DE2916096A1 - Einrichtung zur bestimmung der abmessungen von werkstuecken mittels mehrerer fuehlersonden - Google Patents
Einrichtung zur bestimmung der abmessungen von werkstuecken mittels mehrerer fuehlersondenInfo
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Description
-ι-
PATENTANWÄLTE
, schulz-dörlam & thoenes 2916096
KARL-HEINZ SCHAUMBURS, DIPL.-ING.
WOLFQANQ SCHULZ-DÖRLAM, INQ. DIPL. DR. DIETER THOENES, DIPL.-PHY·.
K 7006 SBrt 20.April 1979
THE VALERON CORPORATION
20800 Coolidge Highway
Oak Park, Michigan 48237 / USA
Einrichtung zur Bestimmung der Abmessungen von Werkstücken
mittels mehrerer Fühlersonden
MAUERKIRCHERSTRASSE 31 · D - BSt)O fÄjSohHN/eß ^TBLSFON (Ο8Θ) 881979 und 0875 31
TELEX B 22 019 ESPAT D
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
Bei der Messung kompliziert geformter Teile oder bei mehreren unterschiedlichen Messungen eines Werkstücks werden allgemein
mehrere elektrische Fühlersonden verwendet. Da die Auswerteschaltkreise für die Ausgangssignale der Sonden einen
großen Kostenanteil eines Meß systems ausmachen, ist es wünschenswert, für alle Fühlersonden eine gemeinsame Auswerteschaltung
zu verwenden. Dies erfolgt normalerweise durch Wandler, die verschiedene Sondensignale additiv oder subtraktiv
einander überlagern, um das gewünschte Meßergebnis zu erzielen. Solche Anordnungen führen jedoch zu einem relativ
unflexiblen System, das für jeden Anwendungsfall eigens aufgebaut sein muß.
Ein vielseitigeres System ist durch die US-PS 3 805 036 bekannt. Hierbei werden mehrere elektrische Fühlersonden verwendet,
die jeweils ein analoges elektrisches Signal mit variablem Signalpegel erzeugen, das der Position eines Punktes
auf einem Werkstück relativ zu einer vorbestimmten Fühlersonde entspricht. Ein Analog-Digital-Umsetzer setzt diese analogen
Meßsignale in digitale Signale um, und ein Rechenwerk berechnet wahlweise den Unterschied zwischen dem jeweiligen
Meßsignal und einem gespeicherten Maximal- oder Minimalwert.
Dieses System hat jedoch eine begrenzte Rechenkapazität, da bei ihm zuerst die Maximal- bzw. Minimalwerte gespeichert
werden müssen, wonach dann das Meß signal einer jeden Fühlersonde mit dem Maximal- bzw. Minimalwert verglichen wird.
Es ist deshalb wünschenswert, mit einem System zu arbeiten, das nicht auf einen ganz bestimmten Rechenvorgang abgestellt
ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Ein richtung zur Bestimmung verschiedener Abmessungen von
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2916Ü96
Werkstücken anzugeben, die vielseitiger als die bekannten Einrichtungen eingesetzt werden kann und unabhängig von bestimmten
vorgegebenen Rechenschritten arbeitet.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der
Unteransprüche.
Eine Einrichtung nach der Erfindung arbeitet mit einer digitalen Auswerteschaltung in Verbindung mit einem Speicher. Diese
Anordnung ermöglicht die Durchführung verschiedenster arithmetischer Funktionen abhängig vom Auftreten eines von der jeweiligen
Fühlersonde verursachten digitalen Signals. Die Einrichtung arbeitet allgemein derart, daß sukzessiv die
analogen Meß signale der vorhandenen Fühlersonden abgelesen
werden, jedes analoge Meßsignal in ein digitales Signal umgesetzt wird, jedes digitale Signal in einem Speicher gespeichert
wird und nach Speicherung aller Signale eine digitale Signalverarbeitung erfolgt, die eine Addition, Subtraktion
oder jede andere arithmetische Funktion mit den digitalen Signalen durchführt, um das gewünschte Meßergebnis zu erhalten.
Dieses kann dann in üblicher Weise optisch dargestellt werden. Die gesamte Folge der vorstehend angegebenen Schritte
läuft so schnell ab, daß sich insgesamt ein kontinuierlicher AuswerteVorgang ergibt, denn die analogen Ausgangssignale der
Fühlersonden werden laufend abgetastet, digitalisiert und gespeichert. Da alle arithmetischen Funktionen der Signale
in digitaler Form durchgeführt werden, wird in den Rechenvorgang kein zusätzlicher Fehler eingeführt.
Durch die Erfindung ergibt sich eine größere Vielseitigkeit der Einsatzmöglichkeiten, so daß der Hersteller eine Standard
einrichtung entwickeln kann, die leicht den unterschiedlichten Bedürfnissen der Benutzer angepaßt werden kann, in der
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Einrichtung sind mehrere Fühlersonden vorgesehen, von denen einige abhängig vom jeweiligen Einsatzfall ggf. auch stillgelegt
sein können. Die Fühlersonden werden zur Messung verschiedener Teile unterschiedlicher Werkstücke verwendet,
was gleichfalls vom jeweiligen Einsatzzweck abhängt. Um diese sehr vorteilhafte Vielseitigkeit zu erreichen, können
alle Fühlersonden mit einem ihnen jeweils fest zugeordneten Analogschalter verbunden sein. Eine digitale Auswerteschaltung
führt die analogen elektrischen Signale der jeweils in Betrieb befindlichen Fühlersonden selektiv einem Digital-Analog-Umsetzer
zu, und zwar abhängig von einem in dem Digitalspeicher gespeicherten Programm. Die so erhaltenen
digitalen Signale werden in vorbestimmte Abschnitte des Speichers eingespeichert. Sie werden dann durch die digitale
Verarbeitungsschaltung zur Erzeugung von Ausgangssignalen
ausgenutzt, die eine Funktion der gespeicherten digitalen Signale darstellen. Diese Signalverarbeitung erfolgt entsprechend
dem gespeicherten Programm. Beispielsweise können die eine oberste und eine unterste Abmessung des Werkstücks
angebenden Signale in der Signalverarbeitungsschaltung
einander subtraktiv überlagert werden, um ein die Höhe des Werkstücks angebendes Signal zu erhalten. Die Arbeitsweise
der Einrichtung kann so eingestellt werden, daß sie verschiedenen Arten ungleichmäßiger Werkstücke angepaßt ist.
Hierzu muß lediglich das eingespeicherte Programm geändert werden, ohne daß mehrere völlig unterschiedliche Meßsysteme
erforder1ich s ind.
Bei einer Einrichtung nach der Erfindung können auch mehrere
Fühlersonden verwendet werden, die ein Trägerfrequenzsignal abhängig von der Position des Werkstücks relativ zur
jeweiligen Sonde modulieren. Ein Demodulator, der vorzugs weise mit einer Phasenschieber- und Zerhackerschaltung
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arbeitet, dient zur synchronen Auswertung der Teile des
modulierten Trägerfrequenzsignals, die die Position des
Werkstücks relativ zu der vorbestimmten Fühlersonde angeben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand
der Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm der elektrischen Schaltung einer Einrichtung nach der Erfindung und
Fig. 2a bis 2d die schaltungstechnische Ausführung der in Fig. 1 gezeigten Blockschaltung.
In Fig. 1 ist die Prinzipschaltung einer Einrichtung 10 zur
Bestimmung der Abmessungen.von Werkstücken dargestellt. Ein
Oszillator 12 ist mit seinem Ausgang an einen Leistungsverstärker 14 angeschlossen. Der Ausgang des Leistungsverstärkers
14 ist mit dem Verbindungspunkt der Eingänge mehrerer verstellbarer induktiver Fühlersonden oder Wandler 16, 18, 20,
22, 24, 26, 28 und 30, einer Brückenzweigschaltung 32, einer Nullabgleichschaltung 34, einem Spitzendetektor 35 und einem
Phasenschieber 36 verbunden. Jede Fühlersonde 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28 und 30 ist mit einem ihr zugeordneten Eingang eines
Analogschalters 38 verbunden, der unter gegenseitigem Ausschluß seiner Eingänge arbeitet (Exklusiv-Analogschalter).
In der folgenden Beschreibung wird der Begriff "Fühlersonde" und "Wandler" für ein und dasselbe Element verwendet.
Der Analogschalter 38 verbindet sequentiell jeweils einen
seiner Eingänge mit seinem Ausgang, und das so erhaltene Ausgangssignal wird dem nicht invertierenden Eingang eines
Differenzverstärkers und Verstärkungsreglers 40 zugeführt.
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Die Ausgänge der Brückenzweigschaltung 32 und der Nullabgleichschaltung
34 sind mit dem invertierenden Eingang
des Differenzverstärkers 40 über einen Widerstand 42 bzw.
einen Widerstand 44 verbunden.
des Differenzverstärkers 40 über einen Widerstand 42 bzw.
einen Widerstand 44 verbunden.
Der Ausgang des Spitzendetektors 3 5 ist mit einem Eingang
des Oszillators 12 verbunden. Der Ausgang des Phasenschiebers 36 ist mit einem Zerhacker 48 verbunden, der wiederum mit einem Demodulator 46 verbunden ist.
des Oszillators 12 verbunden. Der Ausgang des Phasenschiebers 36 ist mit einem Zerhacker 48 verbunden, der wiederum mit einem Demodulator 46 verbunden ist.
Der Demodulator 46 erhält das Ausgangssignal des Differenzverstärkers
40 und führt das demodulierte Signal auf einen Analog-Digital-Umsetzer 50. Das digitale Ausgangssignal
dieses Umsetzers 50 wird einer digitalen Signalverarbeitungs- und Speicherschaltung 52 zugeführt. Ein Steuerausgang dieser Schaltung 52 triggert nacheinander den Analogschalter 38 und die Nullabgleichschaltung 34. Die Ausgangssignale der Signalverarbeitungs- und Speicherschaltung 52
werden einer Schnittstelle 54 zugeführt, deren Ausgangssignale verschiedene Steuer- und Anzeigefunktionen erfüllen.
dieses Umsetzers 50 wird einer digitalen Signalverarbeitungs- und Speicherschaltung 52 zugeführt. Ein Steuerausgang dieser Schaltung 52 triggert nacheinander den Analogschalter 38 und die Nullabgleichschaltung 34. Die Ausgangssignale der Signalverarbeitungs- und Speicherschaltung 52
werden einer Schnittstelle 54 zugeführt, deren Ausgangssignale verschiedene Steuer- und Anzeigefunktionen erfüllen.
Beim Betrieb der Einrichtung erzeugt der Oszillator 12 ein Signal mit einer Frequenz von 5 kHz, und dieses Signal wird
im Leistungsverstärker 14 verstärkt und dann dem Eingang
der induktiven Fühlersonden 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28 und 3Q, der Brückenzweigschaltung 42, der Nullabgleichschaltung 34, dem Spitzendetektor 3 5 und dem Phasenschieber 36 zugeführt. Der Analogschalter 38 wird sequentiell durch die
digitale Signalverarbeitungs- und Speicherschaltung 52 getriggert, so daß das Ausgangssignal einer der Fühlersonden 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28 oder 30 mit dem Schalterausgang verbunden wird. Der Differenzverstärker 40 verstärkt die
Differenz des analogen Ausgangssignals der jeweils wirksam
der induktiven Fühlersonden 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28 und 3Q, der Brückenzweigschaltung 42, der Nullabgleichschaltung 34, dem Spitzendetektor 3 5 und dem Phasenschieber 36 zugeführt. Der Analogschalter 38 wird sequentiell durch die
digitale Signalverarbeitungs- und Speicherschaltung 52 getriggert, so daß das Ausgangssignal einer der Fühlersonden 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28 oder 30 mit dem Schalterausgang verbunden wird. Der Differenzverstärker 40 verstärkt die
Differenz des analogen Ausgangssignals der jeweils wirksam
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geschalteten Fühlersonde und der Summe der Ausgangssignale der Brückenzweigschaltung 32 und der Nullabgleichschaltung
Die Nullabgleichschaltung 34 wird gleichfalls sequentiell gemeinsam mit dem Analogschalter 38 durch die digitale
Signalverarbeitungs- und Speicherschaltung 52 getriggert.
Das verstärkte Differenzsignal wird im Demodulator 46 demoduliert
und führt zu einem analogen Gleichstromsignal, dessen Amplitude und Polarität sich mit dem analogen Ausgangssignal
der jeweils wirksam geschalteten Fühlersonde ändert.
Das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers 14 wird durch den Phasenschieber 36 verzögert und dann der Zerhackerschaltung
48 zugeführt. Diese arbeitet in Verbindung mit dem Demodulator 46 derart, daß eine synchrone Auswertung
des Ausgangssignals des Differenzverstärkers 40 erfolgt.
Der Analog-Digital-Umsetzer 50 setzt das analoge Gleichstromsignal
in eine achtstellige binäre Digitalzahl um, die von der digitalen Signalverarbeitungs- und Speicherschaltung
ausgewertet werden kann. Diese enthält ein Programm zur Verarbeitung der von jeder Fühlersonde erhaltenen Daten und
erzeugt daraus digitale Ausgangssignale, die der Schnittstelle 54 zugeführt werden. Diese liefert abhängig von den
digitalen Signalen Steuersignale, die eine Anzeigevorrichtung ansteuern oder andere vorgegebene Funktionen auslösen
können.
Schaltungstechnische Einzelheiten des in Fig. 1 gezeigten Prinzips sind in den Fig. 2a bis 2d dargestellt. Der Oszillator
12, der in Fig. 2a im einzelnen gezeigt ist, enthält einen integrierten Schaltkreis 102 in Verbindung mit Wider
stünden 104, 106 und 108, zwei Kondensatoren 110 und 112 und
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einem Potentiometer 114. Diese Schaltung erzeugt eine
elektrische Oszillatorschwingung.
Der Leistungsverstärker 14 arbeitet mit einem Filternetzwerk, bestehend aus Widerständen 115, 116, 118 und 120, zwei
Kondensatoren 122 und 124 und einem Potentiometer 126. Dieses
Netzwerk ist mit dem Eingang eines Operationsverstärkers 128 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 128 ist mit
dem Eingang einer ersten Darlington-Transistorschaltung 130 sowie über Dioden 132, 134 und 136 mit einer zweiten Darlington-Transistor
schaltung 138 verbunden. Der Leistungsverstärker 14
enthält ferner Widerstände 140, 142, 144, 146 sowie Kondensatoren 148, 150 und 152.
Die Brückenzweischaltung 32, die in Fig. 2b gezeigt ist, enthält zwei Widerstände 154 und 156, die als Spannungsteiler
geschaltet sind. Der Ausgang der Brückenzweigschaltung 32 ist mit einem Eingang des Differenzverstärkers und
Verstärkungsreglers 40 über einen Widerstand 42 verbunden.
Die Nullabgleichschaltung 34 enthält einen Exklusiv-Analogschalter
158, der mit jedem seiner Eingänge an eine Gruppe von Potentiometern 160, 162, 164, 166, 168, 170, 172 und 174
angeschlossen ist. Der Ausgang des Analogschalters 158 ist über einen Widerstand 44 mit dem Verbindungspunkt des Widerstands
42 und eines Eingangs des Differenzverstärkers 40 verbunden
.
Der Phasenschieber 36 enthält einen Differenzverstärker 163,
dessen Eingang und Ausgang mit Widerständen 165, 172, 169 und 171 sowie mit Kondensatoren 173, 175, 176 und 178 und
mit einem Potentiometer 180 beschaltet sind. Der Ausgang dieser Schaltung ist mit dem nicht invertierenden Eingang
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eines Differenzverstärkers 182 verbunden. Der invertierende Eingang des Differenzverstärkers 182 ist mit Erdpotential
verbunden. Der Ausgang des Differenzverstärkers 182 ist mit der Verbindung des invertierenden Eingangs des Differenzverstärkers
184 und eines Eingangs der Zerhackerschaltung
verbunden. Der nicht invertierende Eingang des Differenzverstärkers 184 ist mit Erdpotential verbunden, während sein
Ausgang mit einem zweiten Eingang der Zerhackerschaltung verbunden ist.
Die Zerhackerschaltung 48 enthält zwei in zwei Richtungen
wirksame CMOS-Schalter 186 und 188. Der Ausgang eines jeden Schalters 186 und 188 ist innerhalb des Demodulators 46 mit
jeweils einer Seite eines abgeglichenen Netzwerks verbunden.
Der Differenzverstärker und Verstärkungsregler 40 enthält zwei Differenzverstärkerschaltungen 190 und 192 sowie einen
als integrierter Schaltkreis aufgebauten Exklusiv-Analogschalter
194. Die Verstärkerschaltung 190 ist mit zwei Widerständen 196 und 198, mit einem Potentiometer 200, mit
dem Analogschalter 194 und mit einer Gruppe von Widerständen 202, 204, 206, 208, 210, 212, 214 und 216 verbunden. Die
zweiten Anschlüsse dieser Widerstände sind mit separaten Eingängen des Analogschalters 194 verbunden. Ein Kondensator
218 ist zwischen Erdpotential und den Abgriff des Potentiometers 200 geschaltet. Die Differenzverstärkerschaltung
ist mit einer Gruppe von Widerständen 220, 222 und 224 und mit einem Kondensator 226 gemäß üblicher Gegenkopplungsschaltung
verbunden.
Der Demodulator 46 enthält ein abgeglichenes Netzwerk aus einer Gruppe von Widerständen 228, 230, 232, 234, 236 und
238 sowie zwei Kondensatoren 240 und 242. Dieses Netzwerk ist zwischen die Eingänge eines Differenzverstärkers 243 und
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I Λ·
den Kondensator 226 geschaltet. Ein Widerstand 244 und ein Kondensator 246 sind parallel zueinander an den invertierenden
Eingang des Differenzverstärkers 242 sowie an dessen Ausgang angeschaltet. Der nicht invertierende Eingang
des Differenzverstärkers 242 ist mit dem Widerstand 238
sowie mit einer Spannungsteilerschaltung verbunden, die aus mehreren Widerständen 250, 252 und 254 und einem Potentiometer
256 besteht. Das Potentiometer 256 ist an den positiven und negativen Anschluß einer Stromquelle angeschlossen.
Der Spitzendetektor 35, der in Fig. 2a gezeigt ist, enthält
einen Differenzverstärker 258, dessen nicht invertierender Eingang mit dem Ausgang des Leistungsverstärkers 14 über
einen Widerstand 260 verbunden ist. Der invertierende Eingang des Differenzverstärkers 258 ist über einen Widerstand 262
mit dem Verbindungspunkt einer Diode 264, eines Kondensators 266 und eines Widerstands 268 verbunden. Der andere Anschluß
der Diode 264 ist mit dem Ausgang des Differenzverstärkers
258, der andere Anschluß des Kondensators 266 mit Erdpotential verbunden. Der Spitzendetektor 35 enthält ferner einen Differenzverstärker
270, dessen nicht invertierender Eingang mit dem Verbindungspunkt des Widerstands 268 und eines Widerstands
272 verbunden ist. Der invertierende Eingang des Differenzverstärkers
270 ist mit dem Verbindungspunkt zweier Widerstände 274 und 276 und eines Kondensators 278 verbunden. Ein Potentiometer
280 ist zwischen eine externe Stromquelle und Erdpotential geschaltet und mit seinem Abgriff an den anderen
Anschluß des Widerstands 274 angeschlossen. Der Ausgang des Differenzverstärkers 270 ist mit dem Verbindungspunkt des
Widerstands 276, des Kondensators 278 und eines Widerstands 282 verbunden. Der zweite Anschluß des Widerstands 28 2 ist
mit dem Verbindungspunkt der Kathode einer Diode 284 und eines Eingangs des integrierten Schaltkreises 102 verbunden.
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Die Anode der Diode 284 ist mit Erdpotential verbunden.
Der Analog-Digital-Umsetzer 50, dessen Einzelheiten in Fig. 2c gezeigt sind, enthält einen invertierenden Verstärker
286 zusammen mit zwei Widerständen 290 und 292 sowie einem Kondensator 294 zur Erzeugung eines oszillierenden
elektrischen Signals, das dem Takteingang eines integrierten Analog-Digital-Leistungsumsetzers 296 zugeführt wird.
Die digitalen Ausgänge der integrierten Schaltung 296 sind mit einem invertierenden Verstärker 300 und mit einer Pufferschaltung
302 für drei Signalzustände verbunden. Die Ausgänge
der Pufferschaltung 302 sind mit der digitalen Signalverarbeitung s- und Speicherschaltung 52 verbunden. Zwei
Widerstände 304 und 306 innerhalb des Analog-Digital-Umsetzers 50 sind mit der digitalen Signalverarbeitungs- und Speicherschaltung
52 verbunden.
In den in Fig. 2 gezeigten Schaltungen sind gegenseitige Verbindungen
zwischen bestimmten Anschlüssen von Einzelelementen und Untergruppen der digitalen Signalverarbeitungs- und
Speicherschaltung 52 sowie der Schnittstelle 54 nicht besonders dargestellt, sondern es sind Verbindungen mit verschiedenen
Sammelleitungen gezeigt. Die genauen gegenseitigen Verbindungen können aufgrund der alphanumerischen Bezeichnungen
an den Anschlüssen der Einzelelemente und Untergruppen bestimmt werden. Beispielsweise sind alle Anschlüsse
von Einheiten, die mit Sammelleitungen verbunden und mit A1 bezeichnet sind, über diskrete Leitungen untereinander
verbunden.
Die digitale Signalverarbeitungs- und Speicherschaltung 52 enthält eine Mikroprozessor- und Speichereinheit 308 mit
frei wählbarem Zugriff, einen löschbaren und programmierbaren
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Festwertspeicher 310, zwei Pufferschaltungen 312 und 314
für drei Signalzustände, einen Binär-Octal-Umsetzer 316 und eine Gruppe von NAND-Gliedern 318, 320, 322, 324, 326, 328
und 330.
Ein erster binär-dezimal-codierter Drehschalter 33 2 ist mit
dem Eingang der Pufferschaltung 312 verbunden. Eine Gruppe von
Widerständen 333, 334, 336, 338, 340 und 342 ist zwischen Erdpotential und den Eingang der Pufferschaltung 312 geschaltet.
Ein zweiter binär-dezimal-codierter Drehschalter 344 ist mit zwei Eingängen an die Pufferschaltung 312 und mit seinen anderen
beiden Eingängen an den Eingang der Pufferschaltung 314 angeschaltet.
Zwei Widerstände 346 und 348 sind jeweils zwischen Erdpotential und die Verbindungspunkte des Schalters 344 und
der Pufferschaltung 314 geschaltet. Eine Gruppe manuell betätigbarer
Schalter 350 ist mit einer weiteren Gruppe von Eingängen der Pufferschaltung 314 verbunden. Die Eingänge sind
mit Erdpotential über Widerstände 352, 354, 356 und 358 verbunden. Die Schalter ermöglichen eine manuelle Einstellung
der Betriebsart der Einrichtung.
Ein Binär-Octal-Umsetzer 316 ist mit einem seiner Eingänge an das NAND-Glied 322 angeschlossen. Der Ausgang des NAND-Glieds
322 ist mit einem Eingang jeweils eines NAND-Gliedes · 318 bzw. 320 verbunden. Der Ausgang des NAND-Glieds 318 ist
mit den beiden Pufferschaltungen 312 und 314 verbunden. Der Ausgang des NAND-Glieds 320 ist mit der Pufferschaltung 314
verbunden. Der Binär-Octal-ümsetzer 316 ist ferner mit dem Eingang des NAND-Glieds 324 verbunden. Der Ausgang des NAND-Glieds
324 ist mit einem Eingang des NAND-Glieds 326 verbunden. Der Ausgang des NAND-Glieds 326 ist mit einer Pufferschaltung
302 für drei Signalzustände verbunden.
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Der Eingang des NAND-Glieds 3 28 ist mit dem Binär-Octal-Umsetzer
316, der Ausgang des NAND-Glieds 3 28 mit einem Eingang
des NAND-Glieds 330 verbunden. Der andere Eingang des NAND-Glieds 330 ist mit der Mikroprozessoreinheit 308 verbunden.
Der Ausgang des NAND-Glieds 330 ist mit dem Festwertspeicher 310 verbunden.
Eine Gruppe von Widerständen 360, 362, 364 und 366 ist mit jeweils einem Anschluß gemeinsam an den positiven Pol einer
externen Stromquelle angeschlossen. Der andere Anschluß eines jeden Widerstands ist mit jeweils einem Eingang der Mikroprozessoreinheit
308 verbunden. Ein Kondensator 368 ist zwischen Erdpotential und einen HilfsSpannungseingang der Mikroprozessoreinheit
308 geschaltet. Ein Quarz 372 ist an einen ihm zugeordneten Eingang der Mikroprozessoreinheit 308 angeschaltet.
Ein Kondensator 370 ist zwischen Erdpotential und einen Anschluß des Quarzes 3 72 geschaltet. Der Quarz 372 arbeitet
als zeitbestimmendes Element für die Mikroprozessoreinheit 308. _
Die digitale Signalverarbeitungs- und Speicherschaltung 52 enthält ferner eine Rückstellschaltung. Diese enthält einen
Rückstellschalter 374, mehrere Widerstände 376, 378 und 380,
einen Kondensator 382 und zwei invertierende Verstärker und 386 und dient dazu, die Mikroprozessoreinheit 308 nach
einer Unterbrechung der Stromversorgung zurückzustellen. Der
Ausgang des invertierenden Verstärkers 386 ist mit dem Rücfctelleingäng
der Mikroprozessoreinheit 308 verbunden.
Die Schnittstelle 54, die in Fig. 2d gezeigt ist, enthält zwei integrierte Anpassungsschaltungen 388 und 390 sowie einen integrierten,
binär ansteuerbaren Demultiplexer 392. Ein Widerstand 394 ist zwischen den positiven Pol einer Stromquelle
und den Verbindungspunkt eines Eingangs der Anpassungsschaltung 390 und des Demultiplexers 392 geschaltet. Widerstände 396, 398,
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400 und 402 sind mit jeweils einem Anschluß gemeinsam an den positiven Pol einer externen Stromquelle angeschaltet. Der
jeweils andere Anschluß dieser Widerstände ist mit einem Eingang der Anpassungsschaltung 390 verbunden.
Eine Gruppe von Widerständen 403, 404, 406 und 408 sowie eine Gruppe von Kondensatoren 410, 412, 414, 416 und 418 ist jeweils
auf einen gemeinsamen Schaltungspunkt geführt. Die zweiten Anschlüsse der Kondensatoren sind mit Erdpotential, die
zweiten Anschlüsse der Widerstände mit separaten Eingängen der Anpassungsschaltung 388 verbunden.
Beim Betrieb der Einrichtung erzeugt der integrierte Schaltkreis 102 (Fig. 2a) ein elektrisches Schwingungssignal mit einer
Grundfrequenz von 5 kHz. Die Frequenz dieses Signals kann durch das Potentiometer 114 geändert werden. Das Ausgangssignal des
integrierten Schaltkreises 102 wird gefiltert, um harmonische Komponenten des Schwingungssignals auszusondern. Danach wird
es im Verstärker 128 verstärkt und invertiert. Das Potentiometer 126 dient zur Einstellung der Form des Signals durch
Änderung der Filterwirkung.
Die Darlington-Transistorschaltungen 130 und 138 arbeiten komplementär und verstärken das Ausgangssignal des Verstärkers
128. Das Ausgangssignal der Komplementärschaltung wird dem Spitzendetektor 35 zugeführt, um die Arbeitsweise des integrierten
Schaltkreises 102 zu steuern.
Wie aus Fig. 2b hervorgeht, wird das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers
14 den Nullabgleichspotentiometern 160, 162, 164, 166, 168, 170, 172 und 174 sowie den induktiven Fühlersonden
16, 18, 20, 22, 24, 26, 28 und 30 zugeführt. Eine oder
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mehrere Sonden werden zur Messung der Größen eines Werkstücks verwendet. Bei dem vorzugsweisen Ausführungsbeispiel der Erfindung
stehen eine oder mehrere Fühlersonden in direktem Kontakt mit bestimmten Punkten des Werkstücks. Es ist jedoch
auch möglich, Sonden oder Wandler zu verwenden, die ohne Berührung
des Werkstücks arbeiten. Jede Sonde moduliert die Trägerfrequenz von 5 kHz proportional der Verlagerung des jeweils
in ihr enthaltenen induktiven Elements. Der Exklusiv-Analogschalter 38 wird sukzessiv durch die digitale Signalverarbeitungs-
und Speicherschaltung 52 über Leitungen getriggert, die zu einer Sammelleitung 211 gehören. Dabei wird
nacheinander jede Fühlersonde mit dem nicht invertierenden
Eingang des Differenzverstärkers 190 verbunden.
um Wertschwankungen einer jeden induktiven Fühlersonde zu
kompensieren, wählt der Exklusiv-Analogschalter 158 gleichzeitig
eines der Nullabgleichspotentiometer 160, 162, 164, 166, 168, 170, 172 und 174 aus, die jeweils einer bestimmten
Fühlersonde entsprechen, und verbindet das durch das jeweilige Potentiometer erzeugte Nullabgleichssignal mit dem invertierenden
Eingang des Differenzverstärkers 190. Die Brückenzweigschaltung 32 erzeugt in Verbindung mit jedem Potentiometer
eine Spannung, die das gegen Null verschiedene Signal einer jeden induktiven Fühlersonde auf Null einstellt. Der Exklusiv-Analogschalter
158 wird synchron mit dem Exklusiv-Analogschalter 38 durch die digitale Signalverarbeitungs- und Speicherschaltung
52 gesteuert, so daß dadurch das jeweils richtige Nullabgleichspotentiometer angeschaltet wird.
Der Differenzverstärker 190 verstärkt die Differenz zwischen dem von einem Nullabgleichspotentiometer und der Brückenzweigschaltung
32 erzeugten Signal und dem von der jeweiligen induktiven Fühlersonde erzeugten Signal. Der Exklusiv-Analog-
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schalter 194 wird durch die digitale Signalverarbeitungsund Speicherschaltung 52 über Leitungen gesteuert, die zu
einer Sammelleitung 211 gehören. Dadurch wird der jeweils geeignete Widerstand zur Einstellung der Verstärkung des
Differenzverstärkers 190 ausgewählt. Das Ausgangssignal des
Differenzverstärkers 190 wird durch den Pufferverstärker 192 invertiert und über einen Koppelkondensator 226 dem Eingang
eines abgeglichenen Netzwerks innerhalb des Demodulators 46 zugeführt.
Um eine synchrone Auswertung des von den induktiven Fühlersonden erzeugten modulierten Signals zu ermöglichen, muß ein Zusatzsignal
mit derselben Frequenz und Phase des auszuwertenden Trägerfrequenzsignals erzeugt werden. Der Phasenschieber 36
erzeugt dieses Zusatzsignal durch Verschiebung der Phase des am Ausgang des Leistungsverstärkers 14 auftretenden Signals.
Der Phasenschieber 36 arbeitet mit einem Differenzverstärker 163 mit variabler Gegenkopplung, um die Phase des Signals des
Leistungsverstärkers 14 zu verschieben. Dadurch wird gewährleistet, daß die Phase des Zusatzsignals mit derjenigen des
Signals am Ausgang des Differenzverstärkers 192 übereinstimmt. Das Potentiometer 180 wird entsprechend dem gewünschten Grad
der Phasenverschiebung eingestellt.
Der Verstärker 182 verstärkt dann das .Zusatzssignal und steuert
den invertierenden Verstärker 184 und den Eingang des CMOS-Schalters 186 an. Das Ausgangssignal des invertierenden Verstärkers
184 steuert den Eingang des CMOS-Schalters 188 an.
Die CMOS-Schalter 186 und 188 arbeiten als Zerhacker und arbeiten
in Verbindung mit dem Demodulator 46 zur synchronen Auswertung des modulierten Trägersignals. Da das demodulierte
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Signal ein analoges Gleichstromsignal ist, erzeugt der Differenzverstärker 243 ein verstärktes Gleichstromsignal
an seinem Ausgang. Das Potentiometer 256 dient zum Ausgleich des Offsets am Ausgang des Differenzverstärkers 243.
Um eine digitale Verarbeitung der Informationen zu ermöglichen, die von jeder induktiven Fühlersonde abgegeben werden,
ist der Analog-Digital-Umsetzer 50 (Fig. 2c) vorgesehen, der das analoge Gleichstromsignal am Ausgang des Demodulators
46 in ein binäres achtstelliges Digitalsignal umsetzt. Der invertierende Verstärker 286 erzeugt ein elektrisches
Schwingungssignal, das dem Takteingang des integrierten Schaltkreises
296 im Analog-Digital-Umsetzer zugeführt wird. Sechs der acht Ausgänge des integrierten Schaltkreises 296 sind mit
einer Pufferschaltung 302 für drei Signalzustände verbunden.
Das Ausgangssignal der Pufferschaltung 302 wird der Mikroprozessoreinheit 308 zugeführt, die es, gesteuert durch das
gespeicherte Programm, an einem vorbestimmten Speicherabschnitt speichert.
Während des Betriebs der Einrichtung werden die Anzahl der jeweils
verwendeten Fühlersonden sowie ihre spezielle Funktion in den Festwertspeicher 310 einprogrammiert. Änderungen der
jeweiligen Anwendung des Meßsystems können in einfacher Weise
durch Einstecken eines anders organisierten Festwertspeichers vorgenommen werden.
Die Verwendung einer Unterprogrammsteuerung zur digitalen Signalverarbeitung ermöglicht eine automatische Driftkorrektur
für die mit mehreren Fühlersonden verbundene Meßschaltung.
Beispielsweise besteht ein Verfahren zum Nullabgleich einer jeden induktiven Fühlersonde darin, ein Musterwerkstück
in eine Meßvorrichtung einzusetzen und jede Fühlersonde mit
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einem der Potentiometer 160, 162, 164, 166, 168, 170, 172 und 174 (Fig. 2b) abzugleichen. Bei einer Meßschaltung mit mehreren
Fühlersonden wird jedoch das Musterwerkstück in die Meßvorrichtung
eingesetzt, und alle Fühlersonden werden sequentiell abgetastet und ihre Werte gespeichert. Da jedes Abtastergebnis
einer Fühlersonde an einer anderen Speicherstelle gespeichert wird, können diese Werte digital von den Werten subtrahiert
werden, die während des Nullabgleichs erhalten wurden. Hierzu dient der Mikroprozessor 110, und dabei werden jegliche
durch Drift erzeugte Abweichungen von Null korrigiert. Die Subtraktionen werden durch ein Programm für den Mikroprozessor
gesteuert, das an geeigneter Stelle im Speicher gespeichert ist. Diese Korrekturen werden im Speicher festgehalten, bis
das Musterwerkstück erneut zur überprüfung hinsichtlich Drifterscheinungen
eingesetzt wird. Fällt eine Stromversorgung aus, so ermöglicht eine Notbatterie, die mit dem Hilfsspannungseingang
der Mikroprozessoreinheit 308 verbunden ist, eine Beibehaltung des Speicherinhalts für mehrere Tage.
Die Mikroprozessoreinheit 308 kann so programmiert sein, daß sie mit den in ihrem Speicher vorhandenen Sondensignalen
auch andere Operationen durchführen kann, beispielsweise eine Bestimmung des Unterschieds zwischen den Sondensignalen oder
eine Berechnung des Abstands zwischen Punkten auf dem Werkstück
abhängig von den Sondensignalen.
Um die am Ausgang der Mikroprozessoreinheit 308 auftretenden Informationen zu nutzen, sind in der Schnittstelle 54 (Fig. 2d)
die Anpassungsschaltungen 388 und 390 vorgesehen. Der Ausgang
der Anpassungsschaltung 390 ist mit einem binär adressierbaren Demultiplexer 392 verbunden. Das Ausgangssignal dieses Demultiplexers
392 dient zur Ansteuerung einer optischen Anzeigevorrichtung. Die Anpassungsschaltung 388 dient als Hilfsschaltung
und kann beispielsweise zur Begrenzung des Ausgangs-
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signals sowie zur Ordnung der Steuerausgänge und verschiedener
Steuereingänge benutzt werden.
Fällt eine Stromversorgung aus, so muß der Rückstellschalter 374 (Fig. 2c) betätigt werden, um die Mikroprozessoreinheit
308 rückzustellen. Wird der Rückstellschalter 374 betätigt, so ändert ein Impuls den Zustand eines jeden invertierenden
Verstärkers 384 und 386. Das Ausgangssignal des invertierenden
Verstärkers 386 triggert den Rückstelleingang der Mikroprozessoreinheit 308.
In dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind acht Fühlersonden vorgesehen. Das System kann jedoch
auch sehr leicht für jede andere Zahl von Fühlersonden eingerichtet
werden.
Die im folgenden angegebenen Werte der Einzelelemente gelten
für ein vorzugsweises Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die integrierten Schaltkreise sind handelsüblich und können von
einschlägigen Firmen bezogen werden.
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Schaltelemente
Bezugszeichen Typ Wert oder Bezeichnung
44 102 104 106 108 110 112 114 115 116 118 120
122 124 126 128, 130 132 134 136 138 140 142 144 146 148 150
Integrierter Schaltkreis
Widerstand
Widerstand
Integrierter Schaltkreis
Widerstand
Widerstand
Widerstand
Kondensator
Kondensator
Potentiometer
Widerstand
Widerstand
Widerstand
Widerstand
Kondensator
Kondensator
Potentiometer
Integrierter Schaltkreis
Darlington-Transistoren
Diode
Diode
Diode
Darlington-Transistoren
Widerstand
Widerstand
Widerstand
Widerstand
Kondensator
Kondensator CD 4051
I kohm 50 kOhm XR 2206 180 Ohm
100 kOhm
II kOhm .015 μΡ 1,0 μΡ
5 kOhm 3,24 kOhm 220 Ohm 6,49 kOhm 6,49 kOhm .015 \iF
.015 uF 1 kOhm 4558
MPS-U45 IN914
IN914 IN914 MPS-U95
10 kOhm 2,2 Ohm 0,5 W 2,2 Ohm 0,5 W 10 Ohm
10 μΡ 10 \lF
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Bezugszeichen Typ
Wert oder Bezeichnung
152 154 156 158 160 161 162 163 164 165 166 167 169 170
171 172 173 174 176 178 180 182, 184 186, 188
190 192 194 .
196 198 200 202 204
Kondensator 0,1 μΡ
Widerstand 511 Ohm
Widerstand 511 Ohm
Integrierter Schaltkreis CD 4051
Potentiometer 20 kOhm
Potentiometer 20 kOhm
Potentiometer 20 kOhm
Potentiometer 20 kOhm
Potentiometer 20 kOhm
Potentiometer 20 kOhm
Potentiometer 20 kOhm
Potentiometer 20 kOhm
Widerstand 3,16 kOhm
Widerstand 3,16 kOhm
Widerstand 3,16 kOhm
Widerstand 4,70 kOhm
Kondensator 0,0! μΡ
Kondensator 0,01 μF
Kondensator 0,01 μΡ
Kondensator 0,1 μΡ
Potentiometer 100 kOhm
Integrierter Schaltkreis TL 082
Integrierter Schaltkreis 4066
Integrierter Schaltkreis 3660
Integrierter Schaltkreis TL 082
Integrierter Schaltkreis CD 4051
Widerstand 49,9 kOhm
Widerstand 49,9 kOhm
Potentiometer 1 MOhm
Widerstand 20,0 kOhm
Widerstand 10,0 kOhm
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Bezugszeichen Typ
Wert oder Bezeichnung
206 208 210 212 214 216 218 220 222 224 226 228 320 232 234 336 238
240 242 243 244 246 248 250 252 256 258 260 262 264 266
Widerstand 4,00 kOhm
Widerstand 2,00 kOhm
Widerstand 25,0 kOhm
Widerstand 10,2 kOhm
Widerstand 5,10 kOhm
Widerstand 2,50 kOhm
Kondensator 0,001 μΡ
Widerstand 5 kOhm
Widerstand 25 kOhm
Widerstand 5 kOhm
Kondensator 0,1 \iF
Widerstand 2,5 kOhm
Widerstand 20 kOhm
Widerstand 25 kOhm
Widerstand 2,5 kOhm
Widerstand 20 kOhm
Widerstand 25 kOhm
Kondensator 0,1 \iF
Kondensator 0,1 uF Integrierter Schaltkreis LM 308
Widerstand 100 kOhra
Kondensator 0,001 μΡ
Kondensator 100 pF
Widerstand 100 kOhm
Widerstand 1 kOhm
Widerstand 100 kOhm Integrierter Schaltkreis LM 301
Widerstand 4,7 kOhm
Widerstand 4,7 kOhm
Diode IN914
Kondensator 10 μΡ
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Bezugszeichen Typ
Wert oder Bezeichnung
268 270 272 274 276 278 280 282 284 286 290
292 294 296 298 300 302 304 306 308 310 312 314 316 318 320 322 324 326 328 330
Widerstand 10 kohm
Integrierter Schaltkreis LM 308
Widerstand 10 kOhm
Widerstand 10 kOhm
Widerstand 10 kOhm
Kondensator 0,22 μΡ
Potentiometer 50 kOhm
Widerstand 10 kOhm
Diode IN914
Integrierter Schaltkreis 4584
Widerstand 100 kOhm
Widerstand 10 kOhm
Kondensator 120 pF
Integrierter Schaltkreis MM 5357
Diode IN914
Integrierter Schaltkreis 4584
Integrierter Schaltkreis 4503
Widerstand 10 kOhm
Widerstand 10 kOhm
Integrierter Schaltkreis MC6802
Integrierter Schaltkreis 2708
Integrierter Schaltkreis 4503
Integrierter Schaltkreis 4503
Integrierter Schaltkreis 74LS138
Integrierter Schaltkreis 74LS00
Integrierter Schaltkreis 74LS00
Integrierter Schaltkreis 74LS00
Integrierter Schaltkreis 74LS00
Integrierter Schaltkreis 74LS00
Integrierter Schaltkreis 74LS00
Integrierter Schaltkreis 74LS00
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Bezugszeichen Typ
Wert oder Bezeichnung
| 332 | Drehschalter | 6020 |
| 333 | Widerstand | 10 kOhm |
| 334 | Widerstand | 10 kOhm |
| 336 | Widerstand | 10 kOhm |
| 338 | Widerstand | 10 kOhm |
| 340 | Widerstand | 10 kOhm |
| 342 | Widerstand | 10 kOhm |
| 344 | Drehschalter | 6060 |
| 346 | Widerstand | 10 kOhm |
| 348 | Widerstand | 10 kOhm |
| 350 | Vierfachschalter | 6040 |
| 352 | Widerstand | 10 kOhm |
| 354 | Widerstand | 10 kOhm |
| 356 | Widerstand | 10 kOhm |
| 358 | Widerstand | 10 kOhm |
| 360 | Widerstand | 4,7 kOhm |
| 362 | Widerstand | 4,7 kOhm |
| 364 | Widerstand | 4,7 kOhm |
| 366 | Widerstand | 4,7 kOhm |
| 368 | Kondensator | 0,1 \iF |
| 370 | Kondensator | 22 pF |
| 372 | Quarz | 3,58 MHz |
| 374 | Rückstellschalter | |
| 376 | Widerstand | 4 70 Ohm |
| 378 | Widerstand | 100 kOhm |
| 380 | Widerstand | 1 kOhm |
| 382 | Kondensator | 5 \iF |
| 384, 386 | Integrierter Schaltkreis | 4584 |
| 388 | Integrierter Schaltkreis | MC6820 |
| 390 | Integrierter Schaltkreis | MC6820 |
| 392 | Integrierter Schaltkreis | 4051 |
909844/0887
916096
Bezugszeichen Typ Wert oder Bezeichnung
394 396 398 400 402 403 404 406 408 410 412 414 416 418
420
Widerstand
Widerstand
Widerstand
Widerstand
Widerstand
Widerstand
Widerstand
Widerstand
Widerstand
Kondensator
Kondensator
Kondensator
Kondensator
Kondensator
Kondensator 10 kOhm 10 kOhm 10 kOhm
10 kOhm 10 kOhm 10 kOhm 10 kOhm
10 kOhm 10 kOhm 0,1 uF
0,1 HF
0,1 \iF
0,1 HF
0,1 HF
15 UF
0,1 HF
0,1 \iF
0,1 HF
0,1 HF
15 UF
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Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels
mit bestimmten Bemessungen der Einzelelemente beschrieben. Es sind jedoch zahlreiche Abänderungen
und Zusätze möglich, die von dem erläuterten Ausführungsbeispiel abweichen. Deshalb können alle vorstehend beschriebenen
Merkmale der Erfindung einzeln oder in beliebiger Zusammenfassung erfindungswesentlich sein.
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THE VALERON CORPORATION
90984 4/0887
Claims (7)
1.)Einrichtung zur Bestimmung verschiedener Abmessungen von
-s Werkstücken mittels mehrerer jeweils ein analoges elektrisches
Signal abgebender Fühlersonden, die mit einer digitalen
Auswerteschaltung verbunden sind, gekennzeichnet durch eine die Fühlersonden (16 bis 30) mit einem Analog-Digital-Umsetzer
(50) verbindende Schaltervorrichtung (38), durch eine von dem Analog-Digital-Umsetzer (50) gespeiste
digitale Signalverarbeitungs- und Speicherschaltung (52),
die mit einem Steuereingang der Schaltervorrichtung (38) verbunden ist und diese automatisch so steuert, daß sie
das analoge Ausgangssignal einer jeweiligen Fühlersonde
(16 bis 30) auf den Analog-Digital-Umsetzer (50) gemäß einem in der Signalverarbeitungs- und Speicherschaltung (52)
gespeicherten Programm schaltet, und durch die Speicherung der von dem Analog-Digital-Umsetzer (50) abgegebenen digitalen
Signale in vorbestimmten Speicherabschnitten der Signalverarbeitungs- und Speicherschaltung (52) und die
Verarbeitung dieser Signale zur Abgabe von Ausgangssignalen gemäß dem gespeicherten Programm.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Fühlersonden (16 bis 30) mit einem Oszillator (12)
verbunden sind, der sie mit einem elektrischen Anregungssignal speist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen einen Eingang und einen Ausgang des Oszillators (12) ein Spitzendetektor (35) geschaltet ist, der eine
Spitzenwertbegrenzung des Anregungssignals bewirkt.
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4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlersonden (16 bis 30) zumindest
zwei induktive Wandlervorrichtungen sind, die das von dem Oszillator (12) abgegebene Anregungssignal abhängig von
ihrer Position relativ zu dem Werkstück modulieren, daß zur Demodulation des modulierten Anregungssignals ein Demodulator
(46) vorgesehen ist, der ein Gleichstromsignal abgibt und durch die Schaltervorrichtung (38) wahlweise mit
jeweils einer Fühlersonde (16 bis 30) verbunden wird, und daß der Analog-Digital-Umsetzer (50) mit dem Ausgang des
Demodulators (46) verbunden ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Demodulator (46) einen Synchrondetektor zur Feststellung
der Modulationskomponenten des modulierten Anregungssignals
enthält.
6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß Vorrichtungen (160 bis 174) zur Erzeugung von Referenzsignalen
aus den Ausgangssignalen der Fühlersonden (16 bis 30) für ein Musterwerkstück vorgesehen sind und daß die Signalverarbeitungs-
und Speicherschaltung (52) Vorrichtungen zur Speicherung den Referenzsignalen entsprechender digitaler
Referenzsignale enthält, so daß die digitalen Referenzsignale mit von dem Analog-Digital-Umsetzer (50) abgegebenen digitalen
Meßsignalen zur Eichung der Einrichtung nutzbar sind.
7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Schaltervorrichtung {38)
und dem Demodulator (46) ein Differenzverstärker (40) vorgesehen ist, dessen Verstärkung abhängig von der Signalverarbeitungs-
und Speicherschaltung (52) entsprechend von dieser erzeugten Steuersignalen einstellbar iat.
909844/0817
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