DE3046720A1 - Positions-kodierer - Google Patents

Description

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D!p!. Ing. fians-Jttrgo-i KCi'er Dr. rer. na*. Thomas Bercudt

Lr.-Ing. Hans LeyLt
Lucile-Grahn-StraSe 38 D 6 München 83

Unser Zeichen: A 14 Lh/fi

FERRANTI LIMITED

Bridge House, Park Road

Gatley, Cheadie, Cheshire (England)

(früher: HoTIinwood, Lancashire, England)

Positions-Kodierer

A 14 452 Ferranti Ltd.

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Positions-Kodierer zum Messen der absoluten Position, die nicht von Veränderungen bei der Messung oder beim Speichern der Position relativ zu einem gegebenen Wert abhängt.

Die Mehrzahl der Positions-Kodierer oder Vorrichtungen zum Messen von einer Position relativ zu einem gegebenen Punkt, arbeiten in der Weise, daß die Bewegung von der letztbekannten Position aus gemessen wird. Es ist daher erforderlich, die zuletzt bekannte Position zu speichern, um abhängig von der Bewegungsrichtung einen weiteren Wert hinzuzuaddieren oder abzuziehen. Solche Vorrichtungen, die gewöhnlich Schritt-Kodierer genannt werden, haben hauptsächlich zwei Nachteile. Der erste ist der, daß wain aus irgendeinem Grund die gespeicherte letzte Position verlorengegangen ist, daß dann die Vorrichtung nicht mehr richtig arbeitet. Der zweite besteht darin, daß die Geschwindigkeit,mit der die Position sich ändern kann, begrenzt ist durch die Geschwindigkeit, mit der der Kodierer die Veränderungen feststellen und speichern kann. Eine zu schnelle Bewegung führt dazu, daß Daten verlorengehen.

Aus diesen Gründen wurde der oben genannte Kodierer für absolute Positionen entwickelt. Er stützt sich nicht auf irgendwelche gespeicherten Daten. Was auch immer seine Position ist, wenn er eingeschaltet wird, er kann diese Position unzweideutig bestimmen. Konventionelle Dekoder zum Messen von Winkelpositionen bestehen aus einer Scheibe, die eine Anzahl von konzentrischen digital kodierten Spuren trägt. Jede Spur hat einen zugeordneten Lesekopf und das.Auflösungsvermögen des Kodierers ist direkt auf die Anzahl der Spuren bezogen. Hier entstehen Probleme bei der Herstellung von Kodierern mit sehr hoher Auflösung infolge der Schwierigkeit, Scheiben mit einer großen Anzahl von Spuren herzustellen.

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Ähnliche Probleme entstehen bei linearen Kodierern, da für eine lange Spurlänge eine große Anzahl von Spuren erforderlich sein kann, was zu Problemen hinsichtlich des hierzu erforderlichen Platzes führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kodierer für absolute Positionen zu schaffen, der es ermöglicht, ein gegebenes Auflösungsvermögen mit einer kleineren Anzahl von Spuren zu erreichen, als dies bisher möglich war.

Nach der Erfindung ist hierzu ein Kodierer vorgesehen, der eine Skala umfaßt, die eine Mehrzahl von digital kodierten Spuren trägt, mit einer Hauptspur und einer Anzahl von Nebenspuren, von denen jede über ein Hauptintervall sich erstreckt und die zusammen einen monostrophen Kode bilden, wobei die Hauptspur nur zwei digitale Übergänge über das Hauptintervall hat; ferner ji Leseköpfe, die der Hauptspur zugeordnet sind und in Abständen verteilt sind, die das 1/2jv-fache des Hauptintervalls darstellen, um dieses in 2r^ gleiche Nebenintervalle zu unterteilen; eine Anzahl von Leseköpfen, die jeder Nebenspur zugeordnet sind, wobei diese Anzahl gegeben ist durch eine ganzzahlige Lösung des Ausdruckes n-2^r, worin r eine ganze Zahl ist, kleiner als oder gleich 1, wobei die Köpfe in gleichen Abständen angeordnet sind, die ein ganzzahliges Vielfaches von dem 1/2n-fachen des Hauptintervalls sind.

Die Bezeichnung "Hauptintervall" bezieht sich auf die Länge der Spuren. Im Falle eines rotierenden Kodierers würde dies eine vollständige Umdrehung um 360° sein, während bei einem linearen Kodierer diese Bezeichnung sich auf den vollen Bewegungsbereich oder Bewegungsweg des Kodierers bezieht. Die Bezugnahme auf den gleichen Abstand der Leseköpfe umfaßt auch den Fall, in welchem ein Kopf von seiner erwarteten Position um die Hälfte des Hauptintervalles versetzt ist, wobei durch eine solche Versetzung dieselben Ergebnisse erzielt werden. Bei einem rotierenden Kodierer umfaßt jedoch die Bezeichnung"gleiche Abstände" nicht den Abstand zwischen dem letzten der Leseköpfe und dem ersten.

Eine beispielsweise Ausflihrungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 eine Seitenansicht eines rotierenden Positions-Kodierers zeigt.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf die Skala des Kodierers nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt die Herstellung eines geeigneten Kodes.

Fig. 4 zeigt einen Kode zur Verwendung mit dem beschriebenen Kodierer.

Fig. 5 zeigt schematisch einen linearen Positions-Kodierer.

Fig. 1 zeigt in Seitenansicht einen rotierenden Positions-Kodierer. Ein Gehäuse 10 trägt ein Lager 11, in welchem eine Welle 12 drehbar relativ zum Gehäuse gelagert ist. Die Welle trägt eine Scheibe 13, die mit der Welle rotiert. Im Gehäuse 10 sind in fester Position, relativ zu ihm, drei Lichtquellen 14 angeordnet, von denen eine in Fig. 1 zu sehen ist. Jede Lichtquelle erstreckt sich längs eines Radius der Scheibe 13. Ebenfalls im Gehäuse 10 sind drei Leseköpfe angeordnet, von denen nur einer in Fig. 1 dargestellt ist. Die Leseköpfe liegen auf der zu den Lichtquellen 14 gegenüberliegenden Seite der Scheibe und je ein Lesekopf fluchtet mit je einer Lichtquelle. Das heißt, Licht, das von der Lichtquelle durch die Scheibe fällt, wird von dem Lesekopf aufgenommen und festgestellt.

Jeder Lesekopf enthält eine Anzahl von lichtempfindlichen Einrichtungen, deren Zahl gleich der Zahl der kodierten Spuren ist, die auf der Scheibe ausgebildet sind, und ein schmaler Kollimator-Schlitz ist vor jeder der lichtempfindlichen Einrichtungen angeordnet.

Das Gehäuse 10 kann ferner eine gedruckte Schaltungsplatte 16 aufweisen, die die notwendigen elektronischen Schaltungen trägt, für die Funktion des Kodierers.

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Fig. 2 zeigt in Draufsicht die Scheibe 13 mit den Positionen der drei Leseköpfe in gestrichelter Darstellung. Die Scheibe trägt drei Spuren, die nicht im Detail dargestellt sind, und jeder Lesekopf hat daher drei Detektoren. In der beschriebenen Ausführungsform sind die drei Leseköpfe in Winkel abständen von 60° um die Scheibe 13 positioniert.

Die Scheibe 13 kann aus einer Metallplatte gebildet sein, von der ein Teil weggeätzt worden ist, um die erforderlichen kodierten Spuren zu schaffen, oder sie kann beispielsweise eine transparente Scheibe sein, mit einem auf ihr ausgebildeten undurchsichtigen Muster.

Die Scheibe nach den Fig. 1 und 2 trägt drei Spuren, von denen jede digital kodiert ist. Um die Schwierigkeiten zu vermeiden, die entstehen, wenn gewährleistet werden soll, da3 eine Anzahl von übergängen auf verschiedenen Spuren exakt zusammen auftreten, sind die Spuren so ausgebildet, daß sie einen monostrophen Kode bilden, d.h. einen Kode, in welchem die übergänge,nur einer zu jeweils einem Zeitpunkt, auftreten. Die Ablesung von je zwei Nebenspuren in drei verschiedenen Positionen erzeugt die Wirkung von sechs separaten Spuren, d.h. einen 6-Bit-Ausgang. In diesem Beispiel hat jede Spur dieselbe Anzahl von Leseköpfen, d.h. drei.

Unabhängig von der benutzten Kodierung hat eine der Spuren, die als Hauptspur bezeichnet wird, nur zwei übergänge (transitions). Wenn ji Leseköpfe der Hauptspur zugeordnet sind, so sind diese Köpfe in Abständen verteilt, die das 1/2n-fache des Hauptintervalls darstellen, welch letzteres im Falle eines rotierenden Kodierers eine Umdrehung oder 360° ist. Im vorliegenden Fall, in welchem n^ gleich drei ist, sind somit die Köpfe in Abständen von einem Sechstel des Hauptintervalls angeordnet, d.h. in Winkelabständen von 60° . Das Hauptintervall ist somit in sechs Nebenintervalle unterteilt.

Fig. 3 zeigt eine Möglichkeit zur Kodierung der Scheibe. Im Prinzip besteht diese im Einschreiben oder Einzeichnen eines monostrophen 6-Bit-Kodes, in diesem Fall ein Gray-Kode. Dieser umfaßt zweckmäßigerweise

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64 Bit, und wenn nur 60 von diesen verwendet werden, kann jedes Bit einem Winkelgrad entsprechen.

Fig. 5 zeigt die drei kodierten Spuren, die aus dem Kode nach Fig. 4 entwickelt wurden. Wie bereits erwähnt, hat die Hauptspur nur zwei übergänge innerhalb von 360°. Eine der beiden Nebenspuren wird benutzt, um die drei niedrigstwertigen Bits des Kodes zu führen, während die andere Nebenspur die drei höchstwertigen Bits trägt. Bei jedem sukzessiven übergang entsteht ein paralleler Ausgang von den sechs Leseköpfen, der für je 1° einer Umdrehung der Scheibe einmalig ist.

Der Ausgang von einem Positions-Kodierer soll in Graden oder in einem anderen Winkelmaß vorliegen im Falle eines Kodierers mit drehender Welle. Es ist daher erforderlich, die Ausgänge von den Leseköpfen zu verarbeiten, um den entsprechenden Ausgang zu erhalten. Da jeder der aufeinanderfolgenden Ausgänge eindeutig über ein Hauptintervall ist, ist die einfachste Form eines Prozessors ein Read-Only-Speicher, der so programmiert ist, daß er jeden möglichen parallelen Ausgang von den Leseköpfen erkennt und dekodiert. Diese Form der Dekodierung bedeutet ferner, daß der benutzte Kode nicht kontinuierlich zu sein braucht. Zum Beispiel erstreckt sich der 6-Bit-Gray-Kode über 64 Obergänge. Es sind jedoch nur 60 von diesen erforderlich, um bei einer Bewegung über 60° Winkelschritte von 1° zu erhalten. Vier der übergänge können daher weggelassen werden. Obwohl auch andere Formen der Dekodierung verwendet werden können, wie z.B. komplexe logische Schaltungen, können hier Probleme entstehen, wenn solche Sprünge gemacht werden.

Wie bereits erwähnt, braucht der Kodierer kein rotierender Kodierer sein. Es kann auch ein linearer Kodierer vorgesehen werden, der exakt dieselben Prinzipien benutzt. In diesem Fall ist das Hauptintervall der maximal zu erwartende Weg der Vorrichtung, an welcher der Kodierer angebracht ist. Im Falle eines Maschinenwerkzeuges beispielsweise, in welchem zwei Teile sich relativ zueinander bewegen, kann sich die Skala

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liber die volle Länge von einem der beiden Teile erstrecken. Der andere Teil würde die Lichtquellen und die Leseköpfe auf gegenüberliegenden Seiten der Skala tragen. Der Abstand zwischen den Köpfen wird ebenfalls durch die Anzahl der Leseköpfe auf der Hauptspur bestimmt, in Übereinstimmung mit dem oben gegebenen Ausdruck.

Fig. 5 zeigt einen solchen linearen Kodierer in schematischer Form. Wenn L das Hauptintervall ist und ji Leseköpfe auf der Hauptspur vorgesehen sind, dann ist der Abstand zwischen den Leseköpfen L/2n. Wenn z.B. ji drei ist, dann haben die Leseköpfe einen Abstand von L/6. Die Spuren werden in genau derselben Weise,wie oben beschrieben, kodiert. Fig. 4 zeigt eine Entwicflung des Spurenmusters für einen rotierenden Kodierer und es kann direkt für einen linearen Kodierer verwendet werden.

Beim rotierenden und beim linearen Kodierer können höhere Auflösungsvermögen erreicht werden durch Verwendung eines Kodes höherer Ordnung. Es ist dann notwendig, entweder die Anzahl der Spuren zu erhöhen oder die Anzahl der Leseköpfe je Spur, oder beides. Es ist nicht wensentlich, daß jede Spur dieselbe Anzahl von Leseköpfen hat, obwohl die Auswahlen begrenzt sind. Im allgemeinen kann jede Spur eine Anzahl von Leseköpfen haben, die durch jede ganzzahlige Auflösung des Ausdrucks ji . 2^r gegeben ist, worin r eine ganze Zahl ist, kleiner oder gleich 1. Das heißt, r kann sein 1, 0, -1, -2 usw. Wenn beispielsweise die Hauptspur zwei Leseköpfe hat, so kann jede Nebenspur vier, oder zwei oder nur einen haben. Wenn die Hauptspur drei Leseköpfe hat, so kann jede Nebenspur sechs oder drei Leseköpfe aufweisen. Die maximal erreichbare Auflösung eines Kodierers, d.h. die maximale Anzahl von Schritten, in welche ein Hauptintervall unterteilt werden kann, ist gegeben durch den Ausdruck 2ji · 2 , worin η die Anzahl der Leseköpfe auf der Hauptspur und t die Gesamtzahl der Leseköpfe ist, die auf sämtlichen Nebenspuren verwendet wird.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2, mit drei Köpfen und drei Spuren, ist

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somit die maximale erreichbare Auflösung 384. Dies ist jedoch keine geeignete Zahl für einen rotierenden Kodierer, weshalb in der Praxis man nur 360 der möglichen Schritte verwenden wird, wie bereits beschrieben wurde.

Die Mindesauflösung muß ein Veilfaches von 2n_ sein, die als mögliche Lösung 360 Schritte (increments) gibt. Die Auflösung, die man bei einer besonderen Anordnung der Spuren erhält, kann durch eine geeignete Ausbildung des Dekoders reduziert werden. Beispielsweise kann die Spuranordnung nach Fig. 2 benutzt werden, um 100 verschiedene Ausgänge zu liefern über eine vollständige Umdrehung durch Verwendung des Read-Only-Speichers, so daß mehrere aufeinanderfolgende parallele Eingänge an diesen Speicher denselben Ausgang von ihm liefern.

Obwohl oben erwähnt, daß die Leseköpfe in Abständen vom 1/2n-fachen des Hauptintervalls angeordnet sein sollen, kann dies variiert werden. Es ist möglich, einen Lesekopf von seiner normalen Position um die Hälfte des Hauptintervalles zu verschieben. Das Netto-Ergebnis ist exakt dasselbe da die Hauptspur nur zwei übergänge hat. Dies ist manchmal nützlich, wenn es erwünscht ist, die Spuren in einem Abstand anzuordnen, der zu klein für alle Leseköpfe ist.

Die vorstehende Beschreibung nimmt bezug auf Lichtquellen und lichtempfindliche Einrichtungen für die Leseköpfe, wobei Licht entweder von den Quellen zu den Sensoren läuft, oder durch die Skala gesperrt wird. Es ist jedoch in gleicher Weise möglich, eine Skala zu verwenden, die Licht reflektiert oder absorbiert und dann die Lichtquellen und die Sensoren auf derselben Seite der Skala anzuordnen. Andere Formen von Leseköpfen können ebenfalls benutzt werden, abhängig von der Art der elektromagnetischen Strahlung, der Verwendung von elektrischen oder magnetischen Feldern oder elektrischer Potentiale.

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Claims (8)

1. Ferranti Ltd. - A 14 452 -

   Patentansprüche

   Kodierer für absolute Positionen, gekennzeichnet durch eine Skala mit einer Mehrzahl von digital kodierten Spuren mit einer Hauptspur und einer Anzahl von Nebenspuren, von denen jede sich über ein Hauptintervall erstreckt und die zusammen einen monostrophen Kode bilden, wobei die Hauptspur nur zwei digitale Übergänge über das Hauptintervall aufweist, ferner durch n-Leseköpfe, die der Hauptspur zugeordnet und in Abständen verteilt sind, die das 1/2n-fache des Hauptintervalles sind, um das Hauptintervall in 2r^ Nebenintervalle zu unterteilen, eine Anzahl von Leseköpfen, die jeder Nebenspur zugeordnet sind, wobei diese Anzahl gegeben ist durch eine ganzzahlige Lösung des Ausdruckes ji · 2^r, worin r eine ganze Zahl ist, die kleiner als oder gleich 1 ist, ferner dadurch, daß die Köpfe in gleichen Abständen angeordnet sind, die ganzzahlige Vielfache des 1/2n-fachen des Hauptintervalles sind.
2. 2. Kodierer nach Anspruch 1 zur Messung einer Winkelposition, dadurch gekennzeichnet, daß die Skala eine Scheibe aufweist, die eine Anzahl von konzentrischen Spuren trägt.
3. 3. Kodierer nach Anspruch 1 zur Messung einer linearen Position, dadurch gekennzeichnet, daß die Skala einen Streifen aufweist, der eine Anzahl von parallelen Spuren trägt.
4. 4. Kodierer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Skala aus einem undurchsichtigen Material besteht, welches mit Öffnungen versehen ist, die die Spuren bilden.

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5. 5. Kodierer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Skala aus einem lichtdurchlässigen Material besteht, das mit undurchsichtigen Bereichen versehen ist, welche die Spuren bilden.
6. 6. Kodierer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Skala reflektierende Bereiche hat, die die Spuren bilden.
7. 7. Kodierer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Lesekopf eine Lichtquelle und eine zugehörige lichtempfindliche Einrichtung aufweist, durch welche zusammen das Muster einer Spur auf der Skala feststellbar ist.
8. 8. Kodierer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der monostrophe Kode, der durch die Vielzahl der Spuren gebildet ist, ein Gray-Kode ist.

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