DE3325318A1

DE3325318A1 - Inkrementaler winkelkodierer

Info

Publication number: DE3325318A1
Application number: DE19833325318
Authority: DE
Inventors: Dieter 8000 München Rammelsberg
Original assignee: Litton Precision Products International GmbH
Current assignee: Litton Precision Products International GmbH
Priority date: 1983-07-13
Filing date: 1983-07-13
Publication date: 1985-01-24
Also published as: EP0131900A2; US4599601A; DE3325318C2; EP0131900A3

Description

TER MEER - MÜLLER ■ STEIhrttfEISTER·· Litton . . .

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen inkrementalen Winkelkodierer, also einen Meßfühler, der die momentane Winkelstellung einer Achse oder Welle in Form eines elektrischen Digitalsignal abgibt.

Winkelkodierer, die ihre Ausgangssignale in einem Digitalformat ausgeben, gibt es in zwei Versionen. Einmal die sogenannten absoluten Winkelkodierer, welche die Winkelinformation in einem Digitalkode ausgeben, d. h., der Winkelwert steht zu jeder Zeit in absoluter Form sofort zur Verfügung, insbesondere auch nach einer Betriebsunterbrechung oder einem Ausfall der Versorgungsspannung eines Systems, in das der Winkelkodierer eingebaut ist. Von diesen absoluten sind die inkrementalen Winkelkodierer zu unterscheiden, die lediglich einen Umlauf der Winkelkodiererwel Ie, also einen Drehwinkel von 360°, in eine definierte Anzahl von Schritten - "Inkrementen" - unterteilen. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit diesen inkrementalen Winkelkodierern. Zur Erkennung der Drehrichtung wird die Inkrementinformatxon in Form von Rechtecksignalen auf zwei verschiedenen Kanälen, also an zwei getrennten Anschlüssen, ausgegeben, z. B. einem ersten Kanal A und einem zweiten Kanal B. Eine Information über die Drehrichtung läßt sich daraus ableiten, daß eine bestimmte Schaltflanke, z. B. eine nach Positiv gehende Schaltflanke der Rechtecksignale auf beiden Kanälen gegeneinander verglichen wird. Schaltet z. B. der Kanal A vor dem Kanal B, so dreht die WinkelkodiererwelIe rechts herum. Schaltet dagegen der Kanal B vor dem Kanal A, so dreht die Welle links herum. Die Ausgangssignale auf beiden Kanälen werden meist in Form von Rechteck-Signalen ausgegeben. Bei vielen inkrementalen Winkelkodierern

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wird außerdem noch ein sogenanntes Referenzsignal geliefert, welches einmal pro Umlauf, d. h. nach jeweils 360° Drehwinkel der Welle einmal erscheint.

Ist ein solcher inkrementaler Winkelkodierer in ein System zum Beispiel als Wegstreckenmeßelement,etwa in einen Industrieroboter, eingesetzt, so müssen die gelieferten Rechteck-Signale von einer elektronischen Zähleinrichtung gezählt werden, um eine auswertbare Information beispielsweise über die zurückgelegte Wegstrecke des Werkzeugs am freien Ende des Arms des Roboters zu erhalten. Im Gegensatz dazu ist bei Verwendung von absoluten Winkelkodierern lediglich ein Kodowandler erforderlich, da, wie bereits erwähnt, die absolute Winkel information auch bei einer Spannungsunterbrechung nicht verlorengeht und eine feste Beziehung zwischen Achswinkelstellung und Ausgangssignal besteht. Nachteilig bei absoluten Kodewandlern ist jedoch der hohe Preis, der mit steigender Auflösung überproportional höher wird, sowie die mit größerer Auflösung ebenfalls steigende Baugröße. Demgegenüber hat der inkrementale Winkelkodierer de" Vorteil der geringeren Baugröße, insbesondere auch bei hohen Werten der Winkelauflösung sowie einen wesentlich geringeren Preis. Ein bisher bedeutender Nachteil, der bereits angesprochen wurde, ist jedoch der, daß bei Unterbrechung und Wiedereinschalten der Versorgungsspannung keinerlei Information über die Winkelstellung der Welle vorliegt und diese auch sofort wieder verlorengeht, wenn die Versorgungsspannung nur kurzzeitig ausfällt. Für diese Fälle muß ein zugeordneter Referenzpunkt festgelegt werden, der bei Einschalten der Versorgungsspannung zunächst mechanisch angefahren werden muß, um dem System die Festlegung eines Nullpunkts zu ermöglichen. Dies geschieht meist unter logischer Verknüpfung des pro Umlauf der Winkelkodierorwel-Ie einmal erscheinenden Referenzsignals mit Signalen von

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Näherungsschaltern, Endschaltern und dergleichen, also unter erheblichem Aufwand von Zusatzschaltern, die eine zusätzliche Verdrahtung, Justierarbeiten bei der Installation des Roboters erfordern, und nicht zuletzt zusätzliche Fehlerquellen darstellen können.

In den meisten Fällen werden inkrementale Winkelkodierer zur Messung von Wegstrecken eingesetzt. Dabei entsprechen η Abgabeimpulse oder Schritte des Winkelkodierers z. B.

einer Wegstrecke von X [mm]. Für diese Wegstrecke werden in der Regel mehrere, häufig sogar sehr viele Umdrehungen der Welle des Winkelkodierers benötigt. Daraus ergibt sich, daß das alle 360°, also einmal pro Umlauf der Welle, erscheinende Referenzsignal des Winkelkodierers nicht zur Festlegung des System-Nullpunkts alleine herangezogen werden kann. Es ist vielmehr die Verknüpfung mit den bereits erwähnten Sensorsignalen erforderlich, um einen reproduzierbaren System-Nullpunkt sicherzustellen. Insbesondere bei der Herstellung von Industrierobotern ergeben sich jedoch mit der Erzeugung dieses System-Nullpunkts Schwierigkeiten, da der erforderliche Sensor beispielsweise im vorderen Werkzeug - also der "Hand" - angebracht sein muß, d. h., das elektrische Signal muß mittels Kabel eventuell über mehrere Dreh- und Schwenkbewegungen geführt werden. In vielen Fällen müssen im Bereich von Gelenken zusätzlich Schleifringübertrager eingesetzt werden.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, einen inkrementalen Winkelkodierer zu schaffen, der sich durch einen einstellbaren absoluten Null- oder Bezugspunkt auszeichnet, für den also zur reproduzierbaren Einstellung eines System-Nullpunkts keine" zusätzlichen Schalter mit dem damit verbundenen Aufwand benötigt werden. 35

Ein inkrementaler Winkelkodierer erfindungsgemäßer Bau-

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art weist die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale auf.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein inkrementaler Winkelkodierer gemäß der Erfindung zeichnet sich durch einen am Winkelkodierer selbst einstellbaren absoluten Nullpunkt aus.

Die erfindungsgemäße Lösung macht sich den von der üblichen Anwendung her vorgegebenen Bedarf zunutze, daß in der Regel ein Anwendungssystem pro Winkelkodierer nur einen festen, mechanisch zugeordneten Bezugspunkt verlangt, der unmittelbar im Winkelkodierer dadurch erzeugt wird, daß ein mit der Antriebswelle des Winkelkodierers über ein Untersetzungsgetriebe gekuppeltes mechanisches Element,insbesondere ein Zahnrad, vorgesehen ist, das für die im jeweiligen Anwendungsfall maximal vorkommenden Wellenumdrehungen des Winkelkodierers eine Drehung von maximal 360° ausführen kann. Dieses mechanische Element ist mit eine: ^chaltmarkierung als Nullpunktreferenz versehen, die von einer gehäusefesten elektrischen Abtasteinrichtung erfaßt wird, um das gewünschte NuIlpunkt-Referenzsignal zu liefern. Das mit der Abtriebsseite des Untersetzungsgetriebes gekuppelte Element ist über eine Verdrehsicherung, beispielsweise eine Rutschkupplung, mit dem Untersetzungsgetriebe gekuppelt, so daß eine innerhalb der vorgegebenen Wegstrecke beliebige Einstellung des Nullpunkts erfolgen kann. Die Nullpunkt-Schaltmarkierung kann beispielsweise eine das umlaufende Element durchsetzende Bohrung oder eine aufgebrachte Markierung sein, die durch eine opto-oloktronische Abtasteinrichtung erfaßt wird, um das Nullpunkt-Referenzsignal zu gewinnen.

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Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das umlaufende lilkiivnt eine Scheibe.¹ oder insbesondere ein Zahnrad, das rn.it der Abtriebsseite des Untersetzungsgetriebes nicht starr, sondern über eine Rutschkupplung gekuppelt ist, so daß der Schaltpunkt der Nullmarkierung von außen mittels eines ritzelartig gezahnten Spezialschlüssels durch Verdrehen des Schalt-Zahnrads eingestellt werden kann.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter. Bezug auf die Zeichnung in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen inkrementalen Winkelkodierers;

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung des in Fig. 1 mit Hinweiszeichen 4 angegebenen Untersetzungsgetriebes; und
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Fig. 3 in einer Prinzipdarstellung die zeitliche Zuordnung von Signalverläufen an den Ausgangsklemmen eines erfindungsgemäßen inkrementalen Winkelkodierers.
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Bei der in Fig. 1 veranschaulichten Prinzipdarstellung eines inkrementalen Winkelkodierers mit erfindungsgemäßen Merkmalen ist mit 1 die Welle des Winkelkodierers, mit 2 eine entlang ihres Außenumfangs mit Chrom-Inkrenicnten versehene und mit der Welle 1 umlaufende Glasscheibe und mit 3 eine opto-elektronische gehäusefeste Wandlereinheit bezeichnet, welche die bei drehender Welle 1 durch die Chrom-Inkremente auf der Glasscheibe 2 verursachte periodische Ein- und Ausschaltung einer Infrarotlichtstrecke mittels einer bekannten Auswerteelektronik

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in das oben erläuterte Rechteck-Meßsignal umgesetzt wird. Einmal pro Umdrehung befindet sich auf der Glasscheibe ein weiteres Chrom-Inkrement, welches über die gleiche Opto-Elektronik das erwähnte Referenzsignal erzeugt. 5

Ein Untersetzungsgetriebe 4 ist antriebsseitig mit der Welle 1 und abtriebsseitig über eine nicht gezeigte Rutschkupplung mit einem Zahnrad 5 gekuppelt, das wenigstens eine randseitige Bohrung oder Reflexmarke aufweist, die durch eine weitere opto-elektronische Abtasteinrichtung 6 erfaßt wird.

Eine Prinzipdarstellung des Untersetzungsgetriebes 4 zeigt die Fig. 2. Das Untersetzungsverhältnis dieses Getriebes 4 kann für die jeweiligen Bedürfnisse gewählt werden; beispielsweise so, daß am Einsatzort (etwa an einem Roboter) für eine von einem Werkzeug zurückzulegende Wegstrecke nur ein Nullpunkt-Referenzpunkt für beispielsweise 50 Umdrehungen der Welle 1 erzeugt wird. Um diesen Nullpunkt-Referenzpunkt einstellen zu können, wird das Zahnrad 5 durch einen ritzelartig gezahnten Spezialschlüssel 7, der in eint zu diesem Zweck vorhandene Außenverzahnung 8 am Zahnrad 5 eingreift, so lange verdreht, bis das Nullpunkt-Referenzsignal an der gewünschten Nullstellung des Roboterwerkzeugs erscheint.

Der mittlere Teil (b) der Fig. 2 zeigt das Untersetzungsgetriebe 4 in einer Prinzip-Schnittdarstellung, während der linke Teil (a) die-Ansicht von der Antriebsseite und der rechte Teil (c) die Ansicht des Untersetzungsgetriebes 4 von der Abtriebsseite wiedergibt. Die Welle 1 bildet mit einem endseitig angebrachten Ritzel R, den Getriebeeingang. Dieses Ritzel R, greift in ein Trabantenrad R„ ein, das seinerseits mit zw<>i i nnonverznhnton Rädem kämmt, nämlich mit einem fest.stehendon Zahnrad H.

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und einem in AxiaJ richtung unmittelbar anschließenden 'Zahnrad U., welches die Abtriebsseite des Untersetzungsgetriebes 4 bildet. Das abtriebsseitige lose, innenverzahnte Zahnrad R. ist über eine durch eine Schraube 10 gesicherte Friktionsscheibe 9 mit dem Zahnrad 5 gekuppelt, das die erwähnte randseitige Bohrung oder Reflexmarke aufweist, die durch Bezugszeichen 11 angedeutet ist. Unter der Klemmwirkung der Friktionsscheibe 9 wird das Zahnrad 5 gegen das abtriebsseitige Zahnrad R. gepreßt.

Aufgrund der Außenverzahnung 8 jedoch läßt sich das Zahnrad 5 von außen mittels des ritzelartig gezahnten Spezialschlüssels 7 in der erwähnten Weise verdrehen. Aus Gründen der Gewichtsersparnis und zur Verringerung der Reibfläche kann das Trabanten-Zahnrad R„ wie strichpunktiert angedeutet, hinterdreht sein.

Bei einem praktisch erprobten Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde ein Zahnmodul von 0,3 gewählt und bei einer gewählten Zähnezahl von Z_n, = 42, Z_DO = 42, Z_n- = 126 und

Kl i\£. Kj

Z . = 129 ergab sich mittels der Formel

_{0 =}i^{X Z}R4 ^{X (Z}R1^+ZR2⁾

3 x Z_R1

ein Untersetzungsverhältnis U = 172.

Im gewählten Beispiel beträgt die Differenz der Zähnezahlen zwischen dem Zahnrad R₃ und dem Zahnrad R. drei Zähne. In diesem Fall können drei Trabantenzahnrader R₂ verwendet werden, die jeweils genau um 120° versetzt angeordnet sind, so daß sich eine bessere Zentrierung ergibt. Für die prinzipielle Funktionsweise des Getriebes ergibt sich dadurch jedoch kein Unterschied. Beträgt die Differenz der Zähnezahlen der innenverzahnten Zahnräder R, bzw. R. zwei Zähne, so können zwei Trabantenzahnräder R₂ vorgesehen werden, während bei einer Zahndifferenz von einem Zahn lediglich nur ein Trabantenzahnrad R₂ verwendet, wer-

TER MEER · MÜLLER · STEWM'e^TER- - * ^: " '* Litton

den kann.

Die aufgeführten Beispiele zeigen, daß die Untersetzung U des Untersetzungsgetriebes 4 durch entsprechende Auswahl der Zähnezahl am Ritzel R,,am Trabantenzahnrad R„ bzw. beim feststehenden Zahnrad R₃ und losen Zahnrad R. in einem weiten Bereich variiert werden kann.

Die Fig.3 zeigt in zeitlicher Zuordnung zwei Beispiele für die Rechteck-Meßsignale am Ausgang der Auswerteelektronik, und zwar einmal für Rechtsdrehung (Fig. 3(a)) und zum anderen Mal für Linksdrehung (Fig. 3(b)) der Welle 1. Die Unterscheidung zwischen Rechts- und Linksdrehung läßt sich durch die unterschiedlichen Kanäle A und B treffen. Erscheint eine bestimmte Signalflanke, z. B. eine Abfallflanke auf dem Kanal A früher als auf dem Kanal B, so liegt Rechtsdrehung vor. Das Referenzsignal erscheint mit Bezug auf den Kanal A nach jeweils einer Umdrehung der Welle 1. Bei einer Umdrehung der Welle 1 erscheinen beispielsweise 1000 Rechteckimpulse als 1000 Inkremente. Der in der untersten Zeile der beiden Signaldiagramme angegebene absolute NuIIt ⁿ^t kann, muß jedoch nicht, auf ein Umlauf-Referenzsignal angepaßt sein; es kann auch eine geringfügige zeitliche Versetzung vorgesehen sein. Bei dem dargestellten Beispiel erscheint ein den absoluten Nullpunkt angebendes Rechtecksignal jeweils nach beispielsweise 50 Umdrehungen der Welle 1. Durch einen Pfeil P ist die "räumliche" Verschiebbarkeit des absoluten Nullpunkts angedeutet, die, wie oben beschrieben, einmal durch entsprechende Auswahl der Zahnräder des Untersetzungsgetriebes 4 hinsichtlich der Anzahl der Umläufe der Welle 1 pro Rechteckimpuls des absoluten Nullpunkts und zum anderen,bezogen auf das Umlauf-Referenzsignal (dritte Zeile der Diagramme in Fig. 3), mittels dos spozialschlüsselR 7 verschoben werden kann.

Claims

3325318 TER MEER-MULLER-STEINMEISTER

PATENTANWÄLTE — EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Dlpl.-Chem. Dr. N. tor Meer Dipl.-Ing. H, Steinmeistor T iil'"t a>'· ' A"' ^u Artur-Ladobock-Strasse 51

D-OOOO MÖNCHEN ί?ίί D-4Q00 BIELEFELD 1

Mü/cb 13. Juli 1983

LITTON PRECISION PRODUCTS INTERNATIONAL GMBH Oberföhringer Straße 8, 8000 München 80

Inkrementaler Winkelkodierer

Patentansprüche

( 1.) Inkrementaler Winkelkodierer,

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gekennzeichnet durch eine Einrich-• tung zur wahlfreien Einstellung eines absoluten Nullpunkts, zu der ein mit der Welle (1) des Winkelkodierers gekuppeltes, jedoch relativ zu dieser Welle verdrehbares Element mit einer NuIlpunkt-Markierung sowie eine genausefeste elektrische Abtasteinrichtung (6) gehören, welche die Nullpunkt-MarJcierung als absolute Nullpunkt-Markierung erfaßt und in ein elektrisches Schalt- oder Referenzsignal umsetzt.
2. Winkelkodierer nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß - das Element mit Nullpunkt-Markierung eine Rundscheibe ist, die mit der Abtriebsseite eines Untersetzungsge-

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triebes (4) gekuppelt ist, dessen Antriebsseite formschlüssig mit der Welle (1) des Wihkelkodierers gekuppelt ist, und

- die Nullpunkt-Markierung eine die Rundscheibe durchsetzende Bohrung oder aufgebrachte Lichtreflexmarke ist, deren Position durch eine opto-elektronische Abtastvorrichtung (6) erfaßbar ist.
3. Winkelkodierer nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß das relativ zur Welle verdrehbare Element mit einer Rutschkupplung versehen ist.
4. Winkelkodierer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rundscheibe (5) über eine Rutschkupplung mit dem Untersetzungsgetriebe (4) verbunden ist.
5. Winkelkodierer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rundscheibe (5)

ein Zahnrad ist, das zur absoluten Nullpunkt-Einstellung über einen an sei ■ Verzahnung angepaßten Zahnschlüssel (7) relativ zur Welle (1) des Winkelkodierers verdrehbar ist.
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6. Winkelkodierer nach Anspruch 2, "dadurch gekennzeichnet , daß das Untersetzungsgetriebe (4) in Flachbauweise ausgeführt ist und eine mit der Welle (1) des Winkelkodierers gekuppelte Uitzol-Eingangswelle sowie je nach gewählter Untersetzung ein bis drei freilaufende Zahnräder aufweist, (das) die in die Ritzel-Eingangswelle und in zwei innenverzahnte Zahnräder gleichzeitig (eingreift) eingreifen, wovon eines die Getriebeabtriebsseite (5) bildet-