DD204151A5 - Verfahren und anordnung zum auswerten von signalen aus einem ultraschallwegmesssystem - Google Patents

Abstract

Bei dem Verfahren und der Anordnung werden extern getriggerte Ausloeseimpulse ueber einen magnetostriktiven Leiter (14) geschickt und ergeben Echoimpulse. Weg- und Zeitoszillatorimpulse werden durch zwei Zaehlergruppen (22, 30; 24, 28) gezaehlt, und aus den Zaehlerstaenden wird die geschwindigkeitskorrigierte Position eines Messkopfes (16) berechnet. Dadurch laesst sich bei hoeherem Messdurchsatz die Genauigkeit der Auswertung der von dem Ultraschallmesssystem (12) gelieferten Impulse wesentlich vergroessern, es koennen weitere Messinformationen (Geschwindigkeit und Beschleunigung) ueber den sich bewegenden Messkopf (16) erzielt werden, und es ist eine absolute Messung moeglich. Ausserdem ist die Aufloesung der gemessenen Wegstrecke ueber die Frequenz des Wegoszillators (20) beliebig waehlbar.

Description

15 266 57

2443 10 7

Verfahren und Anordnung zum Auswerten von Signalen aus einem Ultraschallwegmeßsystern

Anwendunasaebiet der Erfindunq:

Die trfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Auswerter, von Signalen aus einem Ultraschallvvegrneßsystem .

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:

Sin solches Ultraschaiivvegmeßsystem ist beispielsweise aus der US-FS 3 398 555 bekannt. 3ei diesem Meßsystem erzeugt ein Oszillator Auslöseinpulse mit für den jeweiligen Magnetos t riktiven Leiter fester und von dessen Länge abhängiger Frequenz, die zwischen SGOO Hz bei kurzen Leitern und 2000 Hz oei langen Leitern schwankt, Dieser feste auslcseimpuistakt ist nachteilig, weil er einen bestimmten Meßdurchsatz festlegt, der-nicht vergrößert werden kann. Auch wenn der Echoimpuls kurz nach dem Auslöseimpüls erscheint, weil sich der Meßkopf in geringer Entfernung vom Empfänger des Meßsysterns befindet, muß mit dam nächsten Auslöseimpuis die durch dia Taktfrequenz des Oszillators festgelegte Zeit gewartet werden, 'oe^'or eine neue Messung Gemacht werden kann. Im übricen wird die Aurlösuno 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 Wegoszillatorfrequenzea erreicht, die nicht mehr verarbeitbar sind. Schließlich eignet sich das bekannte Ultraschallwegmeßsystem nur zur Messung der Position eines stillstehenden Heßkopfes. Würde sich der Meßkopf bewegen, so würde wegen der endlichen Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschallechoimpuises (ca. 2800 m/s) ein Fehler hervorgerufen, der die Verwendung des Systems bei hochgenauen Werkzeugmaschinen, beispielsweise bei großen Zahnradschleifmaschinen, unmöglich machen würde,

Weiter sind ein Verfahren und eine Anordnung zum inkrementalen Messen der Rslativlage zweier Objekte mittels Ultraschallwellen bekannt (DE-OS 28 33 369), dia eine größere Genauigkeit als das bekannte Ultraschallwegmeßsystem. ergeben, indem bei ihnen die Phasenlage zwischen einer 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 Auswerteverfahren nicht von der Amplitude des ausgesandten Auslöseimpulses und des empfangenden Echoirapulses abhängig ist. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß keine absoluten Messungen möglich sind.

Ziel der Erfindung:

Mit der Erfindung sollen die Mangel des Standes der Technik beseitigt werden.

-3- <CH H J I U

Darlegung des Wesens der Erfindung:

Oer Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem mit einem magnetostriktiven Leiter gearbeitet wird, 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, die von einem Wegoszillator erzeugten Impulse in einem Wegzähler gezählt werden, so zu verbessern, daß bei gleichzeitig höherem Meßdurchsatz die Genauigkeit der Auswertung der vom Ultraschallmeßsystem gelieferten Impulse wesentlich größer ist, außerdem weitere Meßinformationen über den sich bewegenden Meßkopf erzielt werden können und eine absolute Messung ermöglicht wird.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet,

a) daß die Auslöseimpulse extern getriggert werden,

b) daß zusätzlich zu dan während eines Laufzeitimpulses gezählten Wegoszillatorinipulsen die Impulse eines Zeitoszillators zwischen einem ersten und einem zweiten Auslöseimpuls von einein Zeitzähler gezählt werden,

c) daß- 'während des nächsten Laufzeitimpulses die Impulse das Wegoszillators von einem weiteren Wegzähler und zwischen dem zweiten und einem dritten Auslösairnpuls die Impulse des Zeitoszillators von einem weiteren Zeitzähler gezählt werden,

d) daß aus den ermittalten Zählerständen berechnet werden:

die Position des Meßkopfes

" Ό — MV ,« A^ /Vo = PIA * -i_k A

— 4· -

O I U /

mit

η = letzter von mehreren Laufzeitimpulsen XG = gemessener Positionswert nach η Laufzeitimpulsen NX = Anzahl der Wagzählerimpulse innerhalb

eines Laufzeitimpulses A * = »Veginkrement = V. /f_y,

= Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeit

Wegoszillatorf requenz ß) die mittlere Geschwindigkeit des Meßkopfes

V_n = ^Δχ . ^HXn - ^NXn-l

Δ t NT_n

mit

.V. = Geschwindigkeit des Meßkopfes nach η

Laufzeit impulsen At = Zeitinkrement = 1 '1

_ Zeitoszillatorfrequenz

MT = Anzahl der Zeitzählimpulse zwischen dem (n-l)-ten und dem η-ten Auslöseimpuls, und ein Geschwindigkeitskorrekturterm für die im Schritt If") berechnete Position XG des Meßkopfes

^NXn ^XV = ^Vn * ^TLn = ^Vn ' —

mit T. = Zeitdauer des η-ten Laufzeitimpulses, und

e) daß als Auswerteergebnis die gescnwindigkeitskorrigierte Meßkopfposition

XA = XG + XV

und/oder die mittlere Meßkopf geschwindigkeit V ausgeaeben wird.

_{| M} u- _{m m}

4 4 J 1 U 7

Während bei dem bekannten Ultraschallwegmeßsystem der Auslöseimpulsoszillator Auslöseirapulse mit fester Taktfrequenz liefert, die einen bestimmten Meßdurchsatz festlegen, wird bei dem Verfahren nach der Erfindung der Auslösimpuls extern getriggert, was ermöglicht, sofort nach dem Auftreten eines Echoimpulses erneut einen Auslöseimpuls zu erzeugen. Das Verfahren und die Anordnung nach der Erfindung sind dbai so ausgelegt, daß ein universeller Betrieb des Meßsystems möglicht ist, d.h. es kann sowohl mit festem Meßtakt (synchron) als auch mit veränderlichem Meßtakt (asynchron) gearbeitet werden. Es lassen sich mit 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 zwischen 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 durch die externe Triggerung der Auslöseimpuise 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, d.h. ein kleines vVeginkrement, ist der Quotient aus der Ausbreitungsgeschwindigksit des UItrascha.llecnoimpulses und der vVegoszillatorf requenz) .

Die von den beiden Zählergruppen gelieferten Zählerinhalts werden zur Berechnung der Position, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung des Meßkopfes von dem dia externe Triggerung der Zählerumschaltlogik bewirkenden Rechner verarbeitet, der die entsprechenden Meßergebnisse auch aus-Qlbz .

Z. 4 4 J IU

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung (Anspruchspunkt 8) übermittelt die Kontrollogik dem Rechner Kontrollsignale darüber, welche Zählergruppe Meßdaten zur Auswertung 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 PositionsmeBwert ermittelt, wodurch die Positionsmeßgenauigkeit wesentlich erhöht wird.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform (Anspruchspunkt 9) läßt sich die Dynamik des MeSdurchsatzss verbessern, weil die Unterbrechungs- oder Interruptlogik nach jeder Messung den Programmablauf im Rechner unterbricht, so daß dieser die Auswertung der MeCidatsn 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 ferromagnetiscnen Eigensschaf ten (ζ.3. 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.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens (Anspruchspunkt 2) wird deshalb die gemessene Position

C H H J I U /.

des Meßkopfes noch mit einem diese Nichtlinearitäten des magnetostriktiven Leiters berücksichtigenden Linearitätskorrekturterm korrigiert, um die Genauigkeit wieder zu verbessern. Der Linearitätskorrekturterm V/ird dabei am zu messenden Objekt, d.h. im endgültig eingebauten Zustand des Meßsystems, ermittelt, indem beispielswiese an dem zu messenden Objekt, z.3. einer Zahnradschleif maschine, eine Eichung der Anordnung mit noch einem genaueren Meßsystem, beispielsweise einem Laserinterfercmeter, durchgeführt wird.

Es'ist auch zweckmäßig, wenn man die Position des Meßkpfes zusätzlich noch mit einem Temperaturkorapensationsterm korrigiert, durch den bei einem Sinsatz des Meßsystems in Umgebungen mit stark unterschiedlichen Temperaturen die Meßgenauigkeit weiter verbessert wird.

Schließlich ist es auch noch günstig, wenn man die Posi- tion des Meßkopfes hinsichtlich der unterschiedlichen Nullpunkte des zu messenden Objekts und des Meßsystems, korrigiert, damit am Ende die auf den Mullpunkt des zu messenden Objekts bezogenen Positionswerte ausgegeben werden können, d.h. z.3. bei einer Zahnradschleifmaschine die genaue Position des mit dem Schleifscheibenträger verbundenen Meokopfes bezüglich des i-iaschinennullpunkts . ,

Daher kann (Änspruchspunkt 5) sin Positionsmeßwert ausgegeben werden, der hinsichtlich der Temperatur der Meßumgebung, der Geschwindigkeit des Meßkopfes vyährend der Messung, der Nichtlinearitäten des magnetostriktiven Leiters und der unterschiedlichen Nullpunkte zwischen Meßsystsm und Meßobjekt korrigiert ist.

Sei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (Anspruchspunkt 5) läßt sich als weitere Information die Be-

-S-

- 8 - L·** I* O \ {J

schleunigung 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 Rückführungsgrößen bei ihm berücksichtigt werden.

Ausführungsbeispiel:

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben» Es zeigen:

Fig. 1: ein Blockschaltbild der Anordnung nach der Erfindung,

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 Linearitätskorrekturterms und des Tempsraturkompensationsfaktors und

Fig. 5: ein Beispiel für die Verwendung der in Fig, I dargestellten Anordnung in einem

In Fig. 1 ist eine Anordnung zum Verarbeiten und Auswerten von Signalen insgesamt mit 10 bezeichnet. Die Anordnung

ist einem bekannten Ultraschallwegmeßsystem 12 zugeordnet. Die Funktionsweise eines solchen Ultraschallwegmeßsysteras beruht auf dem Prinzip der Magnetostrikten bei bestimmten ferromagnetischen Materialien. Die Meßgröße ist dabei die Laufzeit eines Ultraschallimpulses zwischen zwei Punkten auf einem magnetostriktiven Leiter 14, die vereinfacht als ein Stab dargestellt ist. An einem Ende des Leiters befindet sich ein elektronischer Sender (nicht dargestellt.) und ein elektronischer Smpfänger E. Längs des Leiters 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 Hagnetfeld trifft mit dem longitudinalen Magnetfeld des Permanentmagneten zusammen, wodurch für die Dauer des Auslöseimpulses in dem Leiter ein Torsionseffekt erzeugt wird, welcher einen Ultraschallimpuls bewirkt, den der Empfänger Ξ als Echoimpuls empfängt. Wenn dia Zeit zwischen dam Ausiöse.inipuis und dem empfangenen Echoimpuls gemssen 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 Digitalsignals während der Zeit zwischen dem Auslöseimpuls und dem Echoimpuls die von einem Wegoszillator 20 erzeugten Impulse gezählt und in eine Zifferanzsige (nicht dargestellt) umgesar.dalt werden können .

Die Anordnung 10 enthält den Wegoszillator 20, der mit hoher Taktfrequenz.(z.3. 125 MHz) Impulse liefert, welche einem ersten Wegzähler 22 und einem zweiten Wegzähler 24 zugeführt werden. Weiter enthält die Anordnung 10 einen Zeitoszillator 25, der ebenfalls mit hoher Taktfrequenz Impulse liefert, die einem ersten Zeitzähler 28 und einem zweiten Zeitzähler 30 zugeführt warden. Dis.se vier Zählsr

- 10 -

- 10 - *. H H *J I U

sind mit einer Zählerumschaltlogik 32 verbunden, welche die Zahler so ansteuert, daß stets eine Zählergruppe, z.B. der erste Wegzähler 22 und der zweite Zeitzähler 30 Wegoszillatorimpulse bzw.- Zeitoszillatorimpulse zählen, während die 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 Schnittstelle 35 und einen Systembus 38 aus einem Rechner 40 Auslöseimpulse, die jeweils einen Meßvorgang auslösen, empfängt. Die Kontrollogik 34 gibt die Auslöseirapulse an die Zählerumschaltlogik und über eine Zuleitung 50 an eine Eingangsstufe 18 des Meßsystems 12 und an ein in der Eingangsstufe 18 enthaltendes Flipflop 42 ab. Eine Rückleitung 44 führt von dem Meßsystem 12 über das Flipflop 42 zu der Zählerumschaltloaik 32 und der Kontrollogik 34. Das Flipflop 42 wird jeweils durch einen Ausloseimpuls 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 Zählarumschaltlogik 32, die bei dem Beginn jedes Laufzeit impulses 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 Flipflop 42 ist noch eine Unterbrechungslogik 46 verbunden, die über die Schnittstelle 36 und den Systembus 33 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 Synchronbetrisb der Anordnung von 3edeutuna sind , was ebenfalls weiter unten erläutert ist.

11 -

- IJ. -

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 Polaritätszuordnung erforderlich, damit die einzelnen Meßkanäle von dem Rechner 40 entsprechend der Wichtigkeit der von den Kanälen gelieferten Meßdaten bedient werden.

Q'oer den Systembus 38 können die Meßdaten direkt als Digitalsignale ausgegeben werden. Für den Fall, daß die Ausgangssignale in Analogform erwünscht sind, ist ein D/AWandler 48 vorgesehen, der die Meßsignale X (Meßkopfposition), V (Meßkopfgeschwindigkeit) und A (Meßkopfbeschleunigung ) abgibt.

Die Eingangsstufe 13 mit dem Flipflop 42 ist in unmittelbarer Nähe des Meßsystems 12 angeordnet, so daß zwischen beiden Leitungen von vernachlässigbarsr Länge vorhanden sind. Zwischen derSingangsstufe 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 sr.zuschliaSen , ohna daß dadurch die Laufzaitimpulsiange beeinflußt wird.

Die Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten Gesamtanordnung wird nun unter Bezugnahme auf das in Fig. 2 gezeigte Impulsdiagramm näher beschrieben. 'Nenn 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 ΐ _-»), wird gleichzeitig auch die Zahlerumschaltlocik betätigt; die (in dem in Fig. 2 dargestellten Seispiel) den zweiten

- 1 9 _

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 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. Währenddessen lauft der zweite Zeitzähler bis zum Erscheinen des nächsten Auslöseimpulses (Zeitpunkt

t _o) weiter* η — c.

Beim Erscheinen das zweiten Auslöseimpulses wird der zweite · Zeitzähler gestoppt und der erste Zeitzähler, sowie 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 t, _Ί) Zeitoszillatorimpulse zählen.

3eim Erscheinen des dirtten Auslöseimpulses wird wieder der erste Zeitzähler gestoppt und der zweite Zeitzähler, sowie über die Hin- und Rückleitung zum Flipflop 42 der srste ft'egzähler, eingeschaltet.

Während des nun ablaufenden dritten Laufzeitimpulses zählt der erste Wegzähler die /Yegoszillatorimpulse bis zum Erscheinen des nächsten Echoimpulses, während der zweite Zeitzähler Zeitoszillatorimpuise bis zum Erscheinen des vierten Auslöseimpulses (Zeitpunkt t_n) zählt, usw.

Diese Methode ermöglicht eins mittlere Geschwindigkeit zwischen zwei Positionsmessungsn , unabhängig vom Meßauslösetakt zu berechnen.

- J.O-

- 13 - 14 4 J I U /

Die Geschwindigkeitsberechnung kann als Meßinforraation beispielsweise in einem Regelkreis als weitere Rückführgröß verwendet oder aber, was in dem hier beschriebenen 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:

XG_n = NX_n . Δ x

mit η = letzter von mehreren Laufzeitimpulsen XG = gemessener Positionswert nach η Lauf-

zeitimpulsen NX = Anzahl der Wegzählimpulse innerhalb

eines Laufzeitimpulses Δ x = Weg in krem ent = V./f_;._y

= Ultraschallausbreitungsqeschwindiqkeit

Wegoszillatorfrequenz

Anschließend berechnet der Rechner aus zwei Positionsmessungen eine mittlere Geschwindigkeit des Meßkopfes, d.h. dessen Geschwindigkeit zwischen zwei Wegmessungen·, gemäß den in Fig. 3 als Seispiel angegebenen beiden oberen Diagrammen X(t) und V(t) nach folgender Beziehung:

V = AJL . NX_n - ^NXn-l At —

^NTn

mit V = Geschwindigkeit des Meßkopfes nach η

Laufzeitimpulsen

A 1 1

ZIt = Ze it in Krem ent =< =

Ni = Anzahl der Zeitzählirapulse zwischen dem

f Zeitoszillatorfreque ählirapulse zwischen der (n-i)-ten und dem η-ten Auslöseimpuls»

- 14 -

-14- Lk k 5 I U /

Wenn die vorstehend berechnete Geschwindigkeit V 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

^fW

mit T, = Zeitdauer des η-ten Laufzeitimpulses .

Als Auswerteergebnis wird dann die geschwindigkeitskorri Qierte Meßkoofposition

XA = XG +· XV

von dem Rechner 40 ausgegeben. Zusätzlich oder statt dessen wird die berechnete mittlere Meßkopf geschwindigkeit V ausgegeben , die beispielsweise in einem Regelkreis als Rückführungsgröße benutzt werden kann, wie unter Bezugnahme auf Fig. 5 weiter unten noch nahcsr beschrieben.

Zusätzlich wird dann noch die berechnete Position XG des Meßkopfes mit einem die Nichtlinearitätan des magnetostriktiven Leiters berücksichtigenden Linearitätskorrekturte rrn 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 15 verbunden ist.

Für diese im folgenden näher erläuterten Korrekturen werden die im folgenden definierten Bezeichnungen benutzt:

¹ N: Anzahl der Zählimpulse

MX: Anzahl der VVegzähliinpulse

MT: Anzahl der Zeitzählimpulse

Δχ : Weginkreraent (Weginf orination eines Wegzählimpulses)

- 15 -

- is - L· t* i* ο ι υ

At: Zeitinkreraent (Zeitinformation eines Zeitzählimpulses)

XG: gemessener Positionswert XV: geschwindigkeitsabhängiger Korrektur-Positionswert XL: linearitätsabhängiger Korrektur-Positionsvvert

XO: Positionswertabweichung durch Differenz zwischen Nullposition des Meßobjektes und Mullposition des Meßsystems

XA: Ausgabevvert Position

VA: Ausgabewert Geschwindigkeit AA: Ausgabewert Beschleunigung f_: Frequenz des Zeitoszillators F.: Frequenz des Wegoszialltors V^: Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalls

T. : Zeitdauer des Laufzeitimpulses

Ermittlung des· Weginkrements Ax:

Streng physikalisch ist das yVeginkrement durch die Bezie-

Δ u

''N

gegeben. Da jedoch die Ausbreitungsgeschwindigkeit in verschiedenen Meßsystemen nicht genau gleich ist, wird das Weginkrement gemäß dem Schema-in Fig. Aa ermittelt. Es werden anr- Leiteranfang X. und .am- Leiteren-ds, Χ,.» - .mit Hilfe des Meßsystems und der Auswerteanordnung mehrere Messungen gemacht. Mit eineirr. Laserinterf erometar wird die Strekke X^c- zwischen dem Leiteranfang und dem Leiterende exakt gemssen

Das Weginkrement wird dann folgendermaßen definiert:

- 16 -

Die Werte NXp und NX, 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 Ultraschallmeßsystem und der Auswerteanordnung erhalten wird, während die Kurve b durch eine Messung mit dem Laserinterferometer erhalten wird.

In einem festen Abstand zwischen ΝΧ_Λ und NX,- werden Messun· gen mit dem Ultraschallmeßsystem und der Auswerteanordnung sowie dem Laserinterferometer gemacht. Der den Meßpunkten P zuzuordnende Korrekturwert X, laßt sich dann durch folgende Beziehung ermitteln:

Vi — { MV Λ ν ¹I -V λ. { MV Λ ν^

(π) ^s (η) ' REF(n) ^v A '

wobei NX. τ χ als "Maßstab-Null" angenommen wird , während Xrpt-,-, , der durch die Lasermessung am Meßpunkt P erhaltene Wert ist. Wichtig ist, daß die Linearitätskorrekturwerte im. montierten Zustand des Meßsystems ermittelt 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 vorgesehen. Diese, wird wie folgt in die Berechnung eingesetzt;

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 folgende Definition:

L·. H

TFX und

NX ΝΧ_(Τ)

^RFX(20°C) = ^λ

In der Praxis wird TFX mit Δχ vorberechnet, so daß die 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 Korrekturwerte wird dann als korrigierte Position XA des Meßkopfes von der Anordnung ausgegeben

XA = XG . TFX + XV + XL + XO.

Die hier beschriebene Anordnung gestattet schließlich noch, auf Grund von drei Positionsmessungen auch die^;Beschleunigung des Meßkopfes gemäß den Diagrammen in Fig. 3 nach folgender Beziehung zu berechnen:

V-V ⁿ

^An -

^NTn-l ^At

Die Auswerteanordnung gestattet somit, auf Grund der bei den Messungen durch die Wegzähler und die Zeitzähler ermittelten Daten die¹ Position (korrigiert'oder unkprrigiert, je nach Bedarf und Geschwindigkeit des Meßkopfes), die Geschwindigkeit und die Beschleunigung des Meßkopfes zu berechnen und auszugeben.

Dia von der Auswerteanordnung gelieferten Ergebnisse lassen sich beispielsweise in einem Regelkreis auf die in Fig. 5

- IS -

- 18 - *.*♦ ·♦ sJ I W

angegebene Weise ausnutzen.. Gans allgemein lassen sich die Eigenschaften eines geregelten Systems durch die Rückführung weiterer Zustände wesentlich verbessern» Während die Messung von solchen weiteren Zustanden 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 Rückfürhung von Geschwindigkeitsund ßeschleunigungszuständen. 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 T₁ , r~ bzw. Γ-,, faßt sie in einem Addierglied zusammen zu einem Istwert, der in einem Vergleicher mit einem ebenfalls vom Rechner gelieferten Sollwert S₁ verglichen wird, wobei dann die Differenz die Stellgröße darstellt, die über den D/A-Wandler 48 auf 'die Regelstrecke gegeben wird.

Die gemäß Fig. 2 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 Meßkanä-ie mit dem Rechner verbunden sind) Meßdaten zur Verarbeitung bereithält. Die daneben vorgesehene Unterbrechnungslogik erlaubt, nach jeder Messung den Programmablauf im Rechner zu unterbrechen, damit sich der Rachner 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

- 19 -

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 managet 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 .

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 vom Rechner abgeholt zu werden brauchen. Der feste Takt zwischen den HeSauslösungen ergibt in diesem Fall nämlich eine konstante Zeitinformation.

Im asynchronen Betrieb ist die Verwendung der Unterbrechungslogik 46 von großer Bedeutung, weil in diesem Fall die Auslöseimpulse in unterschiedlichen Abstanden 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 ausnutzen zu können, wird die Unterbrechungslogik 46 benutzt.

Der Rechner kann sich in einem Hauptprogramnv .mit irgendwelchen Abläufen befassen. Ist nun eine Messung abgeschlossen, so unterbricht die Unterbrschungslogik 46 den Hauptprogrammablauf, und der Programmzähler springt sofort in die Ultraschalldatenabarbeitungsroutine, welche eine neue Messung auslöst und die anliegenden Daten verarbeitet. Anschließend erfolgt der Rücksprung ins Hauptprogramm an die Stelle, wo der Absprung erfolgte.

- 20 -

Es sind Immer alle Meßkanäle an die Unterbrechungslogik 46 angeschlossen» Die Abarbeitungsreihenföle mehrerer Heßkanäle kann mittels Prioritäten, welche über den Rechner in der Unterbrechungslogik gesetzt werden, beliebig gewählt und jederzeit geändert werden.

Bei mehreren Meßsystemen könnte auch ein gemischter Betrieb gewählt werden»

Selbstverstädnlich kann auch ohne Unterbrechungslogik gearbeitet werden, weil der Rechner den Status der Anordnung 10 über die Kontrollogik 34 abfragen kann. Diese ist durch ihre direkten Verbindungen mit den Zeitzählern 28 und (wie in Fig. 1 dargestellt) stets über deren Status informiert, welcher immer angibt, welche Zählergruppe welches Meßkanals Meßdaten bereit hält.- Allerding ist in diesem Fall der Meßdurchsatz reduziert,, weil im. Hauptprogramm 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 zagen.

Der 'Einfachheit halber ist eine konstante Abtastzeit (bzw. Auslöseimpulsrate) angenommen. In der Praxis gilt dies über einen kurzen Zeitpunkt mit vernachlässigbarem Fehler auch für den asynchronen Setrieb.

Aus den Kurven ist ersichtlich, daß die Genauigkeit der 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 Meßtakt ausmachen .

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Claims (7)

1. Z44J1U 7

   Erfindungsanspruch

   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 (im folgenden als Laufzeitimpuls bezeichneten) Signallaufzeit, d.h. in 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 Wegzähier gezählt werden, gekennzeichnet dadurch,

   a) daß die Auslöseimpulse extern getriggert werden,

   b) daß zusätzlich zu den während eines Laufzsitimpuises gezählten Wegoszillatorimpulsen die Impulse eines Zeitoszillators zwischen einem ersten und einem zweiten Auslöseimpuls von einem Zeitzähler gezählt warden,

   c) daß während des nächsten Laufzeitimpulses.die- Impulse des Wegoszillators von einem weiteren Wegzähler und zwischen dem zweiten und einem dritten Auslösim.puls die Impulse des Zeitosziliators von einem weiteren Zeitzähler gezählt werden,

   d) daß aus den ermittelten Zählerständen berechnet werden

   die Position des Meßkopfes

   - 22 -

   - 22 - ι--H *+ +J I

   mit

   η = letzter von mehreren Laufzeitimpulsen XG = gemessener Positionswert nach η Laufzeitimpulsen
   NX = Anzahl der Wegzählimpulse innerhalb

   eines Laufzeitirapulses Δ χ = Weginkrement = V,/f,_:y

   = Ultraschallausoreitungsgeschwindigkeit

   Wegoszillatorfrequenz ß) die. mittlere Geschwindigkeit des Meßkopfes

   ^Vn =

   ^NTn

   V = Geschwindigkeit des Heßkopfes nach η Laufzeitimpulseη

   At =. Zeitinkretnent = —^— = =

   Zeitoszillatorfrequenz

   l
   (n-l)-ten und dem η-ten Auslöseirnpuls , und

   NT = Anzahl der Zeitzählimpulse zwischen dem

   ) ein"Geschwindigkeitskorrekturterm für die im ichri
   :opf es

   Schritt s6) berechnete Position XG des Meß-

   ^{XV = V}n · ^TLn

   mit T, = Zeitdauer des η-ten Laufzeitimpuises, und

   e) daß als Auswerteergebnis die geschwindigkeitskorrigierte Meßkopfposition

   und/oder die mittlere Meßkopf geschwindigkeit V ausgegeben wird.

   - 23 -

   - 23 - L· H H U I W
2. 2.- Verfahren nach Punkt L,¹ gekennzeichnet dadurch, daß die Position XG des Meßkopfes mit folgendem , die Nichtlinearitäten des magnetostriktiven Leiters berücksichtigenden Linearitätskorrekturterm korrigiert wird

   ^XL(n) = <^NX(n) *'^Δ*> -^XREF(n) ⁺ <^NXA * ^Δχ>

   mit Δχ =

   ^XREF

   ^NXE(i) ^NXA(i)

   1=1 - i=l

   wobei gilt:

   XL, , = Wegdifferenz zwischen Messung mit Laserinter-

   ferometer und Ultraschallmeßsystem am Meßpunkt P

   X = Anfang des magnetostriktiven Leiters X₌ = Ende des magnetostriktiven Leiters X₁₃ - Strecke X, X^ , gemessen mit Läserinterferometer NX_n.,, . . = Anzahl der Wegzählimpulse bei einer von i Messungen am Leiteranfang

   MX₁.., = Anzahl der vVegzählimpuise bei einer von i Messungen am- Leiterende

   NX. . = Anzahl der Wegzählimpulse, gemessen mit Ultraschallmeßsvstem am Meßpunkt P, zwischen X, und

   X_OCr-' \ = Streckenmessung am Heßpunkt P Läse rinterf erornetei
3. 3. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die . Position XG des Meßkopfes mit einem Temperaturkompensationsfaktor

   ^ιΓΛ;τ)

   - 24 -

   korrigiert wird, für den bei 20°C der Wert 1 angenommen wird und der mittels mehrerer Messungen bei anderen Temperaturen im voraus berechnet wird.
4. 4. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Position XG des Meßkopfes mit einem- die Abweichung zwischen der Nullposition des Meßkopfes und des Empfängers berücksichtigenden Korrekturterm XO korrigiert wird.
5. 5. Verfahren nach Punkt 1 bis A₁ gekennzeichnet dadurch, daß als korrigierte Position XA des Meßkopfes ausgegangen wird

   XA = XG . TFX + XV + XL + XO*

   Verfahren nahe einem der Punkte 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß im Anschluß an den Schritt c) Impulszählunaen wie im Schrift b) durchgeführt werden und aus den in drei Zählintervalien ermittelten Zählerständen die Beschleunigung des Meßkopfes berechnet wird

   V-V_{1
   A} _ ₉ η n-1
6. 7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Punkte 1 bis 6, gekennzeichnet durch: eine Zählergruppe bestehend aus dem mit dem Wegosziilator (20) verbundenen Wegzähler (22) und dem mit dem Zeitoszillator (25) verbundenen Zeitzähler (30);

   eine weitere Zählergruppe bestehend aus dem mit dem Wegoszillator (20) verbundenen weiteren VVegzahler (24) und dem mit dem Zaitoszillator (26) verbundenen weiteren Zeit zähler (28( ;

   eine mit dem Meßsystem (12) verbundene und durch die Auslöse- und 'Echoimpulse gesteuerte Zählarumschaltlogik (32)

   — 25 —

   - 25 - LM H J I U

   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» Anordnung nach Punkt 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.
7. 9. Anordnung nach Punkt S, gekennzeichnet durch eine neben der Kontrollogik (34) vorgesehene Unterbrechungslogik (45) zum Unterbrechen des Programmablaufs im Rechner (40) bei zur !!!.Auswertung bereitstehenden Meßdaten.

   — Hierzu 5 Slatt Zeichnungen -