DE3407102A1 - Positionsgeber - Google Patents

Description

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^ά Dr. Ing.M.Held

Patentanwälte · Lange Straße 51 - D-7000 Stuttgart 1 tePmluropIs^Patentamt

.14. Febr. 194

Reg.-Nr. 126 736 3407102

Ref.: 3320

EUCHNER + CO. y-7022 Lei π f' r J den-Frhteic! i nqen

Positionsgeber

Die Erfindung betrifft einen Posi t ionsgeber mii einer Antriebswelle, einem bei jeder Drehung derselben um einen vorbestimmten Bruchteil einer vollständigen Umdrehung wenigstens einen Impuls erzeugenden Impulsgeber und einer Answertneinrichtung /uv f'ositionsermittJung.

Bekannte Positionsgeber dieser Art weisen als Impulsgeber eine auf der Antriebswelle drehfest angeordnete Scheibe auf, die mit optisch abtastbaren, radial verlaufenden Strichen versehen ist. 7ur Positionsermittlung werden, ausgehend von einer Nullpositinn, die bei der Abtastung der Striche erzeugten Impulse, gezählt. Gegenüber Positionsgebern, die eine Codescheibe mit einer absolute Positionswerte definierenden Codierung tragen, haben diese inkremental arbeitenden Positionsgeber den Vorteil einer wesentlich höheren Auflösung. Nachteilig ist jedoch, daR bri einer Störung, insbesondere nach einem vorübergehenden Ausfnll der ΓnergieVersorgung, der Körper, dessen Position angegeben werden soll, in seine Ausgangsstellung, also das eine Fηde seiner Rewegungsbahn, zurückgebracht werden muß, um von hier <tus die Positionen wieder durch eine Schritt- oder Impulszählung ermitteln 7u können.

ORIGINAL

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Der Erfindunc) liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Positionsgeber zu nrtiHf fen, der einerseits eine hohe Auflösung erreichen IaBt und andererseits nach einer Störung das Zurückführen desjenigen Körpers, dessen Position mittels des Positionsgebers ermittelt wird, an das eine Ende seiner Bewegungsbahn nicht erforderlich macht, der aber dennoch kostengünstig ist. Diese Aufgabe löst ein Positionsgeber mit den Merkmalen des Anspruches 1.

"Durch die Reibehaltung eines Impulsgebers, wie er bei inkremental arbeitenden Positionsgebern üblich ist, also beispielsweise einer Strichscheibe, läßt sich die gewünschte hohe Auflösung ohne Schwierigkeiten erreichen. Die zusätzliche Verwendung einer Codescheibe mit einer absolute Positionen kennzeichnenden Codierung und ihr Antrieb über ein Untersetzungsgetriebe führen dazu, daß wenigstens einmal bei jeder vollständigen Umdrehung der Antriebswelle der. Positionsgebers auch ein von der Codescheibe abtastbarer nbsolut.pr Positions wert für die Positionsermittlung zur Verfügung steht. Im Falle einer Störung, beispielsweise eines Ausfalls der Energieversorgung, braucht deshalb der Körper, dessen Position mittels des Positionsgebers ermittelt wird, aus seiner augenblicklichen Position nur bis zur nächsten von der Codescheibe abfragbaren Position bewegt zu werden, um von hier aus die Positionsermittlung erneut auf inkrementaler Basis wieder aufnehmen zu können. Dies bedeutet, daß im Störungsfalle der Körper höchstens um eine solche Strecke längs seiner Bewegungsbahn bewegt werden muß, welche dem Drehwinkel der Antriebswelle zwischen zwei absoluten Positionen der Codescheibe entspricht. Führt eine Umdrehung der Antriebswelle zu einer Verdrehung der Codescheibe um den einem Sektor entsprechenden Winkel, dann ist die maximal erforderliche Bewegung des Körpers gleich der einer Umdrehung der Antriebswelle entsprechenden- Strecke. Ist hingegen das Uberset- . zungsverhältnis des Untersetzungsgetriebes so gewählt, daß ein ganzzahliger Bruchteil einer vollständigen Umdrehung der Antriebswelle ausreicht, um die Codescheibe von der einer absoluten Position entsprechenden Winkelstellung in die der nächstfolgenden absoluten, Position entsprechende Winkelstellung zu drehen, dann iut die erforderliche Rückführung des Körpers entsprechend geringer.

BAD ORIGINAL ■ ~ / '

-Vk

Man kann den von der Codescheibe ab tas tbaren nhsolutpn Poa.it ionswert nur dazu benutzen, um nach einer Störung, welche eine erneuerte inkrementale Positionsermittlung erforderlich macht, denjenigen Körper, dessen P-e-s4-t-iron—er mittel t werden soll, durch eine möglichst geringe Bewegung in eine Stellung bringen zu können, deren absoluter Positionswert bekannt ist. Man kann aber auch aufgrund der von der Codescheibe abtast.baren absoluten Positionswerte ständig den sich aus der inkremental en Positionsermittlung ergebenden Wert auf se-i-ne-Ri chtigkeit. überprüfen und gegebenenfalls korrigieren. Ferner ist es möglich, die inkrementale Zählung stets dann zu beenden, wenn ein absoluter Positionswert von der Codescheibe abfragbar ist, und von hier aus bis zum nächsten absoluten Positionswert jeweils neu zu beginnen. In diesem Falle kann das Signal,, das diejenige Winkelstellung der Antriebswelle kennzeichnet, in der ein absoluter Posi tiorisu/ert abfragbar ist, auch dazu benutzt werden, einen Zähler der Auswerteeinrichtung für die vom Impulsgeber kommenden Impulse auf Null zurückzustellen .

Daß sich der erfindungsgemäße Positionsgeber kostengünstig realisieren läßt, ist vor allem darauf zurückzuführen, daß weder die Codescheibe noch das Untersetzungsgetriebe teure Bauteile sind. Bei dem Untersetzungsgetriebe ist dies der Fall, weil es weder spielfrei noch frei von Teilungsfehlern zu sein braucht. Es genügt nämlich, daß die Codescheibe eine Winkelposition einnimmt, welche innerhalb der durch den Sektor definierten Grenzen liegt. Eine genaue Ausrichtung auf diejenige Winkelstellung, welche der Mitte des Sektors entspricht, ist nicht erforderlich.

Sofern das übersetzungsverhältnis relativ groß ist, was zumindest dann der Fall ist, wenn die Codescheibe nur bei einer vollständigen Umdrehung der Antriebswelle um den einem Sektor entsprechenden Winkel weitergedreht werden muß, stellt ein einfaches Umlaufgetriebe eine besonders kostengünstige Lösung dar. Beispielsweis kann hier ohne weiteres das angetriebene Zentralrad bei einer Umdrehung der Antriebswelle nur um den einer Zahnteilung entsprechenden Winkel weitergedreht werden.

Sofern das Spiel des Untersetzungsgetriebes zu groß und die Verwendung eines Untersetzungsgetriebes mit geringerem Spiel zu.aufwendig sein sollte, besteht die Möglichkeit, der Codescheibe eine Rasteinrichtung zuzuordnen, welche die Codescheibe jeweils auf die Mitte des Winkelbereichs ausrichtet und in dieser Position arretiert, fline solche Rasteinrichtung, welche magnetisch und damit verschleiOfrei arbeiten kann^_wirri-jedoch in der Regel nur dann in Betracht kommen, wenn das Untersetzungsgetriebe ein Schrittgetriebe aufweist, also ein Getriebe, das die Codescheibe schrittweise antreibt. Ein derartiges Schrittgetriebe läßt sich besonders kostengünstig mit zwei zusammenwirkenden Stirnzahnrädern realisieren, von denen das antreibende Zahnrad nur an denjenigen Stellen seines Umfangs, welche einer durch eine Markierung gekennzeichneten Winkelstellung der Antriebswelle entsprechen, einen Zahn aufweisen. Es kommt dann beispielsweise nur nach jeder ,vollständigen Umdrehung der Antriebswelle vorübergehend der einzige Zahn des antreibenden Zahnrads mit dem angetriebenen Zahnrad in Eingriff und dreht dies um eine Zahnteilung weiter. Falls erforderlich, kann diese Winkeldrehung des angetriebenen Zahnrads mittels eines zweiten Getriebes auf denjenigen Drehwinkel transformiert werden, der dem Winkel eines Sektors der Codescheibe entspricht. Damit ist gewährleistet, daß bei jedem Schaltschritt des Schrittgetriebes die Codescheibe um den einem Sektor entsprechenden Winkel verdreht wird.

Im folgenden ist die Erfindung anhand von zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fiq. 1 eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 einen schema tisch dargestellten Längsschnitt des ersten Ausführungsbeispi els,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Rasteinrichtung,

Fig. 4 einen schema tisch dargestellten Längsschnitt eine« zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 5 eine Ansicht des Schrittgetriebes des zweiten Ausführungsbeispiels.

Ein Positionsgeber weist, wie insbesondere F j rj. 2 zeigt, eine in einem Gehäuse 1 drehbar gelagerte und aus diesem herausgeführte Antriebswelle 2 auf, welche direkt oder indirekt mit demjenigen ^- Körper gekuppelt wird-,—^e-s-sen- Posit ion bestimmt werden soll. Es kann sich dabei nicht nur um einen Körper handeln, der wie die Antriebswelle 2 eine Drehbewegung ausführt, sondern auch um einen sich translatorisch bewegenderr'Xöiper. Im letztgenannten Falle kann dieser Körper beispielsweise mitteJs einer Gewindespindel bewegbar sein, an welche—d-l-e-- A η t r i ebswell e 2 angekuppelt werden kann.

Auf der Antriebswelle 2 sitzt innerhalb des Gehäuses 1 drehfest eine Impulsgeberscheibe 3, die mit. optisch abtastbaren Strichen versehen ist. Im Ausführungsbeispiel sind zweitausend Striche in gleichmäßiger Verteilung - über den Umfang der Scheibe vorgesehen. Die Abtasteinrichtung weint eine Lichtquelle 4 und einen Sensor auf, zwischen welche die die. Striche tragende Rand zone der Impulsgeberscheibe 3 eingreift.

Mit der Antriebswelle 2 ist. ein ebenfalls im Gehäuse I angeordnetes Umlaufgetriebe gekuppelt, das aus einem im Gehäuse feststehend angeordneten ersten Zentralrad 6, einem gleichachsig zu diesem angeordneten zweiten Zentralrad 7 und wenigstens einem Umlaufrad steht, das von einem mit der Antriebswelle 2 umlaufenden Träger drehbar gehalten wird. Im Ausfiihrungsbei spi e 1 kämmt ein erstes Umlaufrad 8 mit dem ersten Zentralrad und ein drehfest auf der Welle des ersten Umlaufrades 8 sitzendes zweites Umlaufrad mit dem zweiten Zentralrad 7. Es wäre selbstverständlich aber auch möglich, nur ein einziges Umlaufrad vorzusehen und dieses mit beiden Zentralrädern kämmen zu lassen.

Auf der das zweite Zentralrad 7 tragenden Welle ist ebenfalls drehfest eine Codescheibe 1Π angeor-dnet, die in mehreren konzentrisch zur Drehachse verlaufenden Bahnen eine abtastbare Codierung trägt. Diese Codierung der an sich bekannten Codescheibe kennzeichnet hundert. Winkel r>t el 1 ungen dnr Codescheibe ID. Die Sektoren, in denen sich die zugeordneten Markierungen der Codierung befinden, erstrecken sich deshalb über einrn Winkel von

BAD OR5GINAL

3,6°. Die der Codescheibe. 10 zugeordnete Abtasteinrichtung, mittels deren die Markierungen parallel abgetastet Ai/erden, weist
eine Lichtquelle .11 und einen Sensor 12 auf.

Das Übersetzungsverhältnis des Umlaufgetriebes ist so gewählt,
daß eine vollständige Umdrehung der Antriebswelle 2 eine Drehung der Codescheibe 10 um den Winkel eine·.; Sektors, im Ausführungsbeispiel also um 3,6°, ergibt.

Der aus der Impulsgeberscheibe 3, der Lichtquelle 4 und dem Sensor 5 bestehende Impulsgeber erzeugt nicht nur bei jeder dem Abstand der Striche entsprechenden Drehbewegung einen Zählimpuls,
sondern nach jeder vol1 ständigen"Umdrehung der Antriebswelle auch einen Synchroriisierimpul s aufgrund eines zusätzlichen Striches
oder einer Verlängerung eines der Striche. Die Winkellage dieses .den Synchronisierimpuls erzeugenden Striches ist so gewählt, daß der Synchronisierimpuls im Sensor 5 ausgelöst wird, wenn sich die Mittellinie des zugeordneten Sektors der Codescheibe etwa in der dem Sektor entsprechenden Winkellage befindet. Ein Spiel oder
eine Tei lungBuncjenau i qke i t des Umlaufgetriebes führen dann nicht zu einem Fehler beim Abtasten der Codierung auf der Codescheibe

Sollte das Spiel des Getriebes zwischen der Impulsgeberscheibe 3 und der Codescheibe ID so groß sein, daß der Toleranzbereich, den die Sektoren bei der Ausrichtung der Codescheibe zulassen, nicht mehr ausreichend ist, kann der Codescheibe 10 eine Rasteinrichtung zugeordnet werden, welche sie auf die jedem Sektor zugeordnete Winkelstellung ausrichtet, sobald die Verdrehung der die Codescheibe .10 tragenden Achse etwas größer ist als der halbe Winkel eines Sektors. In Fi C). 2 ist eine derartige, magnetisch und
damit völlig versrhleiiifrei wirkende Rasteinrichtung mit strichpunktierten Linien angedeutet.

Diese magnetische Rasteinrichtung weist eine auf der Welle der
Codescheibe drehfest anzuordnende Scheibe 13 auf, die ganz oder
zumindest im Bereich ihres äußeren Randes aus magnetisierbarem
Material besteht. Wie Fig. 3 zeigt, ist die Randzone der Scheibe 13 mit radialen, parallel flankigen Schlitzen 14 versehen, die

BAD ORJGINAU

alle gleiche Ab messung ti η haben. Der Abstand /wischen zwei br nachbarten Schlitzen 14 entspricht dem Winkel der üpqmenhe der Codescheibe 10. Der die Schlitze 14 aufweisende Rand der Scheibe 13 wird von zwei gleich ausgebildeten Polschuhen 15 eines ortsfest angeordneten Magnetsystems übergriffen, das zwischen den beiden Polschuhen außerhalb der Scheibe einen Permanentmaneten aufweist. Die beiden Polschuhe 15 sind mit mehreren, im Ausführungsbeispiel zehn, radialen Schlitzen 16 ν ersehen, welche die gleiche Weite wie die Schlitze 14 haben ""und daher mit diesen in Deckung gebracht werden können. Infolge des vom einen Polschuh zum anderen gehenden und die mit den Schlitzen 14 versehene Rnndzone der Scheibe 13 durchsetzenden Magnetfelder, wird dir Scheibe 13 stets in einer Winkelstellung positioniert, in welcher die effektive Größe des Luftspaltes zwischen den Polschuhen 15 ein Minimum hat. Dies ist der Fall, wenn die Schlitze 14 der Scheibe 13 auf die Schlitze 16 der Polschuhe 15 ausgerichtet sind. Wird die Scheibe 13 entgegen der Rückstellkraft des Magnetsystem um etwas mehr als die Hälfte des Winkels zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schlitzen 14 gedreht, dann wird sie durch das Magnetfeld in die nächstfolgende Winkelstellung gezogen und in dieser festgehalten. Dies bedeutet, daß auch bei relativ großem Spiel des Getriebes zwischen der Impulsgeberscheibe 3 und der Codescheibe 10 letztere stets in einer Winkelstellung positioniert wird, in welcher sie auf die Mitte des zugeordneten Segmentes ,-ausgerichtet ist.

Wie Fig. 1 zeigt, ist dem Sensor 5 eine die Drehrichtung der Impulsgeberscheibe 3 angebende logische Schaltung 17 nachgescha.1-tet. Deren Ausgang sowie der Ausgang des Sensors 5 für den Synchronisierimpuls sind mit dem Eingang eines Zählers 18 verbunden, der einen zweiten Eingang für die von der Codescheibe 10 abtastbaren Informationen hat. Der Zähler 18 gibt .im Ausführungsbeispiel sowohl die von der logischen Schaltung 17 ankommenden Zählimpulse als auch den Synchronisier impuls und die von der Codescheibe 10 abfragbare, die absolute Position kennzeichnende Information an eine nachgeschaltete Auswer teei nr i chtiing weiter. Diese Auswerteeinrichtung könnte aber auch mit dem Zähler 18 kombiniert sein. Im Ausführungsbeispiel wird aufgrund jedes Synchronisierimpulsrs die Position aufgrund (Irs von rlnr Codescheibe !D abgetasteten Wertes bestimmt. Außerdem wird, rnir>qehr.nd von cliefsrni

COPY BAD ORiGIMAL

absoluten Positionswert, die Zählung der vom Sensor 5 kommenden Impuls neu begonnen. Man könnte aber auch ständig die vom Sensor 5 kommenden Impulse zählen und die von der Codescheibe 10 abfragbare absolute Position nur im Störungsfalle auswerten oder sie nur bei jedem Synchronisierimpuls als Vergleichswert zur Kontrolle heranziehen.

Das in den Fig. 4 und 5 dargestellte, zweite Ausführungsbeispiel "des erfindunsgemäßen Impulsgebers unterscheidet sich von dem ersten Ausfiihrungsbeispiel nur durch eine andere Ausführung des als Ganzes mit 120 gekennzeichneten Getriebes. Daher sind sich entsprechende Tpile mit um hundert größeren Bezugszahlen gekennzeichnet .

Wie Fig. 4 zeigt, ist der Codescheibe 110, welche wie die Codescheibe 10 ausgebildet ist, eine magnetische Rasteinrichtung mit einer Scheibe 113 zugeordnet. Wegen der Ausbildung dieser magnetischen Rasteinrichtunq wird auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel Bezug genommen. Dies gilt auch für die Ausbildung der Codescheibe IHl und der ihr zugeordneten Abtasteinrichtung. Auch die Impulsgeberscheibe H).'5 und die ihr zugeordnete Abtasteinrichtung unterscheidet sich nicht von den entsprechenden Bauelementen des ersten Ausführungsbeispiels.

Das Getriebe 120 besteht aus einem Schrittgetriebe und einem diesem nachgeordneten Untersetzungsgetriebe. Das antreibende Zahnrad 121 des Schrittgetriebes sitzt drehfest auf der Antriebswelle 102 und weist, wie Fig. 5 zeigt, nur einen einzigen Zahn an seinem Umfang auf. Daher wird bei jeder Umdrehung der Antriebswelle 102 das angetriebene Zahnrad 122 des Schrittgetriebes nur um den einer Zahnteilung entsprechenden Winkel weitergedreht. Die Zahnlücken, in welche der Zahn eingreift, haben, wie Fig. 5 zeigt, ein halbkreisförmiges Querschnittsprofil. Da der Schaltschritt des Schrittgptriebes, d.h. der Drehwinkel des angetriebenen Zahnrades 122, im Ausführunqsbeispiel 18° beträgt, wird dieser Drehwinkel mittels des auf derselben Welle wie das angetriebene Zahnrad 122 sitzenden Zahnrades 123 und des mit diesem kämmenden, auf der Welle der Codescheibe 110 sitzenden Zahnrads 124 auf einen

Drehwinkel reduziert, der gleich dem Winkel der Sektoren der Codescheibe 110, im Ausführungsbeispiel also 3,6°, beträgt. Da das Getriebe 120 sowohl Spiel als auch Teilungsfehler aufweisen kann, ist der Aufwand für dieses Getriebe gering.

Die Wirkungsweise dieses zweiten Ausführungsbeispiels stimmt mit derjenigen des ersten Ausführüngsbeispiels überein, so daß insoweit auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbnispiel Bezug genommen werden kann. '

Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie auch die nur allein aus der Zeichnung entnehmbaren Merkmale sind als weitere Ausgestaltungen-Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und insbesondere nicht, in den Ansprüchen erwähnt sind.

BAD ORIGINAL COPY

Claims (6)

1. Pate η t a η s ρ r ü c h e

   TlJ Positions-getter mit einer Antriebswelle, einem bei jeder Drehung derselben um einen vorbestimmten Bruchteil einer vollständigen Umdrehung wenigstens einen Impuls erzeugenden Impulsgeber und einer Auswerteeinrichtung zur Positionsermittlung, d ja durch gekennzeichnet, daß

   a) mit der Antriebswelle (2) über ein Untersetzungsgetriebe (6 bis 9;120) eine drehbar gelagerte Codescheibe (10;110) gekuppelt ist, deren abtastbare, in aufeinanderfolgenden Sektoren gleicher Größe vorgesehene Codierung eine Folge von absoluten Positionswerten kennzeichnet, von denen je einer jedem Sektor

   ^<J zugeordnet ist,

   b) das Übersetzungsverhältnis des Untersetzungsgetriebes (6 bis 9;120) so gewählt ist, daß eine vollständige Umdrehung oder ein ganzzahliger Bruchteil einer vollständigen Umdrehung der Antriebswelle (2) zu einer Drehung der Codescheibe (10;310) um den einem Sektor entsprechenden Winkel führt,

   c) der Impulsgeber (3,4,5) mit einer in jeder Winkelstellung der Antriebswelle (2), die einer der absoluten, von der Codescheibe (lOjllO) abtastbaren Positionswerte entspricht, ein Signal erzeugenden Markierung versehen ist,

   d) die Auswerteeinrichtung (18) einen Eingang für das Signal und die von der Codescheibe (1Ö;11D) sbtastbare Codierung aufweist .
2. 2. Positionsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Untersetzungsgetriebe als Umlaufgetriebe (6 bis 9) ausgebildet ist.
3. 3. Positionsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Untersetzungsgetriebe . Cl 2f)) ein Schri tt get riebe (121,122) aufweist.

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4. 4. Positionsgeber, nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schrittgetriebe aus zwei zusammenwirkenden Stirnzahnrädern (121,122) besteht, von denen das antreibende Zahnrad (121) nur. art denjenigen Stellen seines Umfangs, welche einer _durch_ eirre Markierung gekennzeichneten Winkelstellung der Antriebswelle (2) entsprechen, einen Zahn aufweist.
5. 5. Positionsgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das Schaltgetriebe (121,122) und die Codescheibe_(110) ein Getriebe (123,124) geschaltet ist, dessen übersetzungsverhältnis so gewählt ist, daß der durch einen Schaltschritt des Schaltgetriebes erzeugte Drehwinkel in den dem Winkel eines Sektors entsprechenden Drehwinkel der Codescheibe (110) transformier t wird .

   '' . ...
6. 6. Positionsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Verknüpfungsschaltung der Auswerteeinrichtung (18) für eine Verknüpfung der vom Impulsgeber (3,4,5) gelieferten Informationen mit der von der Codescheibe (10;110) gelieferten Information.

   BAD ORIGINAL