DE2108929B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen eines Koordinatenwertes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen des Koordinatenwerts eines durch einen Fühler in einer Ebene ausgewählten Punktes gegenüber einem Bezugspunkt in dieser Ebene, die zur Festlegung der Parameter eines Koordinatensystems ein System von gegenseitig isolierten Leitern aufweist, denen jeweils vom Bezugspunkt ausgehend und von einem bestimmten Bezugszeitpunkt an elektrische Impulse oder ImpulsF>ihen zugeführt werden, wobei im Fühler durch kapazitive Kopplung mit dem am oder nahe am Punkt angeordneten, den Koordinatenwert fixierenden Leiter ein elektrisches Signal hervorgerufen wird, dessen Auftreten im Fühler einen zweiten Bezugszeitpunkt bestimmt, und wobei die zwischen diesen beiden Bezugszeitpunkten ausgesendete Anzahl von Imulsen oder Impulsreihen oder die zwischen diesen Bezugszeitpunkten verstrichene Zeit die Größe des zu messenden Koordinatenwerts, an dem der Fühler sich befindet, repräsentiert, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Eine derartige Vorrichtung ist an sr.h aus der amerikanischen Patentschrift 3342935 bekannt, nach der insbesondere die Bestimmung der rechtwinkligen Koordinaten eines Punktes beschrieben ist.

Bei diesem bekannten System wird eine verhältnismäßig verwickelte Interpolationsmethode zum genauen Bestimmen der Koordinaten eines nicht genau über einem der Leiter, sondern zwischen zwei bestimmten Leitern liegenden Punktes angewendet. Zu diesem Zweck wird ein gesonderter Generator zur Erzeugung von Sinusigfeolen benutzt, die den Gruppen von vier Leitern über Phasenschiebernetze derart zugeführt werden, daß zwischen nacheinander folgenden Sinussignalen stets eine Phasendifferenz von 90° gegeben ist. Die Bestimmung der Koordinaten erfolgt dann in zwei unabhängig voneinander durchgeführten Schritten, und zwar die Grobmessung mit Hilfe von Zählimpulsen und die Feinmessung mit Hilfe eines aus den vier phasenverschobenen Sinussignalen zusammengesetzten Fühlersignals.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art derart auszubilden, daß mit einfacheren elektronischen Maßnahmen dennoch eine genaue Bestimmung der Koordinaten erzielt werden kann und wobei insbesondere die Interpolation erheblich einfacher wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch die Vereinigung folgender Merkmale: a) die Impulse oder Impulsreihen jeweils zwei auf-

einanderfolgenden Leitern mit einer Phasenverschiebung von 90° zugeführt werden, b) der aus dem gegenseitigen Verhältnis der Spannungsspitzen der von den beiden Impulsen oder Impulsreihen zweier aufeinanderfolgender Leiter im Fühler erzeugten Signale ermittelte Meßwert das MaB des Abstandes des zwischen zwei Leitern beßrtdlichen Fühlers vom vorhergehenden Leiter bestimmt.

Eine bevorzugte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, daß das aus einer Impulsreihe bestehende Fühlersignal einem Schmalbandfilter zugeführt wird, das auf die Folgefrequenz der Impulse der Reihe abgestimmt ist, und daß als Maß für den Abstand der Fühlerspitze vom vorhergehenden Leiter die Phasendifferenz zwischen einem festen Bezugspunkt, der durch eineu der Impulse aus dem ursprünglichen Fühlersignal festgelegt wird, und einem festen Bezugspunkt gemessen wird, der in der richtigen Reihenfolge nach den> Sinus des Filterausgangssignals bestimmt wird.

Vorzugsweise wird hierbei das sinusförmige Filterausgangssignal in eine Impulsreihe mit gleicher Frequenz und Phase umgewandelt, und der Zeitunterschied zwischen dem Zeitpunkt der Vorder- und Hinterflanke eines Impulses aus dieser Reihe und dem Zeitpunkt eines entsprechenden Vorgangs in den der richtigen Reihenfolge entsprechenden Impulsen aus dem ursprünglichen Fühlersignal wird mittels eines Zeitmessers bestimmt.

Um zu vermeiden, daß Störimpulse am Fühler eine fehlerhafte Ablesung herbeiführen, werden den Leitern aus einer bestimmten Anzahl von Impulsen bestehende Impulsreihen zugeführt, wobei eine bereits durchgeführte Koordinatenbestimmung wiederholt wird, sobald das Ausgangssignal des Fühlers eine von der besagten Anzahl abweichende Anzahl von Impulsen enthält.

Gemäß der Frfindung kann das zuvor beschriebene Verfahren bzw. Ausgestaltungen davon, durch eine Vorrichtung durchgeführt werden, die sich dadurch auszeichnet, daß ein Zeitgeber über ein Tor, das zum ersten Zeitpunkt geöffnet und zum zweiten Zeitpunkt geschlossen wird, einen Zähler mit Zählimpulsen beaufschlagt, dessen Ai&gangswerten Größen derart zugeordnet werden, daß ein linearer Zusammenhang zwischen der Ablesung des Zählers und dem tatsächlichen Abstand der Fühlerspitze vom vorhergehenden Leiter besteht.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in vereinfachter Form ein Blockschema zur Erläuterung des Erfindungsprinzips,

Fig. 2 eine perspektivische und teilweise Schnittdarstellung eines Teiles des Paneels mit den darauf angebrachten Leitern,

Fig. 3 in skizzenhafter Darstellung den bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Fühler,

Fig. 4 die Formen der verschiedenen in dem System nach der Erfindung auftretenden Impulse,

Fig. 5 in größerem Maßstab einige Impulsformen, mittels derer das erfindungsgemäß zur Anwendung kommende Interpolationsprinzip erläutert wird,

Fig. 6 Impulsformen zur Erläuterung der erfindungsgemäß verwendeten Interpolation, und

Fig. 7 das Blockschere der hierbei benutzten Kreise.

Die Vorrichtung weist in an sich bekannter Weise

ein Paneel 1 auf, auf dem zwei Systeme paralleler und gegenseitig isolierter Leiter angebracht sind, wobei die Leiter des einen Systems senkrecht zu den Leitern des anderen Systems stehen. Aus Fig. 2 ist zu ersehen, wie ein derartiges Paneel ausgebildet sein kann. In einer dünnen Kunststoffplatte 2 ist in deren Oberfläche ein Netz sich kreuzender Nuten 3, 4 vorgesehen, wobei die Nuten 4 tiefer als die Nuten 3 sind. In die Nuten sind Leiter eingebettet, und zwar die Leiter X₁, X₂ usw. in die Nuten 3 und die senkrecht dazu verlaufenden Leiter y_v V₂ usw. in die Nuten 4. Beide Systeme der gegenseitig isolierten Leiter sind durch eine Deckschicht 5 aus Kunststoff abgedeckt.

Selbstverständlich stellt die oben beschriebene Ausführungsform nur eine der vielen Möglichkeiten dar. Es ist z. B. auch möglich, von einer Trägerplatte auszugehen, die anfangs auf beiden Seiten über die ganze Oberfläche mit einer Schicht aus elektrisch leitendem Material bedeckt ist, aus der 'He Leiter durch selektives Ätzen gebildet werden. Aact ist es möglich, die Leiter auf der Trägerplatte durch Niederschlagen von Metallstreifen anzubringen.

In einer praktischen Ausführungsform sind be» einem Träger mit einer Abmessung von 35G x 450 mm 140 X- und 180 y-Leiter in gegenseitigen Abständen von etwa 2,5 mm angeordnet.

In Fig. 1 sind zur Verdeutlichung nur einige X- und y-Leiter angegeben, wobei ausschließlich für die y-Leiter die zugehörigen schematisch dargestellten Kreiselemente eingezeichnet sind.

Die Vorrichtung kann genau wie die an sich bekannte zum Bestimmen der Koordinaten beliebiger Punkte, z. B. auf einer Zeichnung oder einer Karte, Anwendung finden. Dieselbe wird zu diesem Zweck in derartiger und an sich bekannter Weise auf den flachen Träger gelegt, daß der Bezugspunkt der Zeichnung dem Bezugspunkt des Trägers entspricht. Der betreffende Punkt wird sodann markiert, indem die Spitze des Fühlers 6 auf die gewünschte Stelle der Zeichnung gesetzt wird.

Fig. 3 zeigt in skizzenhafter Darstellung eine mögliche Ausführungsform dieses Fühlers. Dieser besteht aus einer Metallhülse 7, an deren unterem Ende eine dünne Metallspitze isoliert aufgenommen ist, welche mit dem Eingang eines Impedanzwandlers 9 mit hoher Eingangs- und niedriger Ausgangsimpedanz verbunden ist. Der Ausgang des Wandlers wird über den Leiter 10 nach außen geführt. Der obere Teil 11 des Fühlers ist innerhalb der Metallhülse 7 verschiebbar und mit dem beweglichen Teil eines druckempfindlichen und an der Hülse 7 befestigten Schalters 12 verbunden. Damit bewirkt das Einschieben des oberen Teiles in das untere Teil die Betätigung des Schalters 12. Die Kontakte des Schalters sind über das Kabel 13 mit dem Äußeren verbunden.

Nachstehend wird die Bestimmung der y-Koordinate eines beliebigen Punktes beschrieben, wobei beim Bestimmen eir :r ^-Koordinate selbstverständlich entsprechend verfahren wird.

Ein Uhrgenerator 14 liefert mit einer konstanten Frequenz von z. B. 100 kHz Impulse an ein Schieberegister 16, wobei am Anfang des Abtastvorgangs unter Steuerung des Uhrgenerators 14 auch eine Impulsreihe von fünf Impulsen über einen Bitfolge-Generator 15 in das Schieberegister 16 eingelesen wird. Dieses Register 16 hat eine bestimmte Anzahl von Ausgängen, wobei jeder Ausgang mit einem der waagerechten Leiter verbunden ist und wobei die Anord-

nung so getroffen ist, daß stets mit dem ersten K-Leiter beginnend beim Auftreten eines Impulses vom Impulsgenerator 14 dem nächsten Leiter mindestens ein Impuls zugeführt wird. Dabei wird zwischen den aufeinanderfolgenden Impulsen eine Phasenverschiebung von 90° aufrechterhalten.

Aus noch näher zu beschreibenden Gründen wird tatsächlich jedem Leiter nicht ein einziger Impuls, sondern eine Reihe von fünf Impulsen mit einer Folgefrequenz von 25 kHz zugeführt. Zur Erläuterung kann jedoch davon ausgegangen werden, daß jedem Leiter nur ein Impuls zugeführt wird.

Der Leiter V₁ erhält beim Auftreten des ersten vom Uhrgenerator abgegebenen Impulses α, (siehe Fig. 4a) den Impuls b_{ (Fig. 4b). Etwas später, und zwar nach 10 MikroSekunden, bei einer Abtastfrequenz von 100 kHz erhält der Leiter Y₁ beim Auftreten des vom Uhrgenerator abgegebenen Impulses a₂ (Fig. 4a) den impuis c, (Fig. 4c). Wieder iö tviikrosekunden später beim Auftreten des vom Uhrgenerator abgegebenen Impulses <jj (Fig. 4a) erhält der Leiter Y₃ den Impuls d_{ (Fig. 4d) usw.

Die vom Uhrgenerator 14 gelieferten Impulse werden außerdem über ein Tor 17 einem Zählregister 18 zugeführt, dessen Zählinhalt bei jedem vom Uhrgenerator abgegebenen Impuls um einen Wert zunimmt. Der Inhalt des Zählregisters 18 kann mit dem Anzeigeglied 19 dargestellt werden.

Der Ausgang 10 des Fühlers 6 ist mit einem Verstärkerverbunden, dessen Ausgang über eine Leitung 21 mit einem Steuereingang eines Tores 17 verbunden ist. Der Uhrgenerator 14 kann durch den Druckschalter 12 in dem Fühler über die Leitung 13 in Gang gesetzt werden.

Bei der Beschreibung der Arbeitsweise wird zunächst angenommen, daß die V-Koordinate des über dem achten ?'-Leiter liegenden Punktes P bestimmt werden soll. Wenn der Druckschalter 12 im Fühler 6, dessen Abtastspitze sich auf dem Punkt P befindet, eingedrückt wird, wird der Uhrgenerator 14 in Gang gesetzt, und nach acht von der Uhr abgegebenen Impulsen wird dem achten y-Leiter der erste Impuls einer aus fünf Impulsen bestehenden Impulsreihe zugeführt. In diesem Augenblick ist das Tor 17 noch offen, und der Zählinhalt des Zählregisters 18 beträgt somit

UVIlI l-lltlUVI»VII·

An der Abtastspitze 8 des Fühlers 6 tritt nun durch kapazitive Übertragung zwischen dem Leiter V₈ und der Abtastspitze 8 eine impulsförmige Spannung gemäß Impuis e_t in Fig.4 auf. Dieser impuis e, wird in dem Verstärlrsr 20 verstärkt, dessen Ausgangsspannung über die Leitung 21 dem Tor 17 zugeführt wird. Die steiie Vorderflanke dieses Impulses bewirkt das Schließen des Tores 17, wodurch der Inhalt des Zählregisters 18 auf acht Einheiten begrenzt ist und auf der Anzeigeeinheit 19 dargestellt werden kann. Der Uhrgenerator 14 arbeitet während eines ganzen Abtastzyklus und stoppt nach dessen Beendigung, wonach eine weitere Bestimmung erfolgen kann, beispielsweise die Bestimmung der A'-Koordinate in entsprechender Weise.

Fig. 4e zeigt die Gestalt der Ausgangsimpulse des Fühlers, wenn dessen Spitze sich genau über einem Leiter, in diesem Fall dem Leiter Y₁, befindet. Fig. 4f zeigt die Form der Ausgangsimpulse des Fühlers, wenn sich die Spitze genau über dem nächsten Leiter, in diesem Fall dem Leiter Y₁, befindet. Selbstverständlich wird ein derartiger Fall in der Praxis nur sel-

ten eintreten, und zumeist wird sich die Spitze des Fühlers irgendwo zwischen zwei Leitern befinden. In diesem Fall wird die Ausgangsspannung des Fühlers eine Form gemäß Fig. 4gannehmen, wobei der Punkt g_u des Impulses g, von der Vorderflanke des Impulses b_{ herbeigeführt wird, während sich der Punkt g_lb aus der Vorderflanke des Impulses c, ergibt. Erfindungsgemäß kann nun aus den gegenseitigen Amplitudenverhältnissen dieser auf dem Ausgangsimpuls des Fühlers auftretenden Spitzen die genaue Stelle der Fühlerspitze zwischen zwei Leitern abgeleitet werden.

Fig. 5 zeigt in vergrößertem Maßstab die Ausgangsimpulse des Fühlers, wenn sich der Fühler zwischen zwei Leitern befindet. Fig. 5a zeigt den Fall, bei dem sich die Spitze des Fühlers gerade in der Mitte zwischen zwei Leitern befindet. Dabei sind die Spitzen 25a, 2Sb des Impulses 25 gleich groß. Fig. 5b zeigt einen Impuls 26, der dann entsteht, wenn die Spitze des Fühiers ganz in der Nähe eines in der Reihenfolge der Impulszuführung vorhergehenden Leiters liegt. Dabei ist dann die erste Spannungsspitze 26a erheblich größer als die Spannungsspitze 26b. Fig. 5 c stellt den entgegengesetzten Fall dar. Hierbei befindet sich die Spitze des Fühlers näher an dem nächsten Leiter, und die erste Spannungsspitze 27a des Impulses 27 ist kleiner als die zweite Spannungsspitze 2Tb.

Die Stelle der größten Spannungsspitze bezüglich der Voiderflanke des Ausgangsimpulses kennzeichnet also die Stelle des Fühlers zwischen zwei aufeinanderfolgenden Linien relativ zum vorhergehenden Leiter. Die genaue Größu dieses Abstandes ergibt sich aus dem gegenseitigen Amplitudeiiverhältnis der Spannungsspitzen.

Diese Lokalisierungsmethode, die tatsächlich eine Interpolation darstellt, wird in folgender Weise durchgeführt (s. Fig. 6 und 7). Die von dem Fühlerverstärker 20gelieferten Impulse 29 (Fig. 6 a) werden einem Schmalbandfilter 30 zugeführt, der auf die Impulsfolgefrequenz der Impulsserie 29, z. B. auf 25 kHz, abgestimmt ist. Der Filter 30 wandelt diese Impulsreihe in eine Sinusreihe 31 mit derselben Frequenz um, deren Phase jedoch nach dem Einschwingen des Filters etwas gegenüber derjenigen des ursprünglichen Abtastsignals verschoben ist. Diese Zeitverschiebung hängt von der Lage der Spitzen auf

ViVIiI /-Lirvaaiaigiiai uiiu w*iiit*iiia}sicwK;ilu fuuuci otcnc der Fühlerspitze zwischen den Leitern ab.

Zur Bestimmung dieses Phasenunterschiedes werden von den Sinusschwingungen 31 Rechteckimpulsc 32 mit gleicher Frequenz und Phase abgeleitet, und der Phasenunterschied zwischen der Vorderflanke des dritten Impulses 29'" aus dem Fühlersignal und der Vorderflanke des dritten und aus dem Sinus abgeleiteten Rechteckiüipulse 32'" wird gemessen. Dieser Vorgang erfolgt in dem Differenzkreis 34, der einen Ausgangsimpuls 35 liefert, dessen Dauer I₁-I₁ den Abstand der Fühlerspitze vom vorhergehenden Leiter repräsentiert. Dieser Impuls 35 wird einem Tor 36 zugeführt, dem auch das Signal eines Uhrgenerators 37 mit einer Frequenz von z. B. 3 MHz zugeleitet wird. Der Ausgang des Tores ist mit einem Zähler 38 verbunden, der den Zeitunterschied J₂-/, mißt.

Aus verschiedenen Gründen und unter anderem aufgrund der Form der Feldverteilung in der Umgebung der Leiter ergibt sich kein genau linearer Zusammenhang zwischen dem Zeitunterschied i₂—1₁ und dem Abstand der Fühlerspitze vom vorhergehenden

Leiter. Es ist jedoch möglich, einen derartigen linearen Zusammenhang zu erhalten, wenn den Ausgängen des Zählers derartige Werte zugeordnet werden, daß die Ablesung des Zählers in einem linearen Zusammenhang mit dem tatsächlichen Abstand der Fühlerspitze vom vorhergehenden Leiter steht.

Die abgelesenen Werte werden über die Leitung 39 una einen Kreis 28dem Anzeigeglied 19 zugeführt, wo sie mit den aus dem Zählregister abgelesenen Werten kombiniert werden.

Um zu verhüten, daß durch Störspannungen am Fühler oder auf dem Kabel 10 das Tor 17 geschlossen wird und fehlerhafte Zählungen entstehen, ist eine Schutzmaßnahme vorgesehen, die darin besteht, daß jedem Leiter in der beschriebenen Weise nicht nur einer, sondern eine Reihe von z. B. fünf aufeinanderfolgenden Impulsen zugeführt wird. Das komplette Ausgangssignal des Fühlers hat also die Gestalt wie in Fig. 4 angegeben, und dieses Ausgangssignal wird einem Impulsüberwachungskreis 22 zur Kontrolle zugeführt, ob das Ausgangssignal des Fühlers tatsächlich die zugeführte Anzahl positiver oder negativer Impulse aufweist. Falls dieses nicht der Fall sein sollte, wird der Zähler über die Leitung 23 auf Null zurückgestellt, und der Uhrgenerator wird über die Leitung 24 wieder in Gang gesetzt.

Selbstverständlich sind viele Abänderungen möglich, und die Verwendung der Vorrichtung ist nicht auf die Bestimmung orthogonaler Koordinaten beschränkt.

Hierzu 4

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Bestimmen des Koordinatenwerts eines durch einen Fühler in einer Ebene aus- gewählten Punktes gegenüber einem Bezugspunkt in dieser Ebene, die zur Festlegung der Parameter eines Koordinatensystems ein System von gegenseitig isolierten Leitern aufweist, denen jeweils vom Bezugspunkt ausgehend und von einem be- ίο stimmten Bezugszeitpunkt an elektrische Impulse oder Impulsreihen zugeführt werden, wobei im Fühler durch kapazitive Kopplung mit dem am oder nahe am Punkt angeordneten, den Koordinatenwert fixierenden Leiter ein elektrisches Si- gnal hervorgerufen wird, dessen Auftreten im Fühler einen zweiten Bezugszeitpunkt bestimmt, und wobei die zwischen diesen beiden Bezugszeitpunkten ausgesendete Anzahl von Impulsen oder Impulsreihen oder die zwischen diesen Bezugs-Zeitpunkten verstrichene Zeit die Größe des zu messenden Koordinatenwerts, an dem der Fühler sich befindet, repräsentiert, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) die Impulse oder Impulsreihen (b_v c„ d_x) werden jeweils zwei aufeinanderfolgenden Leitern (y_v >>,, y₃) mit einer Phasenverschiebung von 90 zugeführt,

b) der aus dem gegenseitigen Verhältnis der Spannungsspitzen der von den beiden Impul- jo sen oder Impulsreihen zweier aufeinanderfolgender Leiter im Fühle: (6) erzeugten Signale (25, 26, 27; 29) ermittelte Meßwert bestimmt das Maß des Ate indes des zwischen zwei Leitern befindlichen Fühlers (6) vom vorhergehenden Leiter.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus einer Impulsreihe bestehende Fühlersignal (29) einem Schmalbandfilter (30) zugeführt wird, das auf die Folgefrequenz der Impulse der Reihe abgestimmt ist, und daß als Maß für den Abstand der Fühlerspitze (8) vom vorhergehenden Leiter die Phasendifferenz zwischen einem festen Bezugspunkt (i_}), der durch einen der Impulse aus dem ursprünglichen Fühler- -r, signal (29) festgelegt wird, und einem festen Bezugspunkt (i₂) gemessen wird, der in der richtigen Reihenfolge nach dem Sinus des Filterausgangssignals bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das sinusförmige Filterausgangssignal (31) in eine Impulsreihe (32) mit gleicher Frequenz und Phase umgewandelt und der Zeitunterschied zwischen dem Zeitpunkt (i₂) der Vorder- und Hinterflanke eines Impulses aus die- « ser Reihe (32) und dem Zeitpunkt ((,) eines entsprechenden Vorgangs in den der richtigen Reihenfolge entsprechenden Impulsen aus dem ursprünglichen Fühlersignal (29) mittels eines Zeitmessers (36, 37, 38) bestimmt wird. bo

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß den Leitern (>>,, y₂, y,...) aus einer bestimmten Anzahl von Impulsen bestehende Impulsreihen zugeführt werden, wobei eine bereits durchgeführte Koordi- bs natenbestimmung wiederholt wird, sobald das Ausgangssignal (29) des Fühlers (6) eine von der besagten Anzahl abweichende Anzahl von Impul

sen enthält.

5, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeitgeber (37) über ein Tor (36), das zum ersteu Zeitpunkt (f,) geöffnet und zum zweiten Zeitpunkt (r₂) geschlossen wird, einen Zähler (38) mit Zählimpulsen beaufschlagt, dessen Ausgangswerten Größen uerart zugeordnet werden, daß ein linearer Zusammenhang zwischen der Ablesung des Zählers und dem tatsächlichen Abstand der Fühlerspitze (8) vom vorhergehenden Leiter besteht.