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Aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 050 379 ist bereits ein Verfahren
zur Fehlerprüfung bei einschrittigen Codes für Längen- oder Winkelmeßsysteme bekanntgeworden,
bei dem jeweils im Bereich der Sprungstellen von aus den Codespuren abgeleiteten
Signalen geprüft wird, ob zugeordnete Signalzustände anderer Codespuren auch tatsächlich
anliegen. Diese Art der Fehlerprüfung eignet sich gut für digitale
Positionsgeber,
bei denen ein fortwährender Wechsel der Anzeige zu erwarten ist, weil dann nämlich
ohne längere zeitliche Unterbrechung Fehlerprüfungen durchgeführt werden. Es gibt
jedoch auch Anwendungsfälle für digitale Positionsgeber, bei denen die digital anzuzeigende
Position über längere Zeiträume unverändert bleibt. Der Abtaster der Spur, deren
Signalwechsel in dieser Position als nächster Wechsel zu erwarten ist, könnte bei
der bekannten Einrichtung auch in den fehlerhaft arbeitenden Zustand übergehen,
ohne daß dies sofort entdeckt werden könnte. Erst dann wieder, wenn der Positionsgeber
seine Stellung so weit verändert, daß der Wechsel weiterer Spuren weitere Prüfungen
veranlaßt, würde der Fehler entdeckt werden, was für viele Anwendungsfälle unerwünscht
ist.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen digitalen Positionsgeber
mit einschrittigem Code zu schaffen, dessen Fehlersicherheit wesentlich verbessert
ist und bei dem die Fehleraufdeckung nicht nur die Abtaster selbst, sondern in weiterer
Ausgestaltung auch den angeschlossenen Codeumsetzer und, bei fotoelektrischen Positionsgebern,
auch die Lichtquelle umfaßt.
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Die Erfindung macht sich die bekannte Tatsache zunutze, daß bei einschrittigen
Codes positionsmäßig benachbarte Signalkombinationen sich nur im Signal einer Spur
unterscheiden können. Bei einem digitalen Positionsgeber der eingangs genannten
Art wird deshalb erfindungsgemäß von einer Codierung Gebrauch gemacht, die innerhalb
der niedrigstwertigen Dezimale, bei gleichbleibender Bewegungsrichtung, nach einem
Signalwechsel in einer bestimmten Spur, im folgenden feinste Spur genannt, einen
Signalwechsel in einer anderen Spur der gleichen Dezimale erzeugt.
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Die Signalwechsel in der feinsten Spur und die Signalwechsel in irgendeiner
anderen Spur der niedrigstwertigen Dezimale folgen dabei abwechselnd aufeinander
mit Ausnahme der Stelle, an der ein Wechsel von 9 auf 0 oder umgekehrt in dernächsthöheren
Dezimale auftritt. An dieser Stelle wechselt nicht das Signal der feinsten Spur,
sondern das Signal einer der Spuren der höherwertigen Dezimalen, da voraussetzungsgemäß
alle Dezimalen zusammen ebenfalls einen einschrittigen Code bilden sollen.
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Infolgedessen läßt sich durch eine Modulo-2-Addition das Signal der
feinsten Spur der niedrigstwertigen Dezimale mit den Signalen aller Spuren der höherwertigen
Dezimalen zu einem Sekundärsignal verknüpfen, das seinen Signalzustand abwechselnd
mit dem Signalzustand eines anderen Sekundärsignals ändert, das durch eine Modulo-2-Addition
der Signale der übrigen Spuren der niedrigstwertigen Dezimale entsteht. Vorausgesetzt
ist selbstverständlich, daß es sich bei den Signalen, die einer logischen Verknüpfung
unterworfen werden, bereits um Binärsignale handelt, also um Signale, die stabil
nur zwei mögliche Signalhöhen annehmen können und aus z. B.
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sinusförmigen Abtastsignalen etwa durch Triggerung hervorgegangen
sind. Die beiden so erzeugten Sekundärsignale stehen auf Grund der eingangs gemachten
Voraussetzung für die Codierung in etwa 90°-Phasenverschiebung zueinander.
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Durch weitere Abtaster lassen sich nun zwei Hilfssignale erzeugen,
deren Signalwechsel jeweils zwischen einem Signalwechsel des ersten und einem Signalwechsel
des zweiten Sekundärsignals liegen. Diese vier Signale, nämlich die beiden Sekundärsignale
wie
auch die beiden Hilfssignale. bilden ein Signalsystem, das bei fehlerfreier Funktion
sämtlicher Abtaster und Verknüpfungsglieder nicht alle möglichen Signalkombinationen
zuläßt. Dies bildet die Grundlage für die erfindungsgemäße Fehlerprüfung, deren
Merkmale in den Ansprüchen niedergelegt sind und die gegenüber dem bisher bekannten
Stand der Technik den entscheidenden Vorteil hat, daß schon in der einfachsten Ausführung
gemäß Anspruch 1 nicht erst beim Wechsel der Position, sondern in jeder beliebigen
Lage jeder einfache Fehler entdeckt wird, der eine mehr als 1 Digitalschritt abweichende
Positionsanzeige zur Folge hätte, bei den Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den
Unteransprüchen sogar jeder einfache Fehler schlechthin.
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In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigt F i g. 1 schematisch eine Gesamtansicht der Einrichtung, F i g. 2 eine
in F i g. 1 verwendete Schaltung.
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Ein codierter Maßstab 1 ist senkrecht zur Zeichenebene der F i g.
1 verschiebbar angeordnet, die übrige gezeigte Anordnung steht fest, wobei die Position
des Maßstabes 1 gegenüber der feststehenden Einrichtung bestimmt werden soll. Ebenso
kann mit 1 auch der Umfang einer Scheibe bezeichnet sein, deren Drehachse in F i
g. 1 horizontal, in der Zeichenebene jedoch außerhalb des oberen Blattrandes zu
denken ist.
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In jedem Falle bewegen sich bei der Verschiebung des Teilungsträgers
1 darauf aufgebrachte Teilungsspuren 2, bis 2,4 an feststehenden Abtastplatten 3,
bis 314 vorbei. Die Spuren 2, bis 214 sind entsprechend dem weiter unten näher erläuterten
Code ausgeführt, d. h., sie enthalten abwechselnd durchlässige und undurchlässige
Felder mit von Spur zu Spur unterschiedlichen P:bmessungen in Verschiebungsrichtung.
Die auf den Abtastplatten 31 bis 314 aufgebrachten Abtastteilungen weisen Lücken
und Felder in der gleichen Größe wie die der zugehörigen Abtastspuren auf. Die Spuren
2, bis 2,4 und die Abtastplatten 3, bis 3,4 werden von einem Lichtbündel durchsetzt,
das von einer einzigen Lichtquelle 4 ausgeht. Das Bündel der gleichen Lichtquelle
4 durchsetzt auch noch einen Teil des Teilungsträgers 1, der keine Abtastspur trägt
und hinter dem ein fotoelektrisches Bauelement 50 angeordnet ist. Bei Verschiebung
des Teilungsträgers 1 erfolgt demgemäß keine Modulation des auf das fotoelektrische
Bauelement 5o treffenden Lichtstromes.
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Dagegen erfolgt eine Modulation der Lichtströme, die durch die Abtastplatten
3, bis 3,4 und die zugehörigen Abtastspuren 2, bis 214 treten und auf fotoelektrische
Bauelemente 5, bis 5,4 fallen. Das vom Referenzelement 50 gelieferte Signal dient
zur Einstellung des Triggerpegels von Rechteckimpulsformern 7, bis 7,4, so daß Schwankungen
der Lampenspannungen oder Alterungserscheinungen keinen Einfluß auf die Signale
8, bis 8,4 haben. Die bisher beschriebene Anordnung ist nur so weit erläutert, wie
dies zum Verständnis der folgenden Beschreibung erforderlich ist. Für die Erfindung
unwesentliche Einzelheiten, z. B. für die zweckmäßige Ausgestaltung der optischen
Bauteile zur Führung und Sammlung des Lichtes sind, da grundsätzlich bekannt, in
der Zeichnung weggelassen.
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Die Spuren 2, bis 24 sind im Excess-3-Code ausgeführt, d. h., die
Folge der Signalzustände 8, bis 84 erscheint in folgender Zuordnung zu aufeinanderfolgenden
Positionen.
Position | Spur |
81 1 j 84 |
0 0 0 1 0 |
1 0 1 1 0 |
2 0 1 1 1 |
3 0 1 0 1 |
4 0 1 0 0 |
5 1 1 0 0 |
6 1 1 0 1 |
7 1 1 1 1 |
8 1 1 1 0 |
9 1 0 1 0 |
10 1 0 1 0 |
11 1 1 1 0 |
Wie aus dieser Tabelle zu sehen ist, liegen die Wechsel des Signals 8, stets zwischen
den Wechseln irgendeines der anderen Signale der gleichen Dezimale, und umgekehrt.
Eine Ausnahme bildet der Übergang von Position 9 auf 10, an dem auch das Signal
81 nicht wechselt. An dieser Stelle tritt ein Wechsel in einem der Signale 8, bis
814 ein. Die benutzte Codierung ist somit einschrittig insgesamt als auch innerhalb
der niedrigstwertigen Dezimale.
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Die Signale 85 bis 814 werden einem Codewandler 9 zugeführt, der
den Zahlenwert in dem benutzten einschrittigen Code der höherwertigen Dezimalen
in einen BCD-Code umwandelt und parallel auf den Leitungen 10 zur Verfügung stellt.
Ein weiterer Codewandler 11 wandelt den einschrittigen Code der Signale 8, bis 84
ebenfalls in den BCD-Code für die niedrigstwertige Dezimale um. Eine Leitung 12
dient dabei der Unterscheidung, ob die nächsthöhere Dezimale einen geraden oder
ungeraden Wert enthält, da dies zur Umsetzung des Excess-3-Codes der niedrigstwertigen
Dezimale erforderlich ist. Auf Leitungen 13 steht der Zahlenwert der niedrigstwertigen
Dezimale parallel zur Verfügung.
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Die Signale 82, 83 und 84 sind an die Eingänge eines Modulo-2-Addierers
14 geführt, dessen Ausgang 15 somit die logische Summe modulo 2 der Signale 82 bis
84 repräsentiert. Die Signale 8, bis 814 sind an die Eingänge eines zweiten Modulo-2-Addierers
16 geführt, dessen Ausgang 17 somit die logische Summe modulo 2 der Signale 8, bis
844 repräsentiert. Die Signale 15 und 17 stehen bei fehlerfreiem Arbeiten der bisher
beschriebenen Einrichtung in 90°-Phasenbeziehung zueinander, wobei der Richtungssinn
der Bewegung des Teilungsträgers 1 maßgebend dafür ist, welches der Signale 15 oder
17 vor- bzw. nacheilt.
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Die Ergebnisse sind also völlig gleich den Ergebnissen bei der Abtastung
der bekannten Inkrementalskalen unter Erzeugung von phasenverschobenen Impulszügen
zur Richtungsunterscheidung.
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Zwei weiteren Abtastplatten3H, und 3H2 sind Abtastspuren 2ff1 und
2H2 so zugeordnet, daß in fotoelektrischen Bauelementen 5H, und 5H2 elektrische
Signale erzeugt werden, die zueinander in 900-Phasenbeziehung stehen und die nach
Triggerung durch Rechteckimpulsformer 7H1 und 7H2 auf Leitungen 18 und 19 Signale
ergeben, deren Wechsel, bei gleichbleibender Bewegungsrichtung, wiederum zwischen
den Wechseln der Signale 15 und 17 liegen. Die Erzeugung der Signale 18 und 19 aus
besonderen Abtastspuren 2Hi und 2H3 ist als einfachst darstellbarer Fall in der
Zeichnung angenommen. Es steht jedoch
nichts im Wege, hierzu auch die Abtastspur
2, heranzuziehen, der die entsprechenden Abtastplatten zusätzlich zugeordnet und
mit entsprechender Phasenversetzung angeordnet sind. Die Signale auf den Leitungen
15, 17, 18 und 19 erscheinen deshalb bei gleichgerichteter Verschiebung des Teilungsträgers
1 in folgender Folge von Kombinationen.
515 1 5zs 1 s11 1 519 |
0 0 0 0 |
1 0 0 0 |
1 100 |
1 1 1 0 |
1 1 1 1 |
0 1 1 1 |
0 0 1 1 |
0 0 0 1 |
Die Signale 15, 17, 18 und 19 sind an die Eingänge eines Netzwerkes 20 gelegt, dessen
Einzelheiten weiter unten näher beschrieben sind und das auf Grund des noch zu beschreibenden
Aufbaues folgende Eigenschaften hat. An seinem Ausgang 21 erscheint ein Signal,
das dann und nur dann gleich dem Signal 15 ist, wenn alle zur Erzeugung dieses Signals
herangezogenen Bauteile fehlerfrei arbeiten. Am Ausgang 22 erscheint ein Signal,
das dann und nur dann gleich dem Signal auf der Leitung 17 ist, wenn alle zur Erzeugung
dieses Signals herangezogenen Bauteile einwandfrei arbeiten.
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In diese Prüfung sind nicht nur die gemeinsame Lichtquelle 4 für die
Abtastspuren 2, bis 244, sondern auch die gemeinsame Lichtquelle 23 für die Hilfsspuren
2H4 und 2H3 einbezogen, ebenso wie die Modulo-2-Addierer 14 und 16 und das Netzwerk
20 selbst.
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Bei fehlerfreier Funktion aller dieser Teile erscheinen deshalb an
den Ausgängen 21 und 22 ebenso 90"-phasenversetzte Signale wie an den Leitungen
15 und 17. Die Signale 21 und 22 werden einem Richtungsdiskriminator 24 zugeführt,
der hieraus in der bei inkrementalen Meßsystemen bekannten Weise Vorwärtsimpulse
V und Rückwärtsimpulse R erzeugt, die einem Vor-/Rückwärtszähler 25 zugeführt werden.
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Der Zählerstand des Zählers 25 muß bei einwandfreier Funktion sämtlicher
beschriebener Bauteile einschließlich der Codewandler 9 und 11 gleich dem an den
Leitungen 10 und 13 anstehenden Zahlenwert sein.
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Die einwandfreie Funktion wird durch einen Vergleicher 26 überprüft.
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In F i g. 2 ist das Netzwerk 20 dargestellt. Es ist aus zwei nahezu
gleichen Netzwerken 20a und 20b zusammengesetzt. Jedes dieser Netzwerke 20a bzw.
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20b besteht aus drei Invertern 35a (35b), 36a (36b), 37a (37b), und
sechs Nand-Toren 38a (38b), 39a (39b), 40a (40b), 41a (41b), 42a (42b), 43a (43b),
das Netzwerk 20b außerdem aus einem Inverter 44b. Der Ausgang 45 des Netzwerkes
20a liefert ein Signal, welches gleich dem Signal 17 ist, wenn alle Abtaster 5o
bis 5,4, 5H1, 5H2, die Modulo-2-Addierer 14 und 16 und das Netzwerk 20a einwandfrei
arbeiten, und das ungleich dem Signal 17 ist, wenn einer der Abtaster 5o bis 544,
5off1, 5H2 oder der Modulo-2-Addierer 14 und 16 fehlerhaft arbeitet. Dies wird für
die im
obigen Beispiel angenommene Folge von Signalen 15, 17, 18,
19 dadurch erreicht, daß das Netzwerk 20a nach der logischen Funktion S45 = S17519
+ S17S,8 + Sl8Sl9 arbeitet. Dabei wird die fehlersichere Ausführung des Netzwerkes
20a durch Ausklammern von
S,7 oder S,» oder S,9 erreicht. Im Netzwerk 20a ist hierzu
durch Ausklammern von S,8 die logische Funktion S45 = S,7S19 + S,8 (S17 + Slg) verwirklicht.
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Die Funktion des Netzwerkes 20a und seiner einzelnen Tore ist aus
folgender Tabelle zu ersehen.
Ausgänge der Tore |
S,9 517 518 Ausgänge der Tore 517 mit Ausg. |
35a I 36a I 37a I 38a I 39a 40a 41a Zu42a 43a 43a = 45 |
0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 gleich |
0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 gleich |
0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 ungleich |
0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 gleich |
1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 gleich |
1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 ungleich |
1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 gleich |
1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 gleich |
Eine genaue Fehleranalyse zeigt, daß, mit Ausnahme von zwei noch zu erwähnenden
Fällen, auch alle in diesem Netzwerk vorkommenden einfachen Fehler durch den Vergleich
von S,7 mit 45 erkannt werden. Unter einem »einfachen« Fehler wird dabei der Fall
verstanden, bei dem im ganzen System gleichzeitig nur ein Fehler vorkommt. Als »Fehler«
wird einer von folgenden Fällen verstanden.
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Eines der Signale 15, 17, 18, 19 bleibt auch bei durchlaufendem Teilungsträger
1 dauernd auf 0 oder 1.
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Dabei ist es gleichgültig, ob dieser Fehler von fotoelektrischen Bauelementen,
Verstärkern oder Impulsformern hervorgerufen wird.
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Eines der Schalt- oder Verknüpfungselemente des Netzwerkes 20a liefert
auch bei durchlaufender Inkrementalskala an seinem Ausgang dauernd 0 oder 1.
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An einem Eingang eines der Schalt- oder Verknüpfungselemente des
Netzwerkes 20a liegt auch bei durchlaufendem Teilungsträger 1 dauernd 0 oder 1,
wobei dieser Fehler im betreffenden Schaltelement selbst liegen oder von der Ansteuerung
desselben herrühren kann.
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Die obenerwähnten zwei Ausnahmen sind 19 - Eingang von Tor 41 a dauernd
gleich 1 35a - Eingang von Tor 38a dauernd gleich 1.
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Diese beiden Fehler können aber im vorliegenden Falle erkannt werden,
da jedes der Tore 38a und 41a doppelt ausgeführt ist und die Ausgänge durch
besondere
Vergleicher 28 und 29 überprüft werden.
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Damit ergibt sich die in F i g. 2 gezeigte vollständige Schaltung
des Netzwerkes 20a (bzw. 20b) bei der dem Tor 38a (bzw. 38b) ein zweites gleiches
Tor 39a (bzw. 39b) zugeordnet ist, das vom gleichen Eingangssignal angesteuert wird
und dessen Ausgangssignal mit dem Ausgangssignal des zu überprüfenden Tores durch
je einen besonderen Vergleicher 28 (bzw. 30) verglichen wird. In der gleichen Weise
ist dem Tor 41a (bzw. 41b) ein Tor 40a (bzw. 40b) zur Überprüfung zugeordnet.
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Das Netzwerk 20b arbeitet völlig analog dem Netzwerk 20a, lediglich
mit dem Unterschied, daß es andere Eingangssignale S15, S17, S19 erhält, hiervon
das Signal S19 durch den Inverter 44b in S,9, umwandelt und demgemäß nach der logischen
Funktion s46 = s,,s,8 + S19' (S,5 + S18) arbeitet. Während das Netzwerk 20 a am
Ausgang 45 ein Signal abgibt, welches bei fehlerfreier Funktion gleich dem Eingangssignal
S,7 ist, gibt das Netzwerk 20b an seinem Ausgang 46 ein Ausgangssignal ab, welches
bei fehlerfreier Funktion gleich dem Eingangssignal S15 ist.
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Bei richtiger Arbeitsweise sowohl der Abtaster 50 bis 514, 5H, 5H2,
der Modulo-2-Addierer 14 und 16 wie auch des Netzwerkes 20 liegen deshalb an den
Ausgängen 21 und 22 die gleichen Signale vor, die auch an den Eingängen 15 und 17
vorliegen, wie schon bei der Beschreibung der F i g. 1 mitgeteilt wurde.