DE3741727C1 - Einrichtung zum optischen Erfassen von Bewegungen eines sich drehenden Koerpers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum optischen Erfassen von Bewegungen eines sich drehenden Körpers, bestehend aus einem Fotosensor, mit dem eine auf dem Körper aufgebrachte Markierung abtastbar ist.

Aus der Zeitschrift Electronics, 14. Februar 1964, Seite 60 und dem GB-Patent 10 11 904 sind optische Bewegungserfas­ sungseinrichtungen bekannt, mit denen die Bewegungsbahnen von in der Luft sich bewegenden Körpern, wie Sterne, Flugzeuge und dergleichen beobachtet werden können. Dazu weisen die Einrichtungen Blendenmuster auf, durch die die empfangenen Strahlen entsprechend durchgelassen und abgeblendet werden. Durch die Messung der Durchlaßfrequenzen kann die Lage bzw. der Ort des sich bewegenden Körpers bestimmt werden.

Diese Geräte eignen sich aber nur zur Bestimmung der Lage von Körpern, die eine punktförmige Strahlung abgeben. Diese Geräte eignen sich daher nicht zur Bestimmung von Bewegungen eines sich in der Nähe befindlichen und sich drehenden Bauteiles.

Für sich drehende Bauteile ist aus der DE-PS 22 41 108 eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art bekannt, mit der die Drehgeschwindigkeit des Bauteiles erfaßt werden kann. Dazu ist am Bauteil eine rechteckige Kontrastmarke versehen, die in der Sensorebene eines Fotofühlers angebracht ist. Damit lassen sich Drehgeschwindigkeiten, aber nicht axiale Verschiebungen des Bauteiles, erfassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Einrichtung dahingehend zu verbessern, daß damit auch Axialverschiebungen eines rotierenden Körpers meßbar sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.

Der Fotosensor erfährt während der Drehung des Körpers Sprünge beim Überqueren der Kontrastdreiecke. Am Ausgang liefert der Fotosensor entsprechende elektrische Impulse, deren Impulsdauer von der Breite der Dreieckmarkierung auf der Sensorebene abhängt. Bei einer axialen Verschiebung des rotierenden Körpers wird sich die Abtastebene entsprechend ändern und damit auch die Impulslänge. Über die Impulslänge ergibt sich somit ein Maß für die axiale Verschiebung des rotierenden Körpers. Damit können relativ große axiale Verschiebungen gemessen werden, wobei die Dreieckmarkierung entsprechend ausgelegt werden muß.

Die in der Markierung ineinander verzahnten Dreiecke sollten stark kontrastierend sein, wobei die Art, wie der Kontrast geschaffen wird, keine gesonderte Rolle spielt. Sowohl schwarz/weiß gefärbte als auch matt/glänzend ausgestaltete oder entsprechend geätzte Flächen sind für die Einrichtung geeignet. Mit starken Kontrasten werden klare Sprünge zwischen einem höheren und einem niedrigeren Wert als Ausgangssignale des Sensors erreicht.

Der Fotosensor muß dabei nur Dunkel/Hellkontraste erkennen und ist deshalb unempfindlich bezüglich Oberflächen­ beschaffenheit der Reflexionsfläche, Streuungen im eigenen Sender- und Empfänger-System, Temperatureinflüssen usw.

Im Regelfall sind axiale Verschiebungen in beiden Richtungen zu erwarten. In diesem Fall wird die Abtastebene so einge­ stellt, daß sie in der Mitte der Markierung zu liegen kommt. Diese Einstellung hat darüber hinaus den Vorteil, daß aufgrund der gleichen Längen der dunklen und hellen Linien ein Driften in der nachfolgenden Elektronik ausgeglichen wird und somit der Drifteffekt nicht zum Tragen kommt.

In der Mittellage trifft der Fotosensor bei richtiger Lage des sich drehenden Körpers die dunklen und hellen Felder in einem Verhältnis 1 : 1 an. Eine Änderung dieses Verhältnisses zeigt eine axiale Verschiebung aus der Soll-Lage des Drehkörpers an, wobei die Richtung der Verschiebung aus dem Wert des veränderten Signalverhältnisses entnehmbar ist, und zwar, ob dieses kleiner oder größer als 1 ist.

Tauchen bei Anwendungsfällen nur Verschiebungen in einer Richtung auf, dann ist es vorteilhaft, wenn die Abtastebene an einen Rand der Markierung gebracht wird, um die Gesamtbreite der Markierung zu nützen.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann sowohl für Regelungs­ zwecke als auch für Meßvorgänge verwendet werden, indem über die Meßsignale nicht nur eine Verschiebung erkannt, sondern deren Absolutwert auch genau bestimmt werden kann.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 das Ausführungsbeispiel und

Fig. 2 einen Signalverlauf.

Fig. 1 zeigt einen Teil eines hohlen Rotors 10, der mittels eines Magnetpaares 11, 12 an dem einen Stirnende 13 gelagert ist. Dabei ist der eine, ringförmig ausgebildete Magnet 11 mit dem Rotor 10 verbunden, während der zweite Magnet 12 stationär so angeordnet ist, daß er in den Ringmagneten 11 unter Beibehaltung eines vorbestimmten Spaltes 14 zwischen dem stationären Magnet 12 und der Stirnseite 13 des Rotors 10 hineinragt.

Infolge der Poissonkontraktion erfährt der Rotor 10 eine Verkürzung, die mit der Länge des Rotors 10 zunimmt. Im Verlauf der Anfahr- bzw. Abbremsperiode wird sich somit eine axiale Relativbewegung zwischen dem sich drehenden Ring­ magneten 11 und dem stationären Magneten 12 ergeben, die zu einer Änderung des Abstandes 14 führt.

Um eine Veränderung des Abstandes 14 zu beobachten, wird am Außenumfang des Ringmagneten 11 eine Markierung angebracht, die aus ineinandergreifenden alternierend dunklen und hellen Dreiecken 15 bzw. 16 besteht und an einer Umfangsebene 17 von einem Sensor 18 abgetastet wird. Der Sensor 18 ist über einen Träger 19 mit dem stationären Magneten 12 kraftschlüssig verbunden, so daß sich eine Relativbewegung zwischen den bei­ den Magneten 11, 12 im gleichen Maße zwischen der Sensor­ ebene 17 und der Markierung 15, 16 ergibt, dessen Maß gleich­ zeitig ein Maß für die Veränderung des Spaltes 14 ist.

In Fig. 2 ist die Markierung 15, 16 eben dargestellt. In diese Markierung sind drei Lagen der Sensorebene 17 mit Strichen eingezeichnet. Im Bereich A ist die Sensorebene 17 a, axial gesehen, genau in der Mitte der Markierung 15, 16 eingezeichnet. Auf dieser Ebene wird der Sensor die schwarzen Felder 15 und die weißen Felder 16 während gleichen Zeitab­ schnitten a bzw. b registrieren und entsprechende Spannungs­ signale V ausgeben, die ein Impulsverhältnis b/a = 1 aufweisen. Wählt man diese Mittellage 17 a als Ausgangs-, Ruhe- oder Gleichgewichtslage oder Soll-Lage, dann wirkt sich eine Ver­ schiebung aus dieser Lage in eine Veränderung des Verhältnis­ ses auf Werte <1 oder <1 aus.

In Fig. 2 ist dazu jeweils ein Beispiel gezeigt. Verschiebt sich der Magnetring 11 gemäß der Zeichnung, Fig. 1 nach oben, dann nimmt die Sensorebene eine tiefere Lage ent­ sprechend 17 b ein, wie es in Fig. 2 im Bereich B gezeigt ist. In diesem Fall ist das Verhältnis b′/a′ < 1. Verschiebt sich der Magnetring dagegen in die Gegenrichtung, dann nimmt die Sensorebene eine Position, z. B. wie 17 c ein. Aus den zuge­ hörigen Impulsen V (Bereich C) ist deutlich ein Verhält­ nis b′′/a′′ < 1 zu erkennen. Die Verschiebungen +Δ 1 bzw. -Δ 1 aus der Ausgangslage 10, die der realen Änderung des Spaltes 14 gleich sind, lassen sich unter Zuhilfenahme der geometrischen Beziehungen der Dreiecke 15, 16 aus den Impulsbreiten a und b errechnen.

Die vorstehend beschriebene Einrichtung kann sowohl für Meß­ zwecke, z. B. im Labor, als auch für Regelzwecke verwendet werden, und ist insbesondere für Fälle geeignet, bei denen eine hohe Genauigkeit gefordert wird.

Im Beispiel nach Fig. 1 ist die Einrichtung zur Erfassung des Ist-Wertes des Abstandes 14 bzw. der Relativlage zwischen den beiden Magneten 11 und 12 ausgelegt. Die Signale V des Sensors 18 werden einem Regler 20 zugeführt, der entsprechend einem vorgegebenen Sollwert einen Mechanismus 21 ansteuert, der den stationären Magneten 12 axial zur Anpassung an die Ver­ schiebung des Ringmagneten 11 verschiebt.

Claims (4)

1. Einrichtung zum optischen Erfassen von Bewegungen eines sich drehenden Körpers, bestehend aus einem Fotosensor, mit dem eine auf dem Körper aufgebrachte Markierung abtastbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erfassung von axialen Lageverschiebungen des sich drehenden Körpers die Markierung aus nebeneinander angeord­ neten und abwechselnd kontrastierenden Dreiecken (15 bzw. 16) besteht, wobei die Grundlinie der Drei­ ecke jeweils einer Kontrastart auf einer gemeinsamen Umfangslinie (22 bzw. 23) des Körpers (11) liegt, und
daß die Markierung auf einer Ebene (17) abgetastet wird, die auf einer Umfangslinie zwischen den beiden gemeinsamen Grundlinien (22, 23) zu liegen kommt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreiecke (15 bzw. 16) schwarz bzw. weiß gefärbt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreiecke (15 bzw. 16) matt bzw. glänzend ausge­ staltet sind.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Soll-Lage der Abtast­ ebene (17 a) in der Mitte zwischen den gemeinsamen Grundlinien (22, 23) der Dreiecke (15 bzw. 16) liegt.