DE8320213U1 - Inkrementaler Winkelkodierer - Google Patents
Inkrementaler WinkelkodiererInfo
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Description
TER MEER ·'MÜLLER"· StEINMEiST^R Litton
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen inkrementalen Winkelcodierer,
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 Inkrementinformation 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 gegen· einander 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
TER meer ''möller'' steinmeister Litton
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 Winkel kodierer 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 Inforrnation
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 Kodewandler
erforderlich, da, wie bereits erwähnt, die absolute Winkelinformation 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
Winkeikodierer den 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 Winkelkodiererwel-Ie
einmal erscheinenden Referenzsignals mit Signalen von
ER MEER . MfILLER · STEINMEISTER Litton
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 Winkel kodierers z. B.
einer Wegstrecke von X fmmj. 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
ivz. 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-
ER MEER · MÜLLER*'· STEINMEISTriR Litton
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 WinkelkocUererF eine Drehung
von maximal 360° ausführen kann. Dieses mechanische Element ist mit einer Schaltmarkierung 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-elektronische Abtasteinrichtung erfaßt wird, um das Nullpunkt-Referenzsignal
zu gewinnen.
TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER Litton
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das umlaufende
Element eine Scheibe oder insbesondere ein Zahnrad, das mit 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
20
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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-Inkremcntcn
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 Infrarot-JS lichtstrecke mittels einer bekannten Auswerteelektronik
I ■
TER MEER'-'MÜLLER · STEINME1ST£R Litton
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.
i
Ein Untersetzungsgetriebe 4 ist antriebsseitig mit der WeI- j
le 1 und abtriebsseitig über eine nicht gezeigte Rutsch- ή
kupplung mit einem Zahnrad 5 gekuppelt, das wenigstens i
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 eine 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 zwei innenverzahnten Rädern
kämmt, nämlich mit einem feststehenden Zahnrad R1
• · « · · · I I I I
TER MEER · MÜLLER ■ STEINMÖSTER Litton . . .
und einem in Axialrichtung unmittelbar anschließenden Zahnrad R., welches die Abtriebsseite des Untersetzungsgetriebes
4 bildet. Das abtriebsseitige lose, innenverzahnte Zahnrad R4 ist über eine durch eine Schraube 10
gesicherte Friktionsscheibe 9 mit dem Zahnrad 5 gekuppelt, das die erwähnte randneitige 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.
Aurgrund 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 ZR, = 42, Z _ = 42, Z3 = 126 und
ZR4 = 129 ergab sich mittels der Formel
υ = 2 x ZR4 χ
<ZR1+ZR2)
3 x ZR1
ein Untersetzungsverhältnis U = 172.
Im gewählten Beispiel beträgt die Differenz der Zähnezahlen zwischen dem Zahnrad R^ und dem Zahnrad R. drei Zähne.
In diesem Fall können drei Trabantenzahnräder R 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 b:?w. R.
zwei Zähne, so können zwei Trabantenzahnräder R? vorgesehen
werden, während bei einer Zahndifferenz von einem
Zahn lediglich nur ein Trabantenzahnrad R? verwendet wer-
ER MEER '.'MÜLLER '■ STE!NMEiSt£R Litton
den kann.
Die aufgeführten Beispiele zeigen, daß die Untersetzung U des Untersetzungsgetriebes 4 durch entsprechende Auswahl
der Zähnezahl am Ritzel R,(am Trabantenzahnrad R2 bzw.
beim feststehenden Zahnrad R-. 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 Ausv.ürteelektronik,
und zwar einmal für Rechtsdrehung (Fig. 3(a)) und zum anderen Mal für Linksdrehung (Fig. 3(b)) der Welle
1. Die Unterscheidung zwiscaen 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 Inkrernente. Der in der untersten Zeile der beiden Signaldiagramme angegebene
absolute Nullpunkt kann, muß jedoch nicht, auf ein Umlauf-Referenzsignal angepaßt sein; es kann auch ein-? geringfügige
zeitliche Versetzung vorgesehen sein. Bei dem
2S 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 daa Umlauf-Referenzsignal (dritte Zeile der Diagramme in Fig. 3), mittels des SpezialSchlüssels 7 verschoben
werden kann.
Claims (6)
1. Inkrementaler Winkelkodierer,
gekennzeichnet durch eine Einrichtung 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 Nullpunkt-Markierung sowie eine gehäusefeste elektrische Abtasteinrichtung (6) gehören.
2. Winkelkodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
- das Element mit Nullpunkt-Markierung eine Rundscheibe ist, die mit der Abtriebsseite eines Untersetzungsge-
IR MEER'-'mUlLER"'. StEINMElSTER Litton
triebes (4) gekuppelt ist, dessen Antriebsseite formschlüssig mit der Welle (1) des Winkelkodierers 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 ge kennzeichnet, daß das relativ
zur Welle verdrehbare Element mit einer Rutschkupplung versehen ist.
4. Winkelkodierer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rundscheibo (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 seine Verzahnung angepaßten Zahnschlüssel (7) relativ zur Welle (1) des Winkelkodierers verdrnhbar
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 Ritzel-Eingangswelle sowie je nach gewählter Untersetzung ein bis
drei freilaufende Zahnräder aufweist, (das) die in die Ritzel-Eingangswelle und in zwei inranverzahnte Zahnräder
gleichzeitig (eingreift) eingreifen, wovon eines die Ge= triebeabtriebsseite (5) bildet.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE8320213U1 true DE8320213U1 (de) | 1983-12-29 |
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ID=1332253
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE8320213U Expired DE8320213U1 (de) | Inkrementaler Winkelkodierer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE8320213U1 (de) |
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- DE DE8320213U patent/DE8320213U1/de not_active Expired
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