DE4014479A1 - Einrichtung zur ermittlung der bewegungsstrecke zwischen zwei relativbewegungen ausfuehrenden teilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Einrichtungen dieser Art finden in einer Vielzahl unterschied­ licher Anwendungsfälle Einsatz. Beispielsweise können sie als Weggeber an Werkzeugmaschinen oder als Winkelgeber am Gaspedal oder der Drosselklappe einer Fahrzeug-Brennkraftmaschine Verwendung finden. Sie können aber auch im Sinne der DE-OS 19 49 725 zur Speichersteuerung von Brennkraftmaschinen Ver­ wendung finden, wobei in Abhängigkeit von der durch Maschinen­ parameter hervorgerufenen Stellung des Codeträgers Bereiche unterschiedlicher Schwärzung in eine Lichtschranke bewegt werden. Die Schwärzungsgrade sind ein Maß für andere Parameter, die den erwähnten Maschinenparametern zugeordnet sind, und über die Lichtschranke wird dann ein dem jeweils gewünschten Parameterwert entsprechendes Ansteuersignal an eine Steuer­ oder Regeleinrichtung der Maschine gegeben.

Einrichtungen zur fotoelektrischen Wegmessung mit hoher digitaler Auflösung, die die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 zeigen, sind aus einer Arbeit von Schuch in msr 18 (1975), Heft 2, Seiten 66 bis 70, bekannt. Die dort beschriebene, nach einem inkrementalen Verfahren arbeitende Einrichtung besitzt an dem einen der beiden Relativbewegungen ausführen­ den Teile ein Raster mit quer zur Bewegungsrichtung ausgerichteten Linien sowie ortsfest ein Gegenraster, das zwei um eine Viertel­ periode gegeneinander verschobene Teilungen gleicher Teilungs­ konstanten wie das Raster besitzt; jedem dieser beiden Teile oder Bereiche des Gegenrasters ist ein Strahlungsempfänger zugeordnet. Dieses Gegenraster dient gleichsam noniusartig zur Erhöhung der Auflösung der durch das Hauptraster erzeugten Meßwertintervalle. Nachteile dieser bekannten Anordnung sind in der Notwendigkeit einer sehr präzisen Herstellung des Gegenrasters sowie in dem relativ hohen Aufwand von als Empfänger dienenden Fotodioden zu sehen.

Zum Stande der Technik - DE-OS 27 29 697 und 30 24 716 gehören auch Interpolationsverfahren für Längen- und Winkelmeß­ systeme, bei denen ein elektrisches Analogsignal digitalisiert und die Digitalwerte einem Digitalrechner zur Errechnung von Interpolationswerten zugeführt werden. Insbesondere ge­ schieht dies in der Weise, daß zwei um 90° gegeneinander versetzte Sinusspannungen erzeugt und weiterverarbeitet werden. Hinsichtlich der technischen Merkmale zur Erzeugung der beiden gegeneinander phasenverschobenen elektrischen Analogsignale machen die Offenlegungsschriften keine Angaben; es ist daher davon auszugehen, daß auch bei diesen Verfahren das bereits beschriebene Gegenraster mit seinen dargelegten Nachteilen Einsatz findet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Einrichtung zu schaffen, die trotz geringen Herstellungs­ und Bauteileaufwands Zwischenwerte zwischen den von den Digi­ talspuren gelieferten Meßwerten anzuzeigen gestattet.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Durch Verwendung von Binärcodespuren, also insofern Anwendung eines Absolutverfahrens anstelle des beim Stand der Technik verwendeten inkrementalen Verfahrens, wobei die Spuren in Richtung der Relativbewegungen verlaufen, ergibt sich die Möglichkeit, neben diesen Digitalspuren zumindest eine Analog­ spur vorzusehen, die beispielsweise blendenartige oder reflek­ tierende Elemente aufweist, und zwar in solcher Anordnung bezüglich der Binärcodespuren, daß die zumindest eine Analogspur mit ihren Elementen gleichsam als Nonius wirkt. Dabei kommt man grundsätzlich mit nur einem Detektor für die Analogspur aus, nämlich dann, wenn deren Elemente so gestaltet sind, daß ihre zur Auswertung herangezogene optische Eigenschaft - Lichtdurchlässigkeit, Reflexionsgrad - sich einsinnig in Richtung der Relativbewegungen ändert. Sieht man jedoch eine andere Ausgestaltung der Elemente der Analogspur vor, beispiels­ weise so, daß diese durch linsenförmige, durch Kreisbögen begrenzte Ausnehmungen gebildet sind, ist es erforderlich, unter Verwendung von zwei in Richtung der Relativbewegungen gegeneinander versetzten und demgemäß phasenverschobene Signale liefernden Detektoren in einem angeschlossenen Rechner oder dergleichen die Mehrdeutigkeit der empfangenen Signale zu beseitigen.

An dieser Stelle sei eingefügt, daß Schaltungen zur Signalver­ arbeitung und -auswertung einschließlich Möglichkeiten zur Beseitigung von Fehlern (beispielsweise hervorgerufen durch überlagerte Gleichspannungen) insbesondere aus den eingangs genannten Offenlegungsschriften bekannt sind, so daß der Hinweis auf diesen Stand der Technik eine ins einzelne gehende Beschreibung an dieser Stelle überflüssig macht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, die eine Draufsicht auf den Codeträger sowie in schematischer Darstellung die Anordnung der verschie­ denen Detektoren enthält.

Der allgemein mit 1 bezeichnete Codeträger trägt in diesem Ausführungsbeispiel durch linienförmige Ausnehmungen gebildete Binärcodespuren 2 ₁, 2₂ 2_n, die in üblicher Weise unter­ schiedliche Längen besitzen. Diese Spuren verlaufen in Richtung der Relativbewegung zwischen den beiden Teilen, worunter bei dem angenommenen Winkelgeber einerseits ein Gaspedal eines Kraftfahrzeugs zu verstehen ist, während das andere Teil durch irgendein raumfestes Teil gebildet ist. Der Codeträger 1 befindet sich also in dem angenommenen Einsatzfall der Erfindung am Gaspedal, so daß er an dessen Winkelbewegungen bei Gaspedal­ bewegungen zum Zwecke der Änderung der Kraftstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine teilnimmt. Jeder dieser Binärcodespuren ist eine individuelle Lichtschranke 3 ₁, 3₂ ... 3_n zugeordnet; diese ortsfest angeordneten Lichtschranken liegen in einer quer zur Richtung der Relativbewegung verlaufenden Reihe. In Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung des Codeträgers ergibt sich eine für den jeweils vorliegenden und zu messenden Winkelwert charakteristische Kombination von Lichtschranken, bei denen die von ihrer Strahlungsquelle (Leuchtdiode) emittierte Strahlung durch die zugehörige Binärcodespur zum zugehörigen Strahlungsempfänger (Fotodiode) gelangt, und solchen Licht­ schranken, bei denen das Material des Codeträgers 1 diesen Lichtweg unterbricht.

Betrachtet man den in Fig. 1 angenommenen Fall, so ist das Gaspedal um weniger als 1° aus seiner Ruhestellung verschwenkt worden. Die Auflösung des durch die Binärcodespuren dargestellten digitalen Speichers ist jedoch so klein, daß Winkelwerte unter 1° bzw. zwischen vollen Gradwerten nicht angezeigt werden können. Es sei darauf hingewiesen, daß es sich hierbei verständlicherweise um ein fiktives Zahlenbeispiel handelt, das lediglich der Anschauung dient.

Um nun mit möglichst geringem Aufwand eine wesentliche Erhöhung der Auflösung zu erhalten, ist neben den Binärcodespuren 2 ₁, 2₂ ... 2_n und damit ebenfalls in Richtung der Relativbewegungen verlaufend die Analogspur 4 angeordnet, die mehrere sich jeweils über einen Winkelbereich von 1° erstreckende Elemente 4 ₁, 4₂, 4₃ ... 4_n enthält. Je Winkelbereich können auch mehrere Elemente vorhanden sein; ebenso ist die Erstreckung eines Elements über mehr als einen Winkelbereich möglich. In dem angenommenen Ausführungsbeispiel sind auch diese Elemente Ausnehmungen im Material des aus Blech oder einer Kunststoff­ platte bestehenden Codeträgers 1, so daß von der Strahlungs­ quelle der weiteren Lichtschranke 5, die der Analogspur 4 zugeordnet ist, ausgehendes Licht zum zugehörigen Empfänger gelangt. Jedes Element besitzt etwa Linsenform, gewonnen durch zwei Kreisbögen. Dadurch gelangt bei Vergrößerung des Winkels, ausgehend vom Wert 0, zunehmend mehr Licht von der Strahlungsquelle zum Stahlungsempfänger des weiteren Detektors 5, bis ein Wert von 0,5° (bzw. 1,5°, 2,5° usf.) erreicht ist. Anschließend verringert sich die zum Strahlungsempfänger gelangende Lichtmenge wieder, so daß der von diesem abgegebene Meßwert doppeldeutig ist. Daher ist der Analogspur 4 außer dem Detektor 5 der zweite Detektor 6 zugeordnet, der so angeord­ net ist, daß er ein gegenüber dem Ausgangssignal des Detektors 5 um 90° verschobenes Sinussignal erzeugt, so daß einer der Detektoren 5 und 6 ein Sinussignal, dagegen der andere ein Kosinussignal erzeugt. Aus diesen beiden phasenverschobenen Ausgangssignalen der Detektoren 5 und 6 kann dann in der aus der eingangs erwähnten DE-OS 27 29 697 bekannten Weise die Mehrdeutigkeit eliminiert werden, und aus der Gesamtheit der Ausgangssignale der Strahlungsempfänger der Detektoren 3 ₁, 3₂ ... 3_n sowie 5 und 6 kann die nachgeschaltete Signalverarbei­ tungsschaltung den exakten Winkelwert ermitteln.

Damit Schwankungen der Helligkeit der Strahlungserzeuger der Detektoren oder andere Einflußgrößen, wie unterschiedliche Amplituden der Ausgangssignale der weiteren Detektoren 5 und 6, keinen Einfluß auf das Meßergebnis haben, ist in diesem Ausführungsbeispiel auf dem Codeträger 1 eine Referenzspur 7 vorgesehen, die über die gesamte genutzte Länge des Codeträgers 1 eine konstante Lichtdurchlässigkeit aufweist. Spannungsänderun­ gen oder dergleichen werden daher über den ihr zugeordneten, ebenfalls als Lichtschranke ausgebildeten Detektor 8 erfaßt und an die Signalauswertung zwecks Berücksichtigung übertragen.

Der guten Ordnung halber sei nochmals angeführt, daß geeignete Signalauswertungsschaltungen aus den eingangs genannten Offen­ legungsschriften bekannt sind.

Wie bei 9 angedeutet, können die Elemente 4 ₁ . . . 4 _n auch als Strichcode ausgebildet sein, wobei zwischen den einzelnen Querstrichen unterschiedliche Abstände vorliegen. Ebenso ist es möglich, die Elemente mit konstanter Breite, aber zonenweise unterschiedlicher Transparenz auszubilden, etwa in der im Prinzip aus der ebenfalls eingangs genannten DE-OS 19 49 725 bekannten Weise.

Mit der Erfindung ist demgemäß eine gattungsgemäße Einrichtung geschaffen, die mit geringem Aufwand eine genaue Interpolation von Weg- oder Winkelsignalen ermöglicht.

Claims (7)

1. Einrichtung zur Ermittlung der Bewegungsstrecke zwischen zwei Relativbewegungen ausführenden Teilen, von denen eines einen Digitalspuren tragenden optischen Codeträger und das andere einen eine Strahlungsquelle und einen Strahlungsempfänger enthaltenden Detektor aufweist, dem eine Signalverarbeitung nachgeschaltet ist, mit Mitteln zur Meßwertinterpolation, dadurch gekennzeichnet, daß die Digitalspuren in Richtung der Relativbewegungen verlau­ fende Binärcodespuren (2 ₁, 2 ₂ . . . 2 _n ) sind, denen Detektoren (3 ₁, 3 ₂ . . . 3 _n ) individuell zugeordnet sind, und daß neben den Binärcodespuren (2 ₁, 2 ₂ . . . 2 _n ) in noniusartiger Anordnung zu diesen auf dem Codeträger (1) zumindest eine Analogspur (4) verläuft, der zumindest ein weiterer Detektor (5, 6) zugeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (4 ₁, 4 ₂ . . . 4 _n ) der Analogspur (4) eine sich in Richtung der Relativbewegungen einsinnig ändernde optische Eigenschaft besitzen und der Analogspur (4) ein Detektor zugeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (4 ₁, 4 ₂ . . . 4 _n ) der Analogspur (4) eine sich in Richtung der Relativbewegung mehrdeutig ändernde optische Eigenschaft besitzen und der Analogspur (4) zwei in Richtung der Relativbewegungen gegeneinander versetzte Detektoren (5, 6) zugeordnet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (4 ₁, 4 ₂ . . . 4 _n ) etwa linsenförmig durch Kreisbögen begrenzt und die zugeordneten Detektoren (5, 6) derart versetzt sind, daß sie bei kontinuierlichen Relativ­ bewegungen um 90° versetzte Sinusschwingungen aufnehmen.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Codeträger (1) eine Referenz­ spur (7) mit einer bei den Relativbewegungen konstanten optischen Eigenschaft vorgesehen ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (4 ₁, 4 ₂ . . . 4 _n ) blenden­ artig und die Detektoren (5, 6) als Strahlungsschranken ausgebildet sind.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (4 ₁, 4 ₂ . . . 4 _n ) Reflexions­ eigenschaften besitzen und die Detektoren (5, 6) die jeweils reflektierte Strahlung erfassen.