DD211402A1 - Digitalisieranordnung grafischer strukturen im entwurfs- und messprozess - Google Patents

Abstract

Dargestellt ist eine Erfassungsanordnung fuer geometrische Strukturen im Konstruktions- und Messprozess, wobei die Position eines Schreib- und Erfassungssensors zu jedem Zeitpunkt ermittelt wird. Die Erfindung dient zur Rationalisierung des Konstruktions- und Messprozesses. Waehrend d. Zeichen- u. Messvorganges werden mittels des elektronischen Schreib- und Erfassungssensors auf einer Arbeitsflaeche elektrische Signale eingekoppelt. Der Schreib- und Erfassungssensor, die Arbeitsflaeche und die dazu gehoerige Auswertelektronik sind in einem Messsystem zusammengeschaltet, mit dem die Erfassungsgenauigkeit und -sicherheit gegeueber anderen Loesungen wesentlich erhoeht werden.

Description

Digitalisieranordnung grafischer Strukturen im Entwurfs« und Meßprozeß

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Positionsbestimmung eines Schreib- und Erfassungssensors auf einer ebenen Fläche. Die Anordnung findet im Konstruktions- und Meßprozeß Anwendung^ wobei sie zur geometrischen Bestimmung zweidimensionaler Objekte eingesetzt wird·

Mit dieser Anordnung ist die Lösung aller bisher bekannten konventionellen zeichen- und meßtechnischen Aufgaben möglich, insbesondere dort, wo eine elektronische oder rechentechnische Manipulation und Verarbeitung der Daten erfolgt·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Es sind technische Lösungen bekannt, bei denen die Koordinaten eines Punktes auf einer ebenen Fläche in elektrische Signale umgewandelt werden, wobei die Erfassung über Kraftmeßfühler (DB-AÜ 2013132), über piezoelektrische Wandler (DE-AS 2ff5367) oder durch Kontaktierung elektrischer Koordinatenleitungen oder durch Leiterstrukturen in der Fläche (DE-AS 1524455, DE-OS 2041504, DE-OS 2315546 und DE-AS 1549802) erfolgt·

Es sind auch Lösungen bekannt, bei denen Widerstandsänderungen zur Auswertung kommen (DE-AS 1943217, DE-AS 1965159, DE-AS

Weiterhin gibt es technische Lösungen, bei denen die Koordinateninfonnationen kapazitiv an einer Zeichen- und Erfassungskante eingekoppelt werden (DD-WP 146998). Bei diesem Prinzip

ist die Erfassung der grafischen Informationen an eine Zeichen- und Erfassungskante gebunden.

Es ist auch eine Lösung bekannt, bei der ein Zeichen- und Erfassungsgriffel auf einer definierten Arbeitsfläche frei bewegbar ist (DE-OS 2901601). Es erfolgte keine Aussage über die Art und Weise der Auswertung der gewonnenen elektrischen Signale und deren weiteren Verarbeitung· Weiterhin ist eine Vorrichtung zur Ermittlung von Punkt-Koordinaten auf einer ebenen Fläche (DE-AS 2357596) bekannt· Durch den Einsatz analoger Berechnungsschaltungen wird die Leistungsfähigkeit,auf Grund bekannter Nachteile analoger Schaltungstechnik in Verbindung mit Amplitudenauswertung! unzureichend ausgeschöpft.

Andere bekannte Vorrichtungen/Anordnungen verfügen entweder nur über eine geringe Auflösung und geringe Wiederholgenauigkeit oder ihre Arbeitsfläche ist zu klein, um exakte grafische Strukturen darauf abzubilden (DE-OS 2936975; TJS-P-3.567*859)·

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat zum Ziel den Konstruktions- und Meßprozeß zu rationalisieren.

Es sollen die Vorzüge des primären Zeichnens bzw· Messens mit der sofortigen Erfassung der geometrischen Struktur verbunden werden.

Die Erfassung der geometrischen Strukturen soll unabhängig von allen Zeichen-hilfsmitteln erfolgen.

Es soll ebenso die Arbeitsweise der traditionellen Zeichen- und Erfassungstechnologien möglich sein· Gegenüber bekannten technischen Lösungen, soll die Erfassungssicherheit und -geschwindigkeit wesentlich erhöht werden·

Wesen der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es eine Anordnung zur digitalgrafischen Erfassung geometrischer Strukturen simultan zum Zeichen- und Entwurfsprozeß zu entwickeln· Ausgangspunkt ist ein auf einer Arbeitsfläche aufgespannter Zeichnungsträger, auf den mittels eines Schreib- und Erfassungssensors, der mit einem konventionellen Zeichenmedium z#B. Tinte,

Tusche, Grafit, Lack usw. versehen ist, die geometrischen Strukturen aufgebracht wird. Während des Zeichen- und Entwurfs prozess es soll die Position des Schreib- und Erfassungssensors simultan ermittelt werden. Dabei soll die Position des Schreib- und Erfassungssensors sich aus einer Grob- und Peinposition zusammensetzen.

Erfindungsgemäß wird zur Positionsermittlung die Phasenlage der von der Arbeitsfläche kapazitiv oder induktiv in den Schreib- und Erfassungssensor eingekoppelten elektrischen Signale bezüglich eines Iformsignales gemessen» An der Phasenlage läßt sich auf die geometrischen Verhältnisse schließen.

Erlindungsgemäß besteht die Digitalisieranordnung grafischer Strukturen aus einer Arbeitsfläche, die mit einer mäanderfö'rmigen Leiterstruktur in zwei orthogonal zueinander stehenden Koordinatenrichtungen χ und y versehen ist· Die Leiterstruktur besteht aus drei, in zwei Koordinatenrichtungen, durchgehend mäanderförmig angeordneten elektrisch leitenden Drähten. Der Abstand der Drähte der Leiterstruktur ist ein binärer Wert oder ein Vielfaches davon.

Die Leiterstruktur ist in Gruppen von Drähten unterteilt, an deren Enden Ansteuerschaltungen zur Ermittlung der Grobposition angeordnet ist.

Weiterhin besteht die Digitalisieranordnung grafischer Strukturen aus einem Schreib- und Erfassungssensor, der über eine Impedanzwandlereinheit mit einem Auswerteverstärker verbunden ist. Dem Auswerteverstärker ist eine Koinzidenzauswertung nachgeschaltet. Das Signal der Koinzidenzauswertung wird der Ablaufsteuerung zugeführt.

Die Signale der Ablaufsteuerung wirken auf die Grobpositionszähler und Peinpositionszähler.

Die Ausgänge des Grobpositionszähler sind mit einer x-y-Ansteuerschaltung verbunden, welche die Arbeitsfläche ansteuert. ^>ie Ausgänge der Peinpositionszähler sind mit einer Schaltung zurx^igitalen Phasenaufbereitung verbunden. Diese Phasenaufbereitung ist mit der x-y-Ansteuerschaltung verknüpft.

Weiterhin sind die Ausgänge der Feinpositionszähler mit einem Feinpositionsspeicher verbunden, mit dessen Hilfe eine Transformation der elektrischen Phasenlage in Lagekoordinaten erfolgt.

Die Ausgänge des Grobzählers und des Feinpositionsspeichers stellen den höherwertigen- und den niederwertigen Teil des Patenwortes dar, der die Position des Schreib- und Erfassungssensors für eine Koordinatenrichtung repräsentiert· Die Position des Schreib- und Erfassungssensors setzt sich aus einer Grob- und einer Feinposition zusammen· Die Grobposition des Schreib- und Erfassungssensors ist ein Feld der Arbeitsfläche, daß mehrere Drähte der Leiterstruktur in der Arbeitsfläche enthält.

Die Feinposition ist die exakte Lage des Schreib- und Erfassungssensors innerhalb der Grobposition· Durch Beaufschlagung zweier oder mehrerer Drähte der Leiterstruktur in der Arbeitsfläche mit Signalen unterschiedlicher Phasenlage zueinander oder bezüglich eines definierten Normsignales wird induktiv oder kapazitiv ein resultierendes Signal in den Schreib- und Erfassungssensor eingekoppelt, dessen Phasenlage bezüglich dieses ÜTormsignals den geometrischen Verhältnissen auf der Arbeitsfläche entspricht (Superpositionsprinzip).

Der Erfassungsvorgang wird gestartet durch Aufsetzen des Schreib- und Erfassungsensors auf die Arbeitsfläche· Damit wird der Grobzähler durch die Ablaufsteuerung gestartet und die xy-Ansteuerung beginnt schrittweise ein Signal zur Ermittlung der Grobposition einer Gruppe von Drähten der Leiterstruktur der Arbeitsfläche zu schalten. Es folgt die Ansteuerung der Drahtgnippe der Leiterstruktur auf der sich der Schreib- und Erfassungssensor befindet, wird ein Signal induktiv oder kapazitiv in den Schreib- und Erfassungssensor eingekoppelt nach der Impedenzwandlereinheit im Auswerteverstärker verstärkt, und einer Koinzidenzauswertung unterzogen. Als Ergebnis der Koinzidenzauswertung steht ein digitales Signal zur Verfügung, daß über die Ablaufssteuerung stoppen

des Grobsählers bewirkt. Der aktuelle Stand des Grobzählers repräsentiert die jeweilige Grobposition des Schreib- und Erfassungssensors.

Nach Ermittlung der Grobposition wird durch die Ablaufsteuerung die Feinpositionsabfrage gestartet. Ein Feinpositionszähler vollzieht eine Adreßzählung für zwei oder mehrere maskenprogrammierte Speicherschaltungen, deren schrittweises Auslesen digitale Informationen zur Generierung von harmonischen Signalen unterschiedlicher Phasenlage zueinander oder bezüglich eines Normsignals darstellt« Durch eine nachfolgende Digital-Analogwandlung werden diese harmonischen Signale erzeugt. _:

Mit diesen harmonischen Signalen wird die mäanderförmige Leiterstruktur der Arbeitsfläche über die x-y-Ansteuerschaltung beaufschlagt.

Mittels des Schreib- und Erfassungssensors wird kapazitiv oder induktiv ein resultierendes harmonisches Signal eingekoppelt, daß analog der Grobpositionsermittlung einer Koinzidenzauswertung unterzogen wird, wobei ein Koinzidenzsignal entsteht, wenn das eingekoppelte harmonische Signal einen Nulldurchgang aufweist.

Auf Grund des konstruktiven Aufbaus der mäanderförmigen Leiterstruktur der Arbeitsfläche existiert ein Gebiet gegenläufiger Phasenänderung (Fig 2 schraffiert dargestellt 24) in Abhängigkeit der Geometrie.

Deshalb hat geeigneter Weise an dieser Stelle eine Signalumschaltung zu erfolgen, so daß gleiche Phasenverhältnisse wieder hergestellt sind.

Mit Hilfe des Koinzidenzsignals wird über die Ablaufsteuerung der Feinpositionszähler gestoppt. Der aktuelle Zählerstand repräsentiert eine Phaseninformation, die der Position des S_chreib- und Erfassungssensors innerhalb der Grobposition entspricht.

Dieser aktuelle Zählerstand wird einem Feinpositionsspeicher als Adreßinformation zugeleitet. Der Inhalt dieses Peinpositionsspeichers entspricht dem Phasenverlauf innerhalb einer Grobposition.

Der Punktionsverlauf kann zum Einen exakt analytisch berechnet werden oder zum Anderen empirisch ermittelt werden· Die empirische Ermittlung des Punktionsverlaufes ermöglicht eine Kompensation technologischer Paktoren der Arbeitsfläche· Der adreßabhängige Inhalt des Peinpositionsspeichers entspricht einer Lagekoordinate der Peinposition» Danach erfolgt eine zweite Ermittlung von Grob- und Peinposition für die zweite Koordinate· Die gemessenen Lagekoordinaten des Schreib- und Erfassungssensors stehen dennoch zur weiteren Manipulation zur Verfugung.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Beispiel erläutert werden· Dabei zeigen:

Pig 1: Eine Digitalisieranordnung grafischer Strukturen im Entwurfs- und Meßprozeß

Pig 2: Eine Leiterstruktur der Erfassungsfläche mit Ansteuerschaltungen·

Die Erfassung der grafischen Informationen wird mittels eines Schreib- und Erfassungssensors 2 in Verbindung mit einer Arbeitsfläche 1, auf der ein Aufzeichnungsträger aufgespannt ist, vollzogen· Die Arbeitsfläche 1 verfügt über ein Leitungsnetz in zwei orthogonal zueinander liegenden Koordinatenrichtungen χ und y in einem Leitungsabstand von 12,8 mm· Der Leitungsabstand ist ein Vielfaches eines binären Wertes, das erweist sich als günstig, wenn eine digitale Meßwertverarbeitung erfolgt·

Die Leitungsabstände des Leitungsnetzes sind nicht mit der minimalen auflösbaren Rasterung einer Grafik identisch· Der Schreib- und Erfassungssensor 2 ist kapazitiv mit der Arbeitsfläche 1 gekoppelt· Zur exakten Erstellung grafischer Konstruktionsunterlagen wird der Schreib- und Erfassungssensor 2 an einem Zeichenmittel ζ·Β· Lineal, Schablone usw· geführt.

In dem Schreib- und Erfassungssensor 2 ist eine Impedanzwandlereinheit 3 eingebaut und mit einem Zeichenmedium im Schreib- und Erfassungssensor (z.B. Grafit) elektrisch verbunden. .

Die in den Schreib- und Srfassungssensor 2 eingekoppelten elektrischen Signale werden nach der Impedanzwandlereinheit in einem Auswerteverstärker 4 verstärkt· Für die Ermittlung der Position des Schreib- und Erfassungssensors 2 wird eine Grob- und Peinpositionsbestimmung durchgeführt. Zu diesem Zwecke ist in die Arbeitsfläche 1 eine mäanderförmig gelegte Leiterstruktur eingearbeitet, die für zwei Koordinateneinrichtungen aus je drei Drähten besteht. Die Arbeitsfläche 1 ist schaltungstechnisch durch die Ansteuersehaltungen 23.1 bis 23.η in Gruppen von jeweils drei Drähten unterteilt. Durch die Ansteuersignale 22.1 bis 22.n werden die Gruppen aktiviert. Zur Ermittlung der Grobposition wird ein Gleichsignal, das in den Mäanderdrähten 19; 20 j 21 anliegt, durch Aktivierung der Ansteuerschaltungen 23 den Dreiergruppen nacheinander zugeschaltet. Wird die unter dem Schreib- und Erfassungssensor befindliche Dreiergruppe zugeschaltet so empfängt der kapazitiv mit der Arbeitsfläche 1 gekoppelte Schreib- und Erfassungssensor 2 einen elektrischen Impuls, der über die im Schreib- und Erfassungssensor 2 befindliche Impedanzwandlereinheit 3 zu einem nachgeschalteten Auswerteverstärker 4 übertragen wird. Der verstärkte Impuls wird einer Koinzidenzauswertung 5 unterzogen. Diese liefert einer nachgeschalteten Ablaufsteuerung 6 ein digitales Signal. Daraufhin bewirkt diese, das ein nachgeschalteter Grobpositionszähler 7, der über der nachgeordneten X-Y-Ansteuerung das Aktivieren der Dreiergruppe auf der Arbeitsfläche 1 mit der Frequenz des Taktgenerators 9 bewirkt, gestoppt wird. Der Stand des Grobpositionszähler 7 repräsentiert die Grobposition 17.

Bs schließt sich die Ermittlung der Peinposition innerhalb der nun definierten Dreiergruppe an. Zur Ermittlung der Peinposition werden die Mäanderdrähte 19; 20; 21 mit jeweils zueinander um^ = 75° phasenverschobenen harmonischen Signalen angesteuert. Die Aufbereitung der phasenverschobenen Signale

erfolgt digital, derart das eine Digital-Analogwandlereinheit 15, die aus drei Digital-Analogwandlerbausteinen besteht, mit einer Folge digitaler Datenwörter beaufschlagt wird. Die Folge der Datenwörter entsprechen den jeweils drei pliasenverschobenen Sinussignalen. Synchron zur Frequenz des T_aktgenerators 9 erfolgt eine Adreßzuweisung durch den Feinpos it ions zähl er 10 an die maskenprogrammierten Speicherschaltungen 11, 12, 13 in denen die Sinusfunktionen phasenverschoben enthalten sind· Die Datenwörter der maskenprograinmierten Speicherschaltungen 11, 12, 13 gelangen über eine Datenumsehalteinheit 14 an die Digital-Analogwandlereinheit

Die analogen Ausgangssignale der Digital-Analogwandlereinheit 15 werden über die X-Y-Ansteuerung 8 an die mäanderförmige Leiterstruktur der Arbeitsfläche 1 geleitet· Mit dem kapazitiv gekoppelten Schreib- und Erfassungssensor 2 wird nach dem Superpositionsprinzip ein harmonisches Signal eingekoppelt, dessen Phasenlage, gegenüber eines der drei Ansteuersignale welches als Bezugssignal dient, der Wegänderung innerhalb der Grobposition auf der Arbeitsfläche 1 entspricht· Deshalb wird das eingekoppelte Signal nach einer Impedanzwandlereinheit 3 in einem Auswerteverstärkeriverstärkt und in der Koinzidenzauswertung 5 auf einen Hulldurchgang untersucht» Zum Zeitpunkt des Itfulldurchganges wird über die Ablaufsteuerung 6 der Feinpositionszähler 10 gestoppt· Der aktuelle Zählerstand entspricht einem Wert der gespeicherten Sinusfunktion und somit einer Phaseninformation· Zur Umsetzung der Phaseninformation in eine Weginformation wird ein Feinpositionsspeicher 16 mit der Phaseninformation adressiert. In den Feinpositionsspeicher 16 ist die Funktion X » f (5°) enthalten. Ausgangsseitig des Feinpositionspeicher 16 steht die Feinposition 18 zur Verfügung· Die absolute Position des Schreibund Erfassungssensors 2 setzt sich aus der Grobposition 17 und der Feinposition 18 zusammen. Durch die Verwendung der in Fig 2 gezeigten mäanderförmig gelegten Leiterstruktur entsteht jeweils zwischen zwei Dreiergruppen ein Bereich gegenläufiger Phasenänderung 24, der eine eindeutige Ermittlung

— g —

der Peinposition nicht'ermöglicht· Deshalb erfolgt durch die Datemmischalteinheit 14 eine /änderung der Ehasenzuordnung zu den Mäanderdrahten 19, 20, 21 derart, daß die Eindeutigkeit der Messung wieder gewährleistet ist. Zur Erkennung des "beschriebenen Sachverhaltes wird nach der Grobpositionsermittlung die jeweils folgende Dreiergruppe zusätzlich aktiviert. Wird erneut Koinzidenz festgestellt, so befindet sich der Schreib- und Erfassungssensor 2 im Bereich gegenläufiger Hiasenänderung 24·

Auf die gleiche Art und Weise erfolgt die Bestimmung der Koordinate y.

Claims (2)

Er f indungsans pru ch
1. •1. Digitalisieranordnung grafischer Strukturen im Entwurfsund Meßprozeß zur digitalgrafischen Erfassung geometrischer Elemente unter Verwendung eines frei führbaren Schreibund Erfassungssensors, einer Arbeitsfläche mit einer Leiterstruktur, auf der ein Zeichnungsträger gespannt ist, wobei während des Zeichen- und Entwurfsprozesses eine kapazitive oder induktive Signalkopplung zwischen Arbeitsfläche und dem Schreib- und Erfassungssensors besteht, derart, daß das resultierende Signal aus den harmonischen Ansteuersignaien von der Arbeitsfläche eingekoppelt wird, dieses über eine Impedenzwandlereinheit₉ einem nachgeschaltetem Auswerteverstärker einer Koinzidenzauswertung unterzogen wird gekennzeichnet dadurch, daß ein digitales Signal zu einer Ablaufsteuerung (6) geleitet wird, diese Ablaufsteuerung (6) mit einem Peinpositionszähler (10), einem Grobpositionszähler (7) und einer Adreßumschaltung (14) verbunden ist; weiterhin der Peinpositionszähler (10) mit maskenprogrammierten Speicherschaltungen (11;12;13), denen die Adreßumschaltung (14) nachgeordnet ist, verbunden ist, des weiteren ist die Adreßumschaltung (14) mit einer D/A-Wandlereinheit (15), die ausgangsseitig über eine x~y~Ansteuerung mit einer Arbeitsfläche (1) verbunden ist?

   daß des weiteren der Peinpositionszähler (10) ausgangsseitig mit einem Feinpositionsspeicher (16) verbunden ist, dessen Ausgänge die Peinposition repräsentieren und, daß ein Taktgenerator (3) mit dem Peinpositionszähler (10) und dem Grobpositionszähler (7), dessen Ausgänge die Grobposition repräsentieren, verbunden ist, wobei der Grobpositionszähler (7) mit der x-y-Ansteuerung (8) verbunden ist«
2. 2» Anordnung nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß der Peinpositionsspeicher (16) einenKennlinienverlauf f(x) entsprechend einer analytisch/meßtechnisch ermittelten Punktion besitzt.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.