment auf die Welle (38) der schnelleren Codescheibe ausübt (Fig.l).

6. Codiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine mechanische Eichvorrichtung für bestimmte Codestellungen, bestehend aus mindestens einem mit den Codescheiben gekuppelten Rad (28) mit einer Reihe von Löchern (28a-ll bis 28a-15), die an einer festen Buchse (10 b) vorbeilaufen, wobei die Abstände der einzelnen Löcher von einem ersten Loch (28a-15) Van Teile von 360° betragen, wenn η die Reihe der ganzen Zahlen durchläuft, und die Löcher in der gleichen Reihenfolge fortlaufend abnehmende oder zunehmende Durchmesser haben, sowie aus einer in der Buchse (10 b) verschiebbaren Stablehre (50), die den Durchmessern der einzelnen Löcher entsprechende Abstufungen (50 a) aufweist, so daß die Eindringtiefe der Stablehre relativ zu einem festen Bezugspunkt den Bruchteil von 360° angibt, den das Rad (28) zurückgelegt hat (Fig. 9, 10).

7. Codiervorrichtung nach Ansprach 6, gekennzeichnet durch ein zweites, über ein Getriebe mit dem ersten Rad (28) gekuppeltes Rad (34) mit einer in gleicher Weise angebrachten und gestaffelten Lochreihe (34 a-7 bis 34 a-11), die ebenfalls vor der Buchse (10 b) vorbeiläuft, wobei das Übersetzungsverhältnis zwischen den beiden Rädern 2N beträgt, wenn N der höchste Wert der Zahl η ist (Fig. 9, 10).

8. Codiervorrichtimg nach einem der An-

Sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangswert der Abtastelemente (20 a) für die Codespuren der langsameren Codescheibe proportional zur freigegebenen Fläche derselben ist, daß in der Nähe des Umschaltzeitpunkts zwei verschiedene Codeabschnitte jeder Spur gleichzeitig von dem zugeordneten Abtastelement erfaßt werden und daß das Fenster (14 a) stets nur die Fläche eines Abschnitts in der Länge eines Bits freigibt .(F ig. 2).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen