CH656954A5 - Verfahren und anordnung zum auswerten von signalen aus einem ultraschallwegmesssystem. - Google Patents

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CH656954A5
CH656954A5 CH6933/81A CH693381A CH656954A5 CH 656954 A5 CH656954 A5 CH 656954A5 CH 6933/81 A CH6933/81 A CH 6933/81A CH 693381 A CH693381 A CH 693381A CH 656954 A5 CH656954 A5 CH 656954A5
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CH6933/81A
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Otto Schneider
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Maag Zahnraeder & Maschinen Ag
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23DPLANING; SLOTTING; SHEARING; BROACHING; SAWING; FILING; SCRAPING; LIKE OPERATIONS FOR WORKING METAL BY REMOVING MATERIAL, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23D36/00Control arrangements specially adapted for machines for shearing or similar cutting, or for sawing, stock which the latter is travelling otherwise than in the direction of the cut
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung der im Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 7 angegebenen Art.
Ein solches Ultraschallwegmesssystem ist beispielsweise aus der US-PS 3 898 555 bekannt. Bei diesem Messsystem erzeugt ein Oszillator Auslöseimpulse mit für den jeweiligen magnetostriktiven Leiter fester und von dessen Länge abhängiger Frequenz, die zwischen 8000 Hz bei kurzen Leitern und 2000 Hz bei langen Leitern schwankt. Dieser feste Auslö-seimpulstakt ist nachteilig, weil er einen bestimmten Messdurchsatz festlegt, der nicht vergrössert werden kann. Auch wenn der Echoimpuls kurz nach dem Auslöseimpuls erscheint, weil sich der Messkopf in geringer Entfernung vom Empfänger des Messsystems befindet, muss mit dem nächsten Auslöseimpuls die durch die Taktfrequenz des Oszillators festgelegte Zeit gewartet werden, bevor eine neue Messung gemacht werden kann. Im übrigen wird die Auflösung bei diesem bekannten Ultraschallwegmesssystem durch die Frequenz des Wegoszillators bestimmt, denn je grösser die Anzahl der während eines Laufzeitimpulses gezählten Wegoszillatorimpulse ist, um so grösser ist die Auflösung. Wenn eine sehr hohe Auflösung angestrebt wird, dann werden sehr schnell Wegoszillatorfrequenzen erreicht, die nicht mehr verarbeitbar sind. Schliesslich eignet sich das bekannte Ultraschallwegmesssystem nur zur Messung der Position eines stillstehenden Messkopfes. Würde sich der Messkopf bewegen, so würde wegen der endlichen Fortpflan-5 Zungsgeschwindigkeit des Ultraschallechoimpulses (ca. 2800 m/s) ein Fehler hervorgerufen, der die Verwendung des Systems bei hochgenauen Werkzeugmaschinen, beispielsweise bei grossen Zahnradschleifmaschinen, unmöglich machen würde.
io Weiter sind ein Verfahren und eine Anordnung zum inkre-mentalen Messen der Relativlage zweier Objekte mittels Ultraschallwellen bekannt (DE-OS 2 833 369), die eine grössere Genauigkeit als das bekannte Ultraschallwegmesssystem ergeben, indem bei ihnen die Phasenlage zwischen einer ls Wechselspannung, die zur Erzeugung der Ultraschallwelle im magnetostriktiven Leiter dient, und einer von der Ultraschallwelle im Empfänger induzierten Wechselspannung als Mass für die relative Lage des Empfängers zum sendenden Messsystem ausgenutzt wird, wodurch das Auswertever-20 fahren nicht von der Amplitude des ausgesandten Auslöseimpulses und des empfangenen Echoimpulses abhängig ist. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass keine absoluten Messungen möglich sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine 25 Anordnung der im Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 7 angegebenen Art so zu verbessern, dass bei gleichzeitig höherem Messdurchsatz die Genauigkeit der Auswertung der vom Ultraschallmesssystem gelieferten Impulse wesentlich grösser ist, ausserdem weitere Messinformationen 30 über den sich bewegenden Messkopf erzielt werden können und eine absolute Messung ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen der Patentansprüche 1 bzw. 7 angegebenen Merkmale gelöst.
Während bei dem bekannten Ultraschallwegmesssystem 35 der Auslöseimpulsoszillator Auslöseimpulse mit fester Taktfrequenz liefert, die einen bestimmten Messdurchsatz festlegen, wird bei dem Verfahren nach der Erfindung der Auslöseimpuls extern getriggert, was ermöglicht, sofort nach dem Auftreten eines Echoimpulses erneut einen Auslöseimpuls 40 zu erzeugen. Das Verfahren und die Anordnung nach der Erfindung sind dabei so ausgelegt, dass ein universeller Betrieb des Messsystems möglich ist, d.h. es kann sowohl mit festem Messtakt (synchron) als auch mit veränderlichem Messtakt (asynchron) gearbeitet werden. Es lassen sich mit 45 diesem Verfahren und dieser Anordnung ausser dem Positionswert auch die Geschwindigkeit und die Beschleunigung des Messkopfes ermitteln, weshalb neben einem Wegzähler stets auch ein Zeitzähler im Einsatz ist, der die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen, d.h. die Zeit zwi-so sehen zwei Auslöseimpulsen misst. Die Anordnung enthält zwei Zählergruppen, bestehend je aus einem Wegzähler und einem Zeitzähler. Die Umschaltung von einer Zählergruppe auf die andere erfolgt zwangsläufig durch die Zählerumschaltlogik. Die Zählerumschaltlogik wird zu diesem Zweck 55 durch die externe Triggerung der Auslöseimpulse sowie durch die diesen entsprechenden Echoimpulse gesteuert. Die Auflösung der gemessenen Wegstrecke ist bei der Anordnung und dem Verfahren nach der Erfindung durch die Frequenz des Wegoszillators beliebig wählbar (die Auflösung, 60 d.h. ein kleines Weginkrement, ist der Quotient aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallechoimpulses und der Wegoszillatorfrequenz).
Die von den beiden Zählergruppen gelieferten Zählerinhalte werden zur Berechnung der Position, der Geschwindig-65 keit und der Beschleunigung des Messkopfes von dem die externe Triggerung der Zählerumschaltlogik bewirkenden Rechner verarbeitet, der die entsprechenden Messergebnisse auch ausgibt.
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In der Ausgestaltung nach Anspruch 8 übermittelt die Kontrollogik dem Rechner Kontrollsignale darüber, welche Zählergruppe Messdaten zur Ausweitung bereithält. Die Schnittstelle ermöglicht, mit Hilfe des Programmablaufs im Rechner Messungen auszulösen und die Messdaten zu verarbeiten.
Nach einer Messung, d.h. zwischen einem Auslöseimpuls und dem nächsten, kann noch nicht festgestellt werden, ob sich der Messkopf bewegt hat und ob eine Geschwindigkeitskorrektur für die gemessene Position des Messkopfes erforderlich ist. Deshalb wird durch die andere Zählergruppe wenigstens eine weitere Messung zwischen zwei Auslöseimpulsen durchgeführt und dann auf deren Basis auf die angegebene Weise ein geschwindigkeitskorrigierter Positionsmesswert ermittelt, wodurch die Positionsmessgenauigkeit wesentlich erhöht wird.
In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 9 lässt sich die Dynamik des Messdurchsatzes verbessern, weil die Unterbrechungs- oder Interruptlogik nach jeder Messung den Programmablauf im Rechner unterbricht, so dass dieser die Auswertung der Messdaten übernimmt und gleichzeitig sofort eine neue Messung durchgeführt werden kann.
Die Zeit, die ein Ultraschallimpuls benötigt, um eine bestimmte Strecke auf dem magnetostriktiven Leiter zurückzulegen, hängt von dessen ferromagnetischen Eigenschaften (z.B. Dichte, Temperaturkoeffizient, Elastizitätsmodul, magnetische Permeabilität) ab. Diese Eigenschaften können sich auf einem Leiter von einer Stelle zur anderen und von einem Leiter zum anderen ändern.
In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 1 wird deshalb die gemessene Position des Messkopfes noch mit einem diese Nichtlinearitäten des magnetostriktiven Leiters berücksichtigenden Linearitätskorrekturterm korrigiert, um die Genauigkeit weiter zu verbessern. Der Linearitätskorrekturterm wird dabei am zu messenden Objekt, d.h. im endgültig eingebauten Zustand des Messsystems, ermittelt,
indem beispielsweise an dem zu messenden Objekt, z.B.
einer Zahnradschleifmaschine, eine Eichung der Anordnung mit noch einem genaueren Messsystem, beispielsweise einem Laserinterferometer, durchgeführt wird.
In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 wird die Position des Messkopfes zusätzlich noch mit einem Tem-peraturkompensationsterm korrigiert, durch den bei einem Einsatz des Messsystems in Umgebungen mit stark unterschiedlichen Temperaturen die Messgenauigkeit weiter verbessert wird.
Schliesslich wird in der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 noch die Position des Messkopfes hinsichtlich der unterschiedlichen Nullpunkte des zu messenden Objekts und des Messsystems korrigiert, damit am Ende die auf den Nullpunkt des zu messenden Objekts bezogenen Positionswerte ausgegeben werden können, d.h. z.B. bei einer Zahnradschleifmaschine die genaue Position des mit dem Schleifscheibenträger verbundenen Messkopfes bezüglich des Maschinennullpunkts.
In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 kann dann ein Positionsmesswert ausgegeben werden, der hinsichtlich der Temperatur der Messumgebung, der Geschwindigkeit des Messkopfes während der Messung, der Nichtlinearitäten des magnetostriktiven Leiters und der unterschiedlichen Nullpunkte zwischen Messsystem und Messobjekt korrigiert ist.
In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 6 lässt sich als weitere Information die Beschleunigung des Messkopfes bestimmen. Diese Information lässt sich zusammen mit der Positions- und der Geschwindigkeitsinformation vorteilhaft als Rückführungsgrösse in einem Regelkreis verwenden, in welchem der Messkopf beispielsweise mit einem
Schlitten verbunden ist, dessen Lage geregelt werden soll. Ein Regelvorgang ist nämlich umso stabiler, je mehr Rückfüh-rungsgrössen bei ihm berücksichtigt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden s unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild der Anordnung nach der Erfindung,
io Fig. 2 ein Impulsdiagramm zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten Anordnung,
Fig. 3 Erläuterungsdiagramme zur Berechnungsmethode,
Fig. 4 Erläuterungsdiagramme zur Bestimmung des Linea-ritätskorrekturterms und des Temperaturkompensationsfak-15 tors und
Fig. 5 ein Beispiel für die Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Anordnung in einem Regelkreis.
In Fig. 1 ist eine Anordnung zum Verarbeiten und Aus-20 werten von Signalen insgesamt mit 10 bezeichnet. Die Anordnung 10 ist einem bekannten Ultraschallwegmesssystem 12 zugeordnet. Die Funktionsweise eines solchen Ultra-schallwegmesssystems beruht auf dem Prinzip der Magnetostriktion bei bestimmten ferromagnetischen Materialien. Die 25 Messgrösse ist dabei die Laufzeit eines Ultraschallimpulses zwischen zwei Punkten auf einem magnetostriktiven Leiter 14, der vereinfacht als Stab dargestellt ist. An einem Ende des Leiters befinden sich ein elektronischer Sender (nicht dargestellt) und ein elektronischer Empfänger E. Längs des Leiters 30 14 ist ein Messkopf 16 verschiebbar angeordnet, der einen Permanentmagneten besitzt. Wenn vom Sender ein Auslöseimpuls über den Leiter geschickt wird, so läuft mit diesem ein kreisförmiges Magnetfeld den Draht entlang. Dieses Magnetfeld trifft mit dem longitudinalen Magnetfeld des 35 Permanentmagneten zusammen, wodurch für die Dauer des Auslöseimpulses in dem Leiter ein Torsionseffekt erzeugt wird, welcher einen Ultraschallimpuls bewirkt, den der Empfänger E als Echoimpuls empfängt. Wenn die Zeit zwischen dem Auslöseimpuls und dem empfangenen Echoimpuls 40 gemessen wird, so ist diese Zeit ein Mass für die Wegstrecke zwischen dem Permanentmagneten und dem Empfänger E. Zur Ausgabe eines Analogsignals kann das wegproportionale Zeitintervall in eine Gleichspannung bestimmter Höhe umgewandelt werden, während zur Ausgabe eines Digitalsig-45 nals während der Zeit zwischen dem Auslöseimpuls und dem Echoimpuls die von einem Wegoszillator 20 erzeugten Impulse gezählt und in eine Ziffernanzeige (nicht dargestellt) umgewandelt werden können.
Die Anordnung 10 enthält den Wegoszillator 20, der mit so hoher Taktfrequenz (z.B. 125 MHz) Impulse liefert, welche einem ersten Wegzähler 22 und einem zweiten Wegzähler 24 zugeführt werden. Weiter enthält die Anordnung 10 einen Zeitoszillator 26, der ebenfalls mit hoher Taktfrequenz Impulse liefert, die einem ersten Zeitzähler 28 und einem 55 zweiten Zeitzähler 30 zugeführt werden. Diese vier Zähler sind mit einer Zählerumschaltlogik 32 verbunden, welche die Zähler so ansteuert, dass stets eine Zählergruppe, z.B. der erste Wegzähler 22 und der zweite Zeitzähler 30 Wegoszillatorimpulse bzw. Zeitoszillatorimpulse zählen, während die 60 andere Zählergruppe, d.h. der erste Zeitzähler 28 und der zweite Wegzähler 24 gestoppt sind, und umgekehrt, d.h. dass die zweite Zählergruppe Impulse zählt, während die andere Zählergruppe gestoppt ist. Die Zählerumschaltlogik 32 ist mit einer Kontrollogik 34 verbunden, die über eine Schnitt-65 stelle 36 und einen Systembus 38 aus einem Rechner 40 Auslöseimpulse, die jeweils einen Messvorgang auslösen, empfängt. Die Kontrollogik 34 gibt die Auslöseimpulse an die Zählerumschaltlogik und über eine Zuleitung 50 an eine Ein
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gangsstufe 18 des Messsystems 12 und an ein in der Eingangsstufe 18 enthaltenes Flipflop 42 ab. Eine Rückleitung 44 führt von dem Messsystem 12 über das Flipflop 42 zu der Zählerumschaltlogik 32 und der Kontrollogik 34. Das Flipflop 42 wird jeweils durch einen Auslöseimpuls gesetzt und durch den diesem entsprechenden Echoimpuls, der von dem Empfänger E empfangen wird, rückgesetzt, so dass das Flipflop 42 einen Laufzeitimpuls abgibt, der mit dem Auslöseimpuls beginnt und mit dem Echoimpuls endet. Dieser Laufzeitimpuls steuert ebenfalls die Zählerumschaltlogik 32, die bei dem Beginn j edes Laufzeitimpulses eine Zählergruppe einschaltet und den Zeitzähler der anderen Zählergruppe stoppt, deren Wegzähler durch das Ende des Laufzeitimpulses, d.h. durch den Echoimpuls gestoppt wird.
Mit der Rückleitung 44 am Ausgang des Flipflops 42 ist noch eine Unterbrechungslogik 46 verbunden, die über die Schnittstelle 36 und den Systembus 38 auf den Rechner 40 auf weiter unten näher beschriebene Weise einwirkt. Ferner sind noch Verbindungen zwischen den beiden Zeitzählern 28,30 und der Kontrollogik 34 sowie der Schnittstelle 36 vorgesehen, die für den Synchronbetrieb der Anordnung von Bedeutung sind, was ebenfalls weiter unten erläutert ist.
Die Anordnung 10 stellt einen Messkanal dar, der ein eigenes Messsystem aufweist. Es können, wie in Fig. 1 mit strichpunktierten Linien angedeutet, noch weitere Kanäle vorgesehen sein, die dann jeweils ein eigenes Messsystem besitzen und auf denselben Rechner arbeiten. In diesem Falle wäre dann lediglich eine bestimmte Prioritätszuordnung erforderlich, damit die einzelnen Messkanäle von dem Rechner 40 entsprechend der Wichtigkeit der von den Kanälen gelieferten Messdaten bedient werden.
Über den Systembus 38 können die Messdaten direkt als Digitalsignale ausgegeben werden. Für den Fall, dass die Ausgangssignale in Analogform erwünscht sind, ist ein D/A-Wandler 48 vorgesehen, der die Messsignale X (Messkopfposition), V (Messkopfgeschwindigkeit) und A (Messkopfbeschleunigung) abgibt.
Die Eingangsstufe 18 mit dem Flipflop 42 ist in unmittelbarer Nähe des Messsystems 12 angeordnet, so dass zwischen beiden Leitungen von vernachlässigbarer Länge vorhanden sind. Zwischen der Eingangsstufe 18 und der Anordnung 10 ist in die Leitungen 44 und 50 eine galvanische Trennung an einer Stelle GT mittels induktiver Koppler vorgesehen. Das ermöglicht, die Anordnung 10 mit der Eingangsstufe 18 über Kabellängen von 50 m oder 150 m anzuschliessen, ohne dass dadurch die Laufzeitimpulslänge beeinflusst wird.
Die Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten Gesamtanordnung wird nun unter Bezugnahme auf das in Fig. 2 gezeigte
Impulsdiagramm näher beschrieben. Wenn die Kontrollogik oder im hier beschriebenen Fall der Rechner als externe Triggerquelle einen Auslöseimpuls über die Zuleitung 50 an das Flipflop 42 und das Messsystem 12 abgibt (Zeitpunkt tn-3), 5 wird gleichzeitig auch die Zählerumschaltlogik betätigt, die (in dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel) den zweiten Zeitzähler einschaltet und den ersten Zeitzähler stoppt. Ausserdem wird über die Leitung 50 das Flipflop 42 gesetzt, so dass der Laufzeitimpuls beginnt, dessen positive Flanke über 10 die Leitung 44 den ersten Wegzähler einschaltet. Beim Erscheinen des von dem Messkopf 16 zurückgeschickten Echoimpulses wird das Flipflop 42 rückgesetzt und der erste Wegzähler, der während des gesamten Laufzeitimpulses die Impulse aus dem Wegoszillator 20 gezählt hat, gestoppt, ls Währenddessen läuft der zweite Zeitzähler bis zum Erscheinen des nächsten Auslöseimpulses (Zeitpunkt tn-2) weiter.
Beim Erscheinen des zweiten Auslöseimpulses wird der zweite Zeitzähler gestoppt und der erste Zeitzähler, sowie 20 über die Hin- und Rückleitung zum Flipflop 42 der zweite Wegzähler, eingeschaltet, die dann bis zum Erscheinen des nächsten Echoimpulses Wegoszillatorimpulse bzw. bis zum Erscheinen des dritten Auslöseimpulses (Zeitpunkt tn-i) Zeitoszillatorimpulse zählen.
25 Beim Erscheinen des dritten Auslöseimpulses wird wieder der erste Zeitzähler gestoppt und der zweite Zeitzähler, sowie über die Hin- und Rückleitung zum Flipflop 42 der erste Wegzähler, eingeschaltet.
Während des nun ablaufenden dritten Laufzeitimpulses 30 zählt der erste Wegzähler die Wegoszillatorimpulse bis zum Erscheinen des nächsten Echoimpulses, während der zweite Zeitzähler Zeitoszillatorimpulse bis zum Erscheinen des vierten Auslöseimpulses (Zeitpunkt tn) zählt, usw.
Diese Methode ermöglicht, eine mittlere Geschwindigkeit 35 zwischen zwei Positionsmessungen, unabhängig vom Messauslösetakt, zu berechnen.
Die Geschwindigkeitsberechnung kann als Messinformation beispielsweise in einem Regelkreis als weitere Rückführ-grösse verwendet oder aber, was in dem hier beschriebenen 40 Fall eines sich bewegenden Messkopfes wichtig ist, zur Geschwindigkeitskorrektur der Positionsmessung verwendet werden.
Der Rechner 40 berechnet aus einer Positionsmessung die Position des Messkopfes nach folgender Beziehung
45
XGn = NXn . Ax mit n = letzter von mehreren Laufzeitimpulsen
XGn = gemessener Positionswert nach n Laufzeitimpulsen
NX = Anzahl der Wegzählimpulse innerhalb eines Laufzeitimpulses
— We inkrement — Vl/Tw - Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeit
Anschliessend berechnet der Rechner aus zwei Positionsmessungen eine mittlere Geschwindigkeit des Messkopfes, d.h. dessen Geschwindigkeit zwischen zwei Wegmessungen,
Wegoszillatorfrequenz gemäss den in Fig. 3 als Beispiel angegebenen beiden oberen Diagrammen X(t) und V(t) nach folgender Beziehung
Vn =
Ax At
NXn-NXn-NTn mit V„
At = Zeitinkrement =
= Geschwindigkeit des Messkopfes nach n Laufzeitimpulsen _1_ = 1
fr
Zeitoszillatorfrequenz
NTn = Anzahl der Zeitzählimpulse zwischen dem (n-1 )-ten und dem n-ten Auslöseimpuls.
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6
Wenn die vorstehend berechnete Geschwindigkeit Vn ungleich null ist, so bedeutet das, dass sich der Messkopf bewegt hat und dass die berechnete Position des Messkopfes noch durch einen Geschwindigkeitskorrekturterm zu korrigieren ist, was nach folgender Beziehung erfolgt
XV=Vn-TLn = Vn.
NXn fw
Das Weginkrement wird dann folgendermassen definiert
Ax =
Xref
1
2 NXe(ì) i= 1
2 NXa(ì) i= 1
mit
TLn = Zeitdauer des n-ten Laufzeitimpulses.
Als Auswerteergebnis wird dann die geschwindigkeitskor-rigierte Messkopfposition
XA = XG + XV
von dem Rechner 40 ausgegeben. Zusätzlich oder statt dessen wird die berechnete mittlere Messkopfgeschwindigkeit V ausgegeben, die beispielsweise in einem Regelkreis als Rück-führungsgrösse benutzt werden kann, wie unter Bezugs-nahme auf Fig. 5 weiter unten noch näher beschrieben.
Zusätzlich wird dann noch die berechnete Position XGn des Messkopfes mit einem die Nichtlinearitäten des magnetostriktiven Leiters berücksichtigenden Linearitätskorrektur-term korrigiert. Weiter erfolgen eine Temperaturkompensation und eine Korrektur bezüglich der Abweichung zwischen dem Nullpunkt des Messsystems und dem Nullpunkt einer Maschine od. dgl., mit der der Messkopf 16 verbunden ist.
Für diese im folgenden näher erläuterten Korrekturen werden die im folgenden definierten Bezeichnungen benutzt:
N : Anzahl der Zählimpulse NX : Anzahl der Wegzählimpulse NT : Anzahl der Zeitzählimpulse Ax : Weginkrement (Weginformation eines Wegzählimpulses)
At : Zeitinkrement (Zeitinformation eines Zeitzählimpulses)
XG: gemessener Positions wert
XV : geschwindigkeitsabhängiger Korrektur-Positionswert XL: linearitätsabhängiger Korrektur-Positionswert XO : Positionswertabweichung durch Differenz zwischen Nullposition des Messobjekts und Nullposition des Messsystems XA: Ausgabewert Position VA: Ausgabewert Geschwindigkeit AA: Ausgabewert Beschleunigung fr: Frequenz des Zeitoszillators fw: Frequenz des Wegoszillators Vu : Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalls Tl: Zeitdauer des Laufzeitimpulses
Ermittlung des Weginkrements Ax:
Streng physikalisch ist das Weginkrement durch die Beziehung
10
Die Werte NXe und NXa werden ebenfalls zur Bestimmung der Linearitätskorrekturwerte verwendet, und zwar gemäss dem in Fig. 4b angegebenen Diagramm, in welchem die Kurve a durch eine Messung mit dem Ultraschallmesssy-ls stem und der Auswerteanordnung erhalten wird, während die Kurve b durch eine Messung mit dem Laserinterfero-meter erhalten wird.
In einem festen Abstand zwischen NXa und NXe werden Messungen mit dem Ultraschallmesssystem und der Auswer-20 teanordnung sowie dem Laserinterferometer gemacht. Der den Messpunkten Pn zuzuordnende Korrekturwert Xl lässt sich dann durch folgende Beziehung ermitteln:
XL(n) = (NX(n) • Ax) - XRERni + (NXa • Ax)
25
wobei NXa« Ax als «Massstab-Null» angenommen wird, während Xrefcm der durch die Lasermessung am Messpunkt Pn erhaltene Wert ist. Wichtig ist, dass die Linearitätskorrekturwerte im montierten Zustand des Messsystems ermittelt 30 werden.
Der im Ultraschallsystem erzeugte Laufzeitimpuls ist temperaturabhängig. Bei einem Einsatz des Messsystems in einer Umgebung, in welcher starke Temperaturänderungen auftreten können, ist deshalb eine Temperaturkompensation 35 vorgesehen. Diese wird wie folgt in die Berechnung eingesetzt
XGn = NXn* Ax* TFX.
40 Mit ansteigender Temperatur nimmt die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalls zu und die Laufzeit des Echoimpulses ab. Der Verlauf des Temperaturkompensationsfaktors TFX in Abhängigkeit von der Temperatur wird durch Messungen ermittelt (vgl. Beispiel Fig. 4c). Dabei gilt 45 folgende Definition:
TFXit) =
NX(2o°o NXm
Ax =
Vu fw gegeben. Da jedoch die Ausbreitungsgeschwindigkeit in verschiedenen Messsystemen nicht genau gleich ist, wird das Weginkrement gemäss dem Schema in Fig. 4a ermittelt. Es werden am Leiteranfang Xa und am Leiterende Xe mit Hilfe des Messsystems und der Aus werteanordnung mehrere Messungen gemacht. Mit einem Laserinterferometer wird die Strecke Xref zwischen dem Leiteranfang und dem Leiterende exakt gemessen.
so und
TFX(2o°c) = 1.
In der Praxis wird TFX mit Ax vorberechnet, so dass die 55 Abarbeitungszeit der Berechnungsroutinen im Rechner nicht beeinflusst wird. Die Temperaturmessung im Einsatz erfolgt (mit Hilfe eines nicht dargestellten Messfühlers) am magnetostriktiven Leiter 14 selbst.
Unter Berücksichtigung der vorstehend definierten Kor-60 rekturwerte wird dann als korrigierte Position XA des Messkopfes von der Anordnung ausgegeben
XA = XG-TFX + XV + XL + XO.
65 Die hier beschriebene Anordnung gestattet schliesslich noch, aufgrund von drei Positionsmessungen auch die Beschleunigung des Messkopfes gemäss den Diagrammen in Fig. 3 nach folgender Beziehung zu berechnen
7
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An ~ 2 '
Vn-Vn-1
(NTn + NTn-l) At
Die Auswerteanordnung gestattet somit, auf Grund der bei den Messungen durch die Wegzähler und die Zeitzähler ermittelten Daten die Position (korrigiert oder unkorrigiert, je nach Bedarf und Geschwindigkeit des Messkopfes), die Geschwindigkeit und die Beschleunigung des Messkopfes zu berechnen und auszugeben.
Die von der Auswerteanordnung gelieferten Ergebnisse lassen sich beispielsweise in einem Regelkreis auf die in Fig. 5 angegebene Weise ausnutzen. Ganz allgemein lassen sich die Eigenschaften eines geregelten Systems durch die Rückführung weiterer Zustände wesentlich verbessern. Während die Messung von solchen weiteren Zuständen in einer Regelstrecke zumeist unmöglich ist, weshalb diese geschätzt oder mit Hilfe eines Modells ermittelt werden müssen, was sehr aufwendig ist, gestattet die hier beschriebene Auswerteanordnung neben der Positionsrückführung auf einfache Weise auch die Rückführung von Geschwindigkeits- und Beschleunigungszuständen. Das Beispiel in Fig. 5 zeigt als Regelstrecke einen Verstärker V, der einen Motor M speist, welcher eine Spindel SP antreibt, die einen Schlitten S verstellt, der mit dem Messkopf 16 verbunden ist. Der Rechner 40 empfängt die Messdaten, wie mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben, berechnet daraus die Position, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung, skaliert diese über Rückführungskoeffizienten ri, n bzw. n, fasst sie in einem Addierglied zusammen zu einem Istwert, der in einem Vergleicher mit einem ebenfalls vom Rechner gelieferten Sollwert Si verglichen wird, wobei dann die Differenz die Stellgrösse darstellt, die über den D/A-Wandler 48 auf die Regelstrecke gegeben wird.
Die gemäss Fig. 1 vorgesehene Kontrollogik 34 steuert nicht nur die Zählerumschaltlogik mittels aus dem Rechner 40 erhaltener Signale, sondern übermittelt dem Rechner auch Betriebszustandssignale, die beispielsweise angeben, welche Zählergruppe welches Messkanals (wenn mehrere Messkanäle mit dem Rechner verbunden sind) Messdaten zur Verarbeitung bereithält. Die daneben vorgesehene Unterbrechungslogik 46 erlaubt, nach jeder Messung den Programmablauf im Rechner zu unterbrechen, damit sich der Rechner sofort mit der Verarbeitung der von der Anordnung 10 gelieferten Signale befasst. Dadurch lässt sich die Dynamik des Messdurchsatzes wesentlich vergrössern, weil bei entsprechend kurzen Laufzeitimpulsen entsprechend früher die Messdaten verarbeitet werden können und sofort ein neuer Auslöseimpuls über den Leiter 14 geschickt werden kann. Die Software ist so ausgelegt, dass sie den Datenfluss zwischen der Anordnung 10 und dem Rechner managt und dabei einen synchronen Messbetrieb mit oder ohne Unterbrechung sowie einen asynchronen Messbetrieb mit oder ohne Unterbrechung ermöglicht. In beiden Betriebsarten werden die von der Anordnung 10 gelieferten Messdaten vom Rechner laufend verarbeitet.
15
Wenn die Anordnung im synchronen Betrieb, d.h. in Echtzeit arbeitet, liefert der Rechner einen festen Takt, so dass sich äquidistante Auslöseimpulse ergeben. Die Auswertung ist dann sehr einfach, weil die Zeitzählerdaten nicht mehr 5 vom Rechner abgeholt zu werden brauchen. Der feste Takt zwischen den Messauslösungen ergibt in diesem Fall nämlich eine konstante Zeitinformation.
Im asynchronen Betrieb ist die Verwendung der Unterbrechungslogik 46 von grosser Bedeutung, weil in diesem Fall 10 die Auslöseimpulse in unterschiedlichen Abständen über den Leiter 14 geschickt werden. Wenn sich bei einer Messung ein kürzerer Laufzeitimpuls ergibt, so wird mit der nächsten Messung entsprechend früher begonnen werden. Um dies optimal ausnützen zu können, wird die Unterbrechungslogik 46 benützt.
Der Rechner kann sich in einem Hauptprogramm mit irgendwelchen Abläufen befassen. Ist nun eine Messung abgeschlossen, so unterbricht die Unterbrechungslogik 46 den Hauptprogrammablauf, und der Programmzähler 20 springt sofort in die Ultraschalldatenabarbeitungsroutine, welche eine neue Messung auslöst und die naheliegenden Daten verarbeitet. Anschliessend erfolgt der Rücksprung ins Hauptprogramm an die Stelle, wo der Absprung erfolgte. Es sind immer alle Messkanäle an die Unterbrechungslogik 46 25 angeschlossen. Die Abarbeitungsreihenfolge mehrerer Messkanäle kann mittels Prioritäten, welche über den Rechner in der Unterbrechungslogik gesetzt werden, beliebig gewählt und jederzeit geändert werden.
so Bei mehreren Messsystemen könnte auch ein gemischter Betrieb gewählt werden.
Selbstverständlich kann auch ohne Unterbrechungslogik gearbeitet werden, weil der Rechner den Status der Anordnung 10 über die Kontrollogik 34 abfragen kann. Diese ist 35 durch ihre direkten Verbindungen mit den Zeitzählern 28 und 30 (wie in Fig. 1 dargestellt) stets über deren Status informiert, welcher immer angibt, welche Zählergruppe welches Messkanals Messdaten bereithält. Allerdings ist in diesem Fall der Messdurchsatz reduziert, weil im Hauptprogramm 40 von Zeit zu Zeit der Status abgefragt werden muss.
In Fig. 3 ist als Beispiel eine Sequenz aus einer linear beschleunigten Bewegung a(t) herausgegriffen, um die Berechnung der einzelnen diskreten Werte zu zeigen.
45 Der Einfachheit halber ist eine konstante Abtastzeit (bzw. Auslöseimpulsrate) angenommen. In der Praxis gilt dies über einen kurzen Zeitpunkt mit venachlässigbarem Fehler auch für den asynchronen Betrieb.
Aus den Kurven ist ersichtlich, dass die Genauigkeit der so berechneten Werte mit kleiner werdender Abtastzeit immer besser wird.
Die Forderung nach kürzerer Abtastzeit ist im asynchronen Betrieb mit Unterbrechungslogik (46) erfüllt. Die Reduktion kann im Mittel ca. 70% gegenüber einem festen 55 Messtakt ausmachen.
5 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

  1. 656954
  2. 2 NXe(ì) i= 1
    S NXaiì) i = 1
    wobei gilt:
    XL(n) = Wegdifferenz zwischen Messung mit Laserinterferometer und Ultraschallmesssystem am Messpunkt Pn
    55 korrigiert wird, für den bei 20°C der Wert 1 angenommen wird und der mittels mehrerer Messungen bei anderen Temperaturen im voraus berechnet wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Position XGn des Messkopfes mit folgendem, die Nichtlinearitäten des magnetostriktiven Leiters berücksichtigenden Linearitätskorrekturterm korrigiert wird
    XL<n) = (NX(n) • Ax) - XREF(n) + (NXa • Ax)
    Xa = Anfang des magnetostriktiven Leiters 35 Xe = Ende des magnetostriktiven Leiters Xref = Strecke XaXe, gemessen mit Laserinterferometer NXe(o = Anzal der Wegzählimpulse bei einer von i Messungen am Leiteranfang NXa(d = Anzahl der Wegzählimpulse bei einer von i Mes-40 sungen am Leiterende
    NX(n) = Anzahl der Wegzählimpulse, gemessen mit Ultraschallmesssystem am Messpunkt Pn zwischen Xa undXE
    XREF<n) = Streckenmessung am Messpunkt Pn Laserinterfero-45 meter.
    2
    PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zum Auswerten von Signalen aus einem Ultraschallwegmesssystem, insbesondere von Werkzeugmaschinen, mit einem magnetostriktiven Leiter, längs welchem ein einen Permanentmagneten aufweisender Messkopf verschiebbar ist und über welchen Auslöseimpulse geschickt werden, die jeweils ein Flipflop setzen und in dem Permanentmagneten zu einem Echoimpuls führen, der das Flipflop rücksetzt und von einem ortsfesten Empfänger im Messsystem empfangen wird, wobei innerhalb einer Signallaufzeit, d.h. der Zeit zwischen jedem Auslöseimpuls und dem empfangenen Echoimpuls als Mass für die Wegstrecke zwischen dem Permanentmagneten und einem festen Bezugspunkt, die von einem Wegoszillator erzeugten Impulse in einem Wegzähler gezählt werden, dadurch gekennzeichnet,
    a) dass die Auslöseimpulse extern getriggert werden,
    b) dass zusätzlich zu den während eines Laufzeitimpulses gezählten Wegoszillatorimpulsen die Impulse eines Zeitoszillators zwischen einem ersten und einem zweiten Auslöseim-
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Position XGn des Messkopfes mit einem Temperaturkompensationfaktor
    50
    TFXrn =
    NX(20°c) NX(t)
    mit
    Ax =
    Xref
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Position XGn des Messkopfes mit einem die Abwei-
    60 chung zwischen der Nullposition des Messkopfes und des Empfängers berücksichtigenden Korrekturterm XO korrigiert wird.
  5. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als korrigierte Position XA des Mess-
    65 kopfes ausgegeben wird
    XA = XG ■ TFX + XV + XL + XO.
    656954
    5 puls von einem Zeitzähler gezählt werden,
    c) dass während des nächsten Laufzeitimpulses die Impulse des Wegoszillators von einem weiteren Wegzähler und zwischen dem zweiten und einem dritten Auslöseimpuls die Impulse des Zeitoszillators von einem weiteren Zeit-
    10 zähler gezählt werden,
    d) dass aus den ermittelten Zählerständen berechnet werden:
    a) die Position des Messkopfes XGn = NXn • Ax
    15 mit n = letzter von mehreren Laufzeitimpulsen
    XGn = gemessener Positionswert nach n Laufzeitimpulsen
    NX = Anzahl der Wegzählimpulse innerhalb eines Laufzeitimpulses
    . , T7 Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeit
    Ax = Weginkrement = Vl/iw = — ———
    Wegoszillatorfrequenz
    ß) die mittlere Geschwindigkeit des Messkopfes
    _ Ax NXn-NXn-i Vn —
    mit
    At
    NTn
    Vn = Geschwindigkeit des Messkopfes nach n Laufzeitimpulsen
    At = Zeitinkrement = -i- = -=-r—f
    fr Zeitoszillatorfrequenz
    NTn = Anzahl der Zeitzählimpulse zwischen dem (n-1 )-ten und dem n-ten Auslöseimpuls, und y) ein Geschwindigkeitskorrekturterm für die im Schritt a) berechnete Position XGn des Messkopfes
    XV = Vn.TLn = Vn-
    NXn fw mitTui = Zeitdauer des n-ten Laufzeitimpulses, und e) dass als Auswerteergebnis die geschwindigkeitskorri-gierte Messkopfposition
    XA = XG + XV
    und/oder die mittlere Messkopfgeschwindigkeit V ausgegeben wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an den Schritt c) Impulszählungen wie im Schritt b) durchgeführt werden und aus den in drei Zählintervallen ermittelten Zählerständen die Beschleunigung des Messkopfes berechnet wird
    An = 2 1
    Vn — Vn-I
    (NTn + NTn-l) At
  7. 7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch:
    eine Zählergruppe bestehend aus dem mit dem Wegoszillator (20) verbundenen Wegzähler (22) und dem mit dem Zeitoszillator (26) verbundenen Zeitzähler (30) ;
    eine weitere Zählergruppe bestehend aus dem mit dem Wegoszillator (20) verbundenen weiteren Wegzähler (24) und dem mit dem Zeitoszillator (26) verbundenen weiteren Zeitzähler (28);
    eine mit dem Messsystem (12) verbundene und durch die Auslöse- und Echoimpulse gesteuerte Zählerumschaltlogik (32) zum Einschalten einer Zählergruppe bei jedem Laufzeitimpuls, zum Stoppen des Wegzählers dieser Gruppe beim zugehörigen Echoimpuls und des Zeitzählers dieser Gruppe beim nächsten Auslöseimpuls und zum gleichzeitigen Einschalten der anderen Zählergruppe; und einen mit der Zählerumschaltlogik (32) und den Zählergruppen verbundenen Rechner (40) zum Triggern der Auslöseimpulse, Steuern der Zählerumschaltlogik (32) und Auswerten der Zählerstände.
  8. 8. Anordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine mit der Zählerumschaltlogik (32) über eine Schnittstelle (36) mit dem Rechner (40) verbundene Kontrollogik (34), die dem Rechner (40) den Status einer Messdaten bereithaltenden Zählergruppe liefert.
  9. 9. Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine neben der Kontrollogik (34) vorgesehene Unterbrechungslogik (46) zum Unterbrechen des Programmablaufs im Rechner (40) bei zur Auswertung bereitstehenden Messdaten.
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