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Mehrstufiger Winkelschrittgeber
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Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Winkelschrittgeber mit einer
Eingangswelle, deren Winkelstellung absolut zu bestimmen,ist mit einer mit der Eingangswelle
gekoppelten ersten Winkelschritt-Codescheibe und einer oder mehreren weiteren nachgeschalteten
Winkelschritt-Codescheiben, die jeweils vorzugsweise opto-elektronisch abgetastet
werden, wobei jede Codescheibe über ein Untersetzungsgetriebe von der jeweils vorgeschalteten
Codescheibe antreibbar ist.
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Solche bekannte Winkelschrittgeber, die häufig auch Winkelcodierer
genannt werden, dienen dazu, beispielsweise für digitale Steuerungen und Regelungen
die absolute Winkelstellung der Eingangswelle des Gebers bzw. einer mit dieser verbundenen
Welle in digitale elektrische Signale umzusetzen.
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Um auch mehrfache Umdrehungen der Eingangswelle, d.h. Winkel über
360°, absolut bestimmen zu können, werden mehrstufige Winkelschrittgeber oder Multiturn-Winkelschrittgeber
verwendet. Bei diesen mehrstufigen Winkelschrittgebern sind zwei oder mehrere Codescheiben
hintereinandergeschaltet und über Untersetzergetriebe. gekoppelt. Bei jeder vollen
Umdrehung einer Codescheibe wird die nachgeschaltete Codescheibe um einen Schritt
weitergedreht. Bei der üblicherweise verwendeten dekadischen Unterteilung der Codescheiben
ergibt sich somit, daß die Anzahl der Codescheiben der dezimalen Stellenzahl der
mit dem Geber messbaren maximalen Anzahl von Umdrehung der Eingangswelle entspricht.
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Beiden bekannten mehrstufigen Winkelschrittgebern sindde hintereinandergeschalteten
Codescheiben koaxial zu der Eingangswelle und in Axialrichtung gegeneinander versetzt
angeordnet. Dies hat eine nachteilige große axiale Baulänge des mehrstufigen Gebers
zur Folge, wenn mehrere Codescheiben benötigt werden, um mehrstellige Umdrehungszahlen
der Eingangswelle
messen zu können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mehrstufigen Winkelschrittgeber
der eingangs genannten Gattung so zu verbessern, daß mehrere Codescheiben vorgesehen
sein können, um mehrstellige Umdrehungszahlen erfassen zu können, ohne daß dadurch
die Abmessungen und insbesondere die axiale Abmessung des Gebers wesentlich vergrößert
werden.
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Diese Aufgabe wird bei einem mehrstufigen Winkelschrittgeber der eingangs
genannten Gattung dadurch gelöst, daß wenistens zwei Codescheiben in einer Ebene
mit parallel und exzentrisch zur Eingangswelle verlaufenden Drehachsen angeordnet
sind.
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Durch die Anordnung von mehreren Codescheiben in einer Ebene wird
die axiale Baulänge des Gebers auch durch mehrere Codescheiben nicht vergrößert.
Die Zahl der Codescheiben, die in einer Ebene angeordnet werden können, ist zumindest
theoretisch nicht begrenzt. Um jedoch die Abmessungen des Gebers senkrecht zur Eingangswelle
gering zu halten und die angestrebte kompakte Bauweise zu erreichen, ist es zweckmäßig,
die in einer Ebene liegenden Codescheiben so anzuordnen, daß ihre Drehachsen gleichen
radialen Abstand von der Eingangswelle aufweisen.
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In diesem Falle können etwa 5 bis 6 Codescheiben in einer Ebene kreisförmig
um die Eingangswelle angeordnet werden, ohne daß der Durchmesser der Codescheiben
für die erforder liche Winkelauflösung zu klein wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können dabei
alle Codescheiben in einer Ebene angeordnet sein.
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Dies hat den Vorteil einer besonders geringen axialen Baulänge des
Gebers.
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Bei dieser Ausführungsform liegt jedoch auch die erste, unmittelbar
mit der Eingangswelle gekoppelte Codescheibe exzentrisch zur Eingangswelle. Um die
radiale Abmessung des Gebers gering zu halten, muß daher auch diese erste Codescheibe
im Durchmesser verhältnismäßig klein gehalten werden.
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Bei dieser Ausführungsform bestehen daher Einschränkungen in Bezug
auf die erreichbare Winkelauflösung.
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Auch bei dieser Ausführungsform ist jedoch eine hohe Winkelauflösung
erreichbar, wenn die erste Codescheibe über ein Ubersetzungsgetriebe mit der Eingangswelle
gekoppelt ist.
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Einer Umdrehung der Eingangswelle um 360° entsprechen dann je nach
dem Übersetzungsverhältnis mehrere Umdrehungen der ersten Codescheibe. Auch mit
einer Unterteilung der ersten Codescheibe in eine geringere Anzahl von Winkelschritten
kann somit eine hohe Winkelauflösung für die Eingangswelle erhalten werden. Zwangsläufig
werden dabei jedoch die ersten zwei Codescheiben benötigt, um eine Drehung der Eingangswelle
um 360° zu bestimmen. Die Gesamtzahl der mit den zur Verfügung ptehendep sCQ;descheiben
messbaren Umdrehungen wird daher um eine Dezimalstelie verkleinert.
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In einer anderen Ausführungsform wird eine hohe Winkelauflösung dadurch
erreicht, daß die erste Codescheibe konzentrisch zur Eingangswelle und alle weiteren
Codescheiben in einer gemeinsamen gegen die erste Codescheibe axial versetzten,
zu dieser parallelen Ebene angeordnet sind. Die erste Codescheibe kann in diesw
Ausführungsform einen großen Durchmesser aufweisen, so daß sie eine hohe Winkelauflösung
ermöglich. Auch bei dieser Ausführungsform wird noch eine erhebliche Verringerung
der axialen Baulänge gegenüber herkömmlichen mehrstufigen Gebern erhalten.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein Ausführungsbeispiel, das weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung
zeigt, wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen: Fig. 1 - einen
Querschnitt eines Winkelschrittgebersgem.
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der Erfindung und Fig. 2 - einen Axialschnitt dieses Gebers.
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Der Winkelschrittgeber weist eine kreisscheibenförmige Grundplatte
10 auf, in welcher konzentrisch eine Eingangswelle 12
gelagert
ist, die die zu messende Welle darstellt oder an diese angekuppelt wird. Auf die
Grundplatte lo ist ein abdeckendes Gehäuse 14 aufgesetzt.
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Auf dem in das Gehäuse 14 hineinragenden Stummel der Welle 12 sitzt
drehfest eine Nabe 16. Gegebenenfalls kann diese Nabe 16 mit der Welle 12 auch über
eine Rutschkupplung verbunden sein, wie sie in der DE-OS 24 48 239 beschrieben ist.
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Auf dem äußeren Ende der Nabe 16 sitzt drehfest konzentrisch eine
erste Codescheibe 18, die somit drehfest auf der Eingangswelle 12 sitzt und deren
absolute Winkelstellung anzeigt.
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Parallel zu der ersten Codescheibe 18 befindet sich zwischen dieserunddem
Abdeckgehäuse 14 eine gehäusefeste Platine 20.
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Auf der der Platine 20 abgewandten Seite der ersten Codescheibe 18
befindet sich eine weitere parallele gehäusefeste Platine 22. Auf der Platine 22
sind Sender, z.B. Lichtquellen und auf der Platine20 Empfänger, z.B. fotoelektrische
Zellen in an sich bekannter Weise zum Abtasten der Codierung der ersten Codescheibe
18 und zur Umwandlung dieser Codierung in elektrische Signale angeordnet.
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In einer der ersten Cpßgacheibë 18 parallelen Ebene sind auf der der
Grundplatte 1o zugewandten Seite der Platine 22
fünf weitere Codescheiben
24a bis 24e angeordnet. Diese Codescheiben 24a bis 24e sitzen jeweils mittels Naben
26a bis 26e drehbar auf Drehachsen 32 a bis 32e, die in gleichem radialem Abstand
von der Eingangswelle 12 und im gleichen gegenseitigen Winkelabstand in der Grundplatte
10 befestigt sind.
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Die Codescheiben 24a bis 24e weisen einen solchen Durchmesser auf,
daß sie sich zwischen die Nabe 16 und das Abdeckgehäuse 14 einfügen. Sie werden
in an sich bekannter Weise vorzuysweise opto-elektronisch abgetastet, wobei sich
die Empfänger auf der den Codescheiben 24a bis 24e zugewandten Seite der Platine
22 und die Sender auf einer weiteren gehäusefesten Platine 34 befinden.
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Die Nabe 26a weist ein Zahnrad 18a auf, das in ein Zahnrad 36 eingreift,
welches an der Nabe 16 an deren der Grundplatte 1o zugewandtem Ende ausgebildet
ist. Anschließend an das Zahnrad 28a ist die Nabe 26 a als Ritzel 30a ausgebildet.
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Die Naben 26b bis 26d weisen an ihrem der Grundplatte 1o zugewandten
axialen Abschnitt jeweils ein Zahnrad 38 b bis 38d und axial daran anschxießend
ein Ritzel 40b bis 40d auf.
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Die Nabe 26e der letzten Codescheibe 24e weist nur ein Zahnrad 38e
auf.
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Auf halbem Winkelabstand zwischen den Drehachsen 32 a bis 32 e sind
mittels Drehachsen 42 jeweils Zwischen zahnräder 44 drehbar an der Grundplatte 10
angebracht, die untereinander gleichen radialen Abstand von der Eingangswelle 12
aufweisen. Die Zwischenzahnräder 44 weisen axial aneinander anschließend jeweils
ein Ritzel 46 und ein Zahnrad 48 auf. Das Zahnrad 48 greift jeweils in das Ritzel
30a bzw. 40 b bis 40d der vorgeschalteten Nabe 26a bis 26d ein, während das Ritzel
44 in das Zahnrad 38b bis 38e der nachgeschalteten Nabe 26b bis 26e eingreift.
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Im folgenden wird die Funktionsweise des Winkelschrittgebers erläutert:
Mit der Eingangswelle 12, deren jeweilige Winkelstellung zu bestimmen ist, dreht
sich die erste Codescheibe 18 und die Nabe 16. Die Drehung der Nabe 16 wird über
die Zahnräder 36 und 28a mit einem vorgegebenen Untersetzungsverhältnis auf die
Codescheibe 24a übertragen. Die Drehung der Codescheibe 24a und ihrer Nabe 26a wird
über das Zwischenza4prad 4 tmit 4vopçgegebenem Untersetzungsverhältnis auf die Codescheibe
24b, von dieser über das anschließende Zwischenzahnrad 44 mit vorgegebenem Untersetzungsverhältnis
an die nachfolgende Codescheibe 24c usw. bis zur letzten
Codescheibe
24e übertragen.
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Das Untersetzungsverhältnis der von den Naben 26a bis 26e und den
Zwischenzahnrädern gebildeten Untersetzungsgetriebe zwischen den einzelnen Codescheiben
24a bis 24e beträgt z.B. 1o:1, so daß die einzelnen Codescheiben die Zahl der Umdrehungen
der Eingangswelle 12 im Dezimalsystem anzeigen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Codescheibe 18
in tausend Winkelschritte unterteilt, so daß sich eine Winkelauflösung von einer
tausendstel Umdrehung ergibt. Die erste Codescheibe 18 ist jedoch nur mit zwei Dekaden
codiert, während die dritte Dekade dieser Unterteilung in tausend Winkelschritte
durch die Codescheibe 24a gezählt wird, in-dem das Untersetzungsverhältnis zwischen
den Zahnrädern 36 und 28a als 1 : 1 gewählt ist.
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Die Maßnahme hat den Vorteil, daß zur Codierung der ersten Codescheibe
18 nur zwei radial angeordnete Codespuren benötigt werden und demzufolge der Durchmesser
der Codescheibe 18 und damit die gesamten radialen Abmessungen des Gebers kleiner
gehalten werden können.
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In dieser Ausführungsform zählt somit die erste Codescheibe 18 die
Dekaden lo und 101, die Codescheibe 24a die Dekade 102, die CQdescheibe 24b die
Dekade p3 und die Codescheibe 24 schließlich die Dekade 106.
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Der Geber kann somit bis zu 10.ooo.»ço-Umdrehungen mit einer Winkelauflösung
von einer looostel Umdrehung absolut bestimmen.
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In einer anderen,nicht dargestellten Ausführungsform, die eine noch
geringere axiale Baulänge aufweist, wird die erste Codescheibe 18 und das zugehörige
opto-elektronische Abtastsystem weggelassen.
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Die Codescheibe 24a ist dann die erste Codescheibe, die die Winkelauflösung
bestimmt. In diesem Falle werden die Zahnräder 36 und 28a mit einem Übersetzungsverhältnis
von 1:1 ausgebildet, so daß eine Umdrehung der Eingangswelle 12 einer Umdrehung
der Codescheibe 24a entspricht.
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Der verhältnismäßig kleine Durchmesser der Codescheibe 24a läßt bei
dieser Ausführungsform allerdings auch nur eine geringere Winkelauflösung zu.
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Dieser Nachteil kann dadurch beseitigt werden, daß die Zahnräder 36
und 28 a als übersetzungsgetriebe ausgebildet sind.
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Einer Umdrehung der Eingangswelle 12 entsprechen dann mehrere Umdrehungen
der Codescheibe 24a. Mit einer geringeren Winkelschrittunterteilung
der
Codescheibe 24a kann somit eine hohe Winkelauflösung für die Drehung der Eingangswelle
12 erhalten werden.
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Durch diese Maßnahme wird selbstverständlich die Anzahl der Dekaden
und damit die Gesamtzahl der zu messenden Umdrehungen der Eingangswelle 12 verringert,
die mit den fünf Codescheiben 24a bis 24e gemessen werden können.