DE3322897C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Absolutwert-Winkelcodierer mit Digitalanzeige und mit mehreren Getriebestufen mit zugeordneten Codescheiben und mit den Codescheiben zu­ geordneten, mit elektro-optischen Abtastern arbeitenden Auswerteeinrichtungen zur Gewinnung einer durch ein Ge­ triebespiel unbeeinflußten digitalen Drehwinkel- bzw. Weginformation.

Derartige Absolutwert-Winkelcodierer sind bekannt (vgl. DE-AS 12 75 106 und DE-AS 12 90 961) und umfassen als Bestandteil der Auswerteeinrichtungen gegebenenfalls V- bzw. U-förmig zu zwei Gruppen geordnete elektro-optische Abtaster bzw. Lichtschranken, deren Lichtstrahl durch dunkle Bereiche einer Codescheibe unterbrochen wird und durch helle bzw. transparente Bereiche einer Codescheibe mehr oder weniger ungehindert hindurchgeht.

Die V- bzw. U-förmige Anordnung von zwei Reihen elektro- optischer Abtaster dient bei den bekannten Winkelcodierern dazu, durch die doppelte Abtastung der Codescheiben mit zwei Abtastreihen pro Scheibe Getriebe-Teilungsfehler, ein Umkehrspiel oder einen schleichenden Übergang bei einem Dekadensprung auszuschließen.

Nachteilig an den bekannten Winkelcodierern ist es, daß pro Codescheibe doppelt soviele Abtaster benötigt werden wie Spuren für die Winkelcodierung vorhanden sind und daß zusätzlich noch eine spezielle logische Schaltung benötigt wird, um den jeweils auftreffenden Winkelwert in Abhängigkeit vom Vor- und Nacheilen der Signale von den verschiedenen Abtastern zu identifizieren.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Absolutwert-Winkelcodierer der eingangs angegebenen Art dahingehend zu verbessern, daß eine durch ein Getriebespiel unbeeinflußte digitale Dreh­ winkel- bzw. Wegeinformation mit deutlich geringerem Auf­ wand gewonnen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit Hilfe eines Abso­ lutwert-Winkelcodierers mit den Merkmalen des Kennzeichen­ teils des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird also dadurch, daß man die zweite und jede weitere Codescheibe bewußt so montiert, daß der Übergang zum nächsten Codewert zu früh erfolgt und daß man bei Bedarf eine entsprechende Korrektur durchführt, der Einfluß eines Getriebespiels sicher ausgeschlossen, während gleichzeitig die Positionierung der zweiten und der weiteren Codescheiben erleichtert wird, da sie bei exakten Meßergebnissen nur innerhalb eines Bogens genau sein muß, der einer halben Umdrehung der vorausgehenden Scheibe entspricht. (In analoger Weise können die zweite und die weiteren Codescheiben auch bewußt für eine nach­ eilende Signalgabe montiert werden, wobei in diesem Fall nach einem Nulldurchgang mit einem um Eins erhöhten Wert gearbeitet wird, während vor einem Nulldurchgang mit dem angezeigten Wert gearbeitet wird.)

Dabei ist anzumerken, daß es aus der DE-AS 12 69 175 zwecks eindeutiger Abtastung mit einfachen Mitteln be­ kannt ist, eine zusätzliche Spur vorzusehen, die von einem weiteren Abtastorgan abgetastet wird. Diese Hilfs­ spur dient bei dem bekannten Winkelcodierer jedoch le­ diglich dazu, zu gewährleisten, daß diejenigen Abtastor­ gane, welche die digitale Winkelinformation liefern, bezüglich der von ihnen abzutastenden Felder zentriert werden.

Ein wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Absolutwert- Winkelcodierers besteht darin, daß zur Unterdrückung der Auswirkung eines Getriebespiels auf die Genauigkeit der digitalen Drehwinkel- bzw. Weg-Information pro Code­ scheibe, abgesehen von der zur letzten Getriebestufe ge­ hörigen Codescheibe, wo auch bei den bekannten Absolut­ wert-Winkelcodierern nur eine einzige Reihe von elektro- optischen Abtastern vorhanden ist, jeweils nur eine einzi­ ge Reihe von elektro-optischen Abtastern benötigt wird, wobei die Anzahl der Abtaster teilweise wegen der weiteren Spur um Eins erhöht ist. Es liegt auf der Hand, daß diese Lösung deutlich billiger als die vorbekannte Lösung ist und daß zusätzlich wegen der verringerten Zahl von elek­ tro-optischen Abtastern letztlich auch eine geringere Störanfälligkeit erreicht wird. Außerdem ist die Justage der Codescheiben bezüglich der Codescheibe der Eingangs­ stufe nicht besondes kritisch, so daß sich Zeiteinsparun­ gen bei der Fertigung ergeben.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Auswerteeinrichtungen eine Anzeigevorrichtung zur Anzeige der Drehwinkel- bzw. Weg- Information und zur Anzeige der Drehrichtung durch ein gleichzeitig angezeigtes Richtungssymbol umfassen, da in diesem Fall für die Bedienungsperson deutlich wird, aus welcher Drehrichtung der angezeigte Winkel erreicht wurde, was insofern wesentlich ist, als der Einfluß des Spiels einer Spindel oder dergleichen bei einer mit dem erfin­ dungsgemäßen Winkelcodierer ausgestatteten Maschine nur dann ausgeschaltet werden kann, wenn die verschiedenen Drehwinkel bzw. Wegstrecken nacheinander bei gleichblei­ bender Drehrichtung des Antriebs erreicht werden.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Auswerteeinrichtungen dabei zusätzlich Signalisierein­ richtungen umfassen, mit deren Hilfe bei einem Drehrich­ tungswechsel zwischen der Anzeige zweier aufeinanderfol­ gender Informationen ein Blinken des Richtungssymbols herbeiführbar ist. Vorzugsweise werden erfindungsgemäß einfach das Pluszeichen (8) und das Minus­ zeichen (-) als Richtungssymbole verwendet, so daß von der Anzeigevorrichtung jeweils der Betrag und das Vor­ zeichen nach dem Drehrichtungswechsel blinkt, um die Bedienungsperson auf die Gefahr hinzuweisen, daß aufgrund der Drehrichtungsänderung ein Spindelspiel oder dergleichen Einfluß auf das Meßergebnis haben kann.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Absolutwert-Winkelcodierers mit drei Getriebestufen, wobei die Codescheiben der einzelnen Stufen besonders deutlich darge­ stellt sind, und

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Winkel­ codierers gemäß Fig. 1 mit den wesentlichen Elementen der zugehörigen Auswerteeinrich­ tungen.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen dreistufigen Getriebezug mit einer Eingangsstufe 10, einer Zwischenstufe 12 und einer Ausgangsstufe 14. Auf der Welle 16 der Eingangs­ stufe 10 sitzt eine erste Codescheibe 18 mit insgesamt fünf Spuren a bis e, die in üblicher Weise der Dreh­ winkelcodierung dienen, die vorzugsweise im Gray-Code erfolgt, welcher den Vorteil hat, daß sich zwei aufeinanderfolgende Schritte bzw. Werte jeweils nur in einer einzigen Bit­ stelle unterscheiden.

Die Welle 16 der Eingangsstufe 10, welche eingangsseitig beispielsweise mit einer Antriebsspindel einer Werkzeug­ maschine gekoppelt ist, ist über ein erstes Untersetzungs­ getriebe 20, welches mit einer Drehzahluntersetzung von 16 : 1 arbeitet, mit der Welle 22 der Zwischenstufe 12 ver­ bunden, auf der eine zweite Codescheibe 24 sitzt.

Erfindungsgemäß ist auf der zweiten Codescheibe 24 zu­ sätzlich zu den der Winkelcodierung beispielsweise im Gray-Code dienenden Code-Spuren a bis e ganz innen, d. h. unmittelbar angrenzend an die Welle 22, die weitere Spur f vorgesehen, welche beim Ausführungsbeispiel in sechzehn abwechselnd helle und dunkle Bereiche unterteilt ist.

Die Welle 22 der Zwischenstufe ist über ein zweites Un­ tersetzungsgetriebe 26, welches ebenfalls mit einem Un­ tersetzungsverhältnis von 16 : 1 arbeitet, mit der Welle 28 der Ausgangsstufe 14 gekoppelt. Auf der Welle 28 sitzt eine dritte Codescheibe 30, die identisch zu der zweiten Codescheibe 24 ausgebildet ist und ebenfalls sechs Spuren aufweist, die in der Zeichnung nicht näher bezeichnet sind.

Jeder der Codescheiben 18, 24, 30 ist jeweils eine ein­ zige Reihe von elektro-optischen Abtastern 32 zugeordnet, die schematisch als kleine Ringe angedeutet sind, wobei den Codescheiben 24 und 30 jeweils entsprechend den sechs abzutastenden Spuren sechs Abtaster 32 zugeordnet sind, während der ersten Codescheibe 18 eine einzige Reihe mit fünf Abtastern 32 zugeordnet ist, wobei hin­ sichtlich der Darstellung der drei Codescheiben 18, 24, 30 noch anzumerken ist, daß das Codemuster der Einfachheit halber jeweils nur auf einer Scheibenhälfte eingezeichnet ist.

Der Absolut-Winkelcodierer gemäß Fig. 1 arbeitet wie folgt:

Von den einzelnen Gruppen bzw. Reihen von elektro-optischen Abtastern werden hinsichtlich der fünf äußeren Code-Spuren in üblicher Weise codierte bitparallele, digitale Ausgangs­ signale erzeugt. Dabei fällt jedoch die Entscheidung über das letzte Bit des Ausgangssignals, d. h. über das Bit mit der geringsten Wertigkeit, in der Zwischenstufe 12 und in der Ausgangsstufe 14 jeweils in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des sechsten elektro-optischen Abtasters 32, welcher der weiteren bzw. der innersten Spur auf den Codescheiben 24, 30 der Zwischenstufe 12 bzw. der Aus­ gangsstufe 14 zugeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Art der Signalerzeugung für die Zwi­ schenstufe 12 und die Ausgangsstufe 14 basiert auf der Erkenntnis, daß bei geeigneter Bemessung der Bogenlänge der Bereiche der weiteren Spur im Hinblick auf das größte zu erwartende Spiel bzw. die Genauigkeit der Justierung der Codescheiben 24, 30 das letzte Bit der Ausgangssi­ gnale der Zwischenstufe 12 und der Ausgangsstufe 14 nur dann geändert werden darf, wenn die Zwischenstufe 12 oder die Ausgangsstufe 14 in einem definierten Bereich ihrer innersten Spur der Codescheibe steht und die vorausgehen­ de Eingangsstufe 10 oder Zwischenstufe 12 eine Umdrehung ausgeführt hat.

Mit anderen Worten wird also ein aufgrund des Getriebe­ spiels und/oder der Codescheibenjustierung verfrüht einge­ tretene Änderung der Ausgangssignale der Abtaster 32 für die fünf äußeren Spuren der Codescheiben 24 und 30 nur dann als gültig anerkannt, wenn die Änderung des letzten Bits der Codekombination durch einen entsprechenden Null­ durchgang des Ausgangssignals der Codescheibe 18 bzw. 24 der unmittelbar vorausgehenden Stufe 10 bzw. 12 "bestätigt" wird, wobei unter einem "Nulldurchgang" ein Durchlaufen der 0°/360°-Position in der einen oder anderen Richtung zu ver­ stehen ist. Diese Art der Signalauswertung bringt die ein­ gangs diskutierten Vorteile hinsichtlich der Anzahl der erforderlichen elektro-optischen Abtaster 32 mit sich, wobei diese Anzahl bei der erfindungsgemäßen Lösung deut­ lich geringer ist als bei den vorbekannten Absolutwert- Winkelcodierern mit V- bzw. U-Abtastung.

Wie Fig. 2 der Zeichnung zeigt, sind die Sender und Emp­ fänger jeder Reihe von Abtastern für jede der Codeschei­ ben 10, 12, 14 jeweils zu einem Block 32 a bzw. 32 b zusam­ mengefaßt, wobei in Fig. 2 zur Erhöhung der Übersichtlich­ keit in der zweiten und dritten Stufe pro Reihe jeweils nur vier Abtaster angedeutet sind und für die Eingangs­ stufe nur drei Abtaster. Die Ausgangssignale der Empfän­ ger 32 b werden gemäß Fig. 2 über jeweils einen Verstärker 34 an einen Codewandler 36 angelegt, wo die Umsetzung der Daten vom Gray-Code in den Dual-Code erfolgt. Diese Daten werden dann einem Mikroprozessor 38 zugeführt, wel­ cher entsprechende Augangssignale an eine Digitalanzeige 40 liefert. Erfindungsgemäß wird auf dieser Digitalanzei­ ge 40 außer dem Betrag, der dem Drehwinkel bzw. einem ausgehend von einer Bezugsposition zurückgelegten Weg eines beispielsweise über eine Spindel angetriebe­ nen Werkzeugs entspricht, auch die Drehrichtung ange­ zeigt, mit der der betreffende Wert erreicht wurde, wo­ bei als Richtungssymbole das Pluszeichen (+) bzw. das Minuszeichen (-) verwendet werden, die beispielsweise einem Rechts- bzw. Linkslauf eines Antriebsmotors zuge­ ordnet sein können. Durch diese zusätzliche Anzeige des Richtungssymbols bzw. der Drehrichtung wird es der Be­ dienungsperson erleichtert, Bedienungsfehler aufgrund eines unzulässigen Drehrichtungswechsels zu erkennen. Dies gilt insbesondere dann, wenn in weiterer Ausge­ staltung der Erfindung dafür gesorgt wird, daß bei einer Änderung der Drehrichtung zwischen dem zuletzt angezeig­ ten Wert und dem neu angezeigten Wert ein Blinken oder eine sonstige auffällige Markierung des Richtungssymbols herbeigeführt wird.

Schließlich ist in Fig. 2 noch ein Block 42 mit sechs Tastcodierschaltern gezeigt, der mit dem Mikroprozessor 38 verbunden ist. Über die Tastcodierschalter des Blockes 42 können in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung Korrekturwerte für bestimmte Wekzeuge bzw. Spindel­ steigungen sowie verschiedene Parameter bzw. Faktoren eingegeben werden, die dann bei der Erzeugung der Signale für die Digitalanzeige 40 durch den Mikroprozessor 38 gleich mitberücksichtigt werden können, so daß unmittel­ bar die Anzeige des korrigierten Wertes erfolgt, wobei durch die eingegebenen Parameter beispielsweise eine Anzeige der Weginformation in Zoll oder in mm ausgewählt werden kann. Ein besonderer Vorteil des Codewandlers 36 des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2 besteht darin, daß die sechs Spuren der zweiten Codescheibe 24 und der drit­ ten Codescheibe 30 jeweils gemeinsam der Erzeugung von Codekombinationen eines sechstelligen Gray-Codes dienen können - hiermit entfällt also die Unterscheidung zwischen den Codespuren und der weiteren Spur - und daß aus die­ sen Codekombinationen dann nur Umsetzung mit Hilfe des Codewandlers 36 Dual-Codekombinationen erzeugt werden, bei denen das letzte Bit bzw. das Bit mit der geringsten Wertigkeit Auskunft darüber gibt, ob auf der weiteren Spur ein heller oder ein dunkler Bereich erfaßt wird, während die restlichen fünf Bit den abgetasteten Winkel­ wert im Dual-Code angeben. Je nachdem, ob das letzte Bit eine "Null" oder eine "Eins" ist, wird dann in Abhängig­ keit von der Stellung der der betreffenden Codescheibe vorangehenden Codescheibe bezüglich des Null-Durchgangs darüber entschieden, ob eine Korrektur des abgetasteten Wertes um den Wert "Eins" erforderlich ist oder nicht.

Im Einzelfall wird dann, wenn der Sprung des Ausgangs­ signals aufgrund der Justierung zu früh erfolgt, dieser Sprung bei der Auswertung so lange unterdrückt, bis tat­ sächlich ein Nulldurchgang der vorausgehenden Scheibe er­ folgt ist. Bei nacheilender Justierung wird dagegen der abgetastete Wert für die nachfolgende Codescheibe beim Nulldurchgang der vorausgehenden Codescheibe um Eins er­ höht, und zwar so lange, bis auch die nachfolgende Code­ scheibe wieder die richtige Position erreicht hat.

Da sich die Frage, ob bei einer vorangehenden Codeschei­ be gerade ein Nulldurchgang stattgefunden hat oder gerade bevorsteht, allein aufgrund der Ausgangssignale der Ab­ taster entscheiden läßt, werden bei dem erfindungsgemäßen Winkelcodierer auf die beschriebene Weise stets eindeutige Meßergebnisse erhalten, ohne daß die elektrische Spei­ cherung irgendwelcher Daten erforderlich wäre, die bei einem Stromausfall verloren gehen könnten.

Claims (4)

1. Absolutwert-Winkelcodierer mit Digitalanzeige und mit mehreren Getriebestufen mit zugeordneten Code­ scheiben und mit den Codescheiben zugeordneten, mit elektro-optischen Abtastern arbeitenden Auswerte­ einrichtungen zur Gewinnung einer durch ein Ge­ triebespiel unbeeinflußten digitalen Drehwinkel- bzw. Weg-Information, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die den einzelnen Codescheiben (18, 24, 30) zugeordneten Auswerteeinrichtungen (32 a, 32 b) jeweils nur eine einzige Reihe von elektro- optischen Abtastern (32) aufweisen, daß die zu der zweiten und jeder weiteren Getriebestufe (12, 14) ge­ hörigen Codescheibe zusätzlich zu den der Winkel­ codierung dienenden Spuren (a bis e) jeweils eine wei­ tere Spur (f) mit alternierend aufeinanderfolgenden hellen und dunklen Bereichen aufweisen, deren Bogenlänge jeweils unter Berücksichtigung des Unter­ setzungsverhältnisses zwischen der betreffenden Ge­ triebestufe (z. B. 12) und der vorausgehenden Getrie­ bestufe (z. B. 10) einer halben Umdrehung der Code­ scheibe (z. B. 18) der vorausgehenden Getriebestufe (z. B. 10) entspricht und daß die Entscheidung über den Wert des Ausgangssignals der zweiten und jeder weiteren Getriebestufe (12, 14) in der Weise her­ beigeführt ist, daß bei absichtlich im Sinne einer voreilenden Signalerzeugung montierter zweiter bzw. weiterer Codescheibe (24, 30)

• 1. derjenige Winkelwert gilt, der durch die der Winkelcodierung dienenden Spuren (a bis e) an­ gezeigt wird, wenn durch den zugeordneten Ab­ taster (32) auf der weiteren Spur (f) ein Bereich des einen Typs erfaßt wird,
• 2. derjenige Winkelwert gilt, der durch die der Winkelcodierung dienenden Spuren angezeigt wird, wenn durch den zugeordneten Abtaster (32) auf der weiteren Spur (f) ein Berech des anderen Typs erfaßt wird und wenn der an der vorausgehenden Getriebestufe (z. B. 10) erfaßte Winkelwert anzeigt, daß dort gerade ein Null­ durchgang stattgefunden hat, und
• 3. der um Eins verminderte Winkelwert gilt, der durch die der Winkelcodierung dienenden Spuren angezeigt wird, wenn durch den zugeordneten Ab­ taster (32) auf der weiteren Spur (f) ein Bereich des anderen Typs erfaßt wird und wenn der an der vorausgehenden Stufe (z. B. 10) erfaßte Winkel­ wert anzeigt, daß dort gerade ein Nulldurch­ gang bevorsteht.

2. Winkelcodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Auswerteeinrichtungen (32 bis 40) eine Anzeigevorrichtung (40) zur Anzeige der Drehwinkel- bzw. Weg-Information und zur Anzeige der Drehrichtung durch ein gleichzeitig angezeigtes Richtungssymbol (+ bzw. -) umfassen.

3. Winkelcodierer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Auswerteeinrichtungen (32 bis 40) Si­ gnalisiereinrichtungen umfassen, mit deren Hilfe bei einem Drehrichtungswechsel zwischen der Anzeige zweier aufeinanderfolgender Informationen ein Blinken des Richtungssymbols (+ bzw. -) herbeiführbar ist.

4. Winkelcodierer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtungen (32 bis 40) einen Mikroprozessor (38) umfassen und daß mit dem Mikroprozessor (38) Einrichtungen (42) zum Eingeben von Korrekturwerten verbunden sind, welche bei der Ausgabe der Drehwinkel- bzw. Weg- Information durch den Mikroprozessor (38) berück­ sichtigbar sind.