DE2932977A1

DE2932977A1 - Graphische digitalisierungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2932977A1
Application number: DE19792932977
Authority: DE
Inventors: Brownlow Joseph Fadden; Richard W Prugh
Original assignee: GTCO CORP
Current assignee: GTCO CORP
Priority date: 1978-08-14
Filing date: 1979-08-14
Publication date: 1980-03-06
Also published as: GB2032115A; DE2932977C2; FR2443105A1; FR2443105B3; CA1118072A; JPS633334B2; GB2032115B; JPS5547576A; US4206314A

Description

TER MEER . MÜLLER · STElNMEiSTER GTCO Corp.

BESCHREIBUNG

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur

Bestimmung der körperlichen Position oder Koordinatenbestimmung auf einer Oberfläche bezüglich einem Gitter aus parallelen Leitern, indem ein Läufer Verwendung findet, der eine Spule enthält; insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position des Läufers in einer kontinuierlichen linearen Weise sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff der Patentansprüche.

Im Stand der Technik sind Geräte bekannt, die die Position eines Schreibinstrumentes in elektrische Signale zur übertragung an einem entfernt liegenden Ort so umwandeln, daß die Position und die entsprechenden Bewegungen des Schreibinstruments wiedergewonnen werden können. Auf diese Weise können an entfernt liegenden Orten Zeichnungen, Manuskripte und ähnliches reproduziert werden. Unter den bekannten höherentwickelten Geräten befinden sich solche, bei denen die Bewegungen des Schreibinstrumentes in Richtung der X- und Y-Koordinaten auf elektromagnetische oder ähnliche Weise erfaßt werden und die erfaßten Koordinaten in Signale umgesetzt werden, die für eine übertragung geeignet sind. Die in der bekannten Weise abgeleiteten X- und Y-Koordinaten-Positionsinformationen können als Eingangssignale für Datenverarbeitungsanlagen wie Computer, entfernt aufgestellte Datenstationen und spezielle Systeme zum Verarbeiten von Koordinatendaten verwendet werden.

Nachteile einiger der bekannten Geräte sind das begrenzte Auflösungsvermögen, schädliche Umgebungseinflüsse, Empfindlichkeit bezüglich der Justierung und mangelnde

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Genauigkeit in einem Maße, das wünschenswert wäre. Eine Reihe anderer Probleme besteht bei diesen bekannten Systemen aus der Notwendigkeit, eine hohe Dichte der Gitterdrähte für eine ausreichende Leistungsfähigkeit in Verbindung mit komplexeren Schaltkreisen vorzusehen.

Beispielsweise sind die meisten dieser Systeme sowohl amplituden- als auch phasenempfindlich, wodurch sich strenge Einschränkungen bezüglich der Eingangsdaten des Systems ergeben. Ein weiteres Problem besteht darin, daß die Abstände der Gitterleitungen äußerst kritisch sind und nur sehr geringe Schwankungen toleriert werden können. Dementsprechend ist die Herstellung der Gitterplatte verhältnismäßig teuer. Ein weiteres Problem hängt damit zusammen, daß der Spulendurchmesser kritisch ist und die Lage des Sensors im wesentlichen parallel zu dem Gitter sein muß.

Schließlich tritt bei den bekannten Sensoren noch das Problem auf, daß der Läufer während einer einzelnen Operation nicht abgenommen und danach wieder eingesetzt werden darf, sondern vom Startpunkt aus geführt werden muß, wenn er vor dem Ende der Operation weggenommen wurde.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die Position eines Läufers in einer kontinuierlichen linearen Weise bestimmt werden kann und bei der genaue elektrische Interpolationsmethoden zur Bestimmung der Position zwischen den Gittern verwendet werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Das hochauflösende absolute Koordinaten digitalisierende System wandelt jede Art von graphischen Daten in eine

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Form um, die zur Wiedergabe, zur Aufzeichnung, zur Verarbeitung mit einem Computer oder zur Verwendung bei einem interaktiven rechnergestützten Entwurf geeignet ist. Das Grundgerät besteht aus einer Platte oder einem Gitterdigitalisierer, einem auswechselbaren Kreuzfaden/Stiftläufer und einem Steuergerät. Die Platten oder Gitter können in Größen hergestellt werden, die von wenigen Zentimetern bis über 150 cm in jeder Achse reichen und über verschiedene Auflösungsvermögen verfügen, wie beispielsweise 0,024 mm oder 0,24 mm.

Eine neue quarzgesteuerte elektromagnetische Abtast- und Entfernungsmeßmethode wird in Verbindung mit einem freibeweglichen Läufer verwendet und gestattet die Digitalisie- rung von graphischen Informationen auf Materialien bis zu einer Stärke von mehreren Zentimetern (mehreren Zoll). Das elektromagnetische Verfahren ist verhältnismäßig immun gegenüber schädlichen äußeren Einflüssen wie Temperatureinflüsse, Feuchtigkeit, akustische Störungen, Magnetisierung, Oberflächendruck, Änderungen der Drahtspannung und durch die Hand der Bedienungsperson oder den Schreibstift und die Tintenmarkierungen hervorgerufene dielektrische Veränderungen, wie sie bei manchen anderen Methoden auftreten. Im Gegensatz zu anderen Methoden sind keine Justierungen erforderlich und es ergibt sich eine Langzeitstabilität bei der Verwendung eines Gitternetzwerkes aus genau gedruckten oder geätzten Leitungsdrähten. Die absolute Koordinatenmethode garantiert größte Geschwindigkeit und Wirksamkeit bei allen Digitalisierungsoperationen, da der Läufer von der Oberfläche abgehoben werden darf, wenn er zum nächsten Punkt auf der Zeichnung oder Karte wandert.

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ORIGINAL INSPECTED

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Bei dem Digitalisierungsgerat zur Bestimmung oder Messung der XY-Koordinatenposition ist ein Läufer (Induktor) in einem durch sukzessive Erregung von Gitterdrähten erzeugten elektromagnetischen Feld beweglich und erzeugt aus dem Feld eine Spannung, die zusammen mit den Verarbeitungsschaltkreisen die erforderliche elektrische Intelligenz liefert, um die Position des Läufers mit einem hohen Maß an Präzision anzuzeigen. Ströme werden nacheinander durch parallel verlaufende, in bestimmten Abständen voneinander angeordnete und einer bestimmten Achse zugeordnete Gitterleitungen geschickt, und das resultierende sukzessive erzeugte Feld erzeugt eine zeitlich veränderliche Spannung am Ausgang der Läuferspule mit einer Amplitude und Phase, die von der Position des Läufers in bezug auf die erregte Gitterleitung abhängig sind.

Verarbeitungsschaltkreise, an die das Ausgangssignal der Läuferspule angeschlossen ist, erfassen die Phasenumkehr im Ausgangssignal der Läuferspule und interpretieren diesen Umkehrpunkt in einer Weise, die sehr genau und linear die Position des Läufers der Zeit zuordnet und erzeugen einen Stopimpuls, der angibt, daß die Phasenumkehr festgestellt worden ist. Ein Freigabesignal wird bei einem beliebigen Bezugspunkt ausgelöst und durch einen Stopimpuls beendet. Es gestattet einem Präzisionstaktgeber, die Entfernung des Läufers von diesem beliebigen Bezugspunkt der Zeit zuzuordnen, die erforderlich ist, um den Läufermittelpunkt, ausgehend vom Bezugspunkt zu erreichen. Die Läuferposition wird somit eine Funktion der genau erzeugten und in einem Zähler aufsummierten Impulse.

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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich der Vorteil, daß die erwünschte Auflösung durch Verändern der Zählgeschwindigkeit variiert werden kann. Die Genauig-

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keit der Ausgangswerte ist nicht völlig abhängig von der Abtastgeschwindigkeit. Ein weiterer Vorteil ist es, daß die Vorrichtung im wesentlichen unempfindlich gegenüber Amplituden~und Phasenänderungen ist. Der Durchmesser der Läuferspule ist nicht kritisch und eine gewisse Neigung der Läuferspule ist statthaft. Bei der neuen Vorrichtung werden absolute Koordinaten bestimmt und ein Wegnehmen des Läufers von der Gitterplatte und Wiederaufsetzen ist ohne Reinitialisierung möglich. Weitere Vorteile bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen darin, daß keine vorsorglichen Routinewartungen erforderlich sind, nur wenige Drähte pro Zentimeter benötigt werden, das System ohne Justierungen stabil ist, das System verhältnismäßig unempfindlicher gegenüber Temperatur, Feuchtigkeit, Geräuschen, dielektrischen Veränderungen, magnetischen und elektrischen Störungen ist, daß das System auswechselbare Untergruppen aufweist, daß das System weniger Bauelemente und geringere Montagearbeiten erfordert, daß das System verhältnismäßig unempfindlich gegenüber dem Ausgangsmaterial (hard copy) und dessen Dicke (außer eisenhaltigen Metallen) ist und daß durch Mehrfachbenutzung von Leitungen an verschiedenen Stellen der Gitterplatte die erforderliche Anzahl von Speiseleitungen verkleinert ist.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in beispielsweisen Ausfuhrungsformen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Diagramme zur Erläuterung der für die Ableitung einer Darstellung des komplexen

Läufersignals verwendeten Mathematik;

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Fig. 3 ein Kurvenbild der Funktionen H(x, t) und f(t), die durch Analyse des Läufersignals abgeleitet wurden;

Fig. 4 ein Blockdiagranun der Grundbausteine einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 5 ein Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 6 ein Schaltbild des Konstantstrom-Gitteransteuerungs-Multiplexers und der Gitterplatte; Fig. 7 eine Schnittansicht des Digitalisierungs-

tisches in auseinandergezogener Anordnung und

Fig. 8 Kurvendarstellungen der Signalausgänge an verschiedenen Punkten in dem System nach Fig. 5.

Die grundlegenden Prinzipien der Erfindung können allgemein im Zusammenhang mit einem System zur Digitalisierung von Koordinaten beschrieben werden, bei dem ein Läufer über eine Fläche mit Drähten geführt wird, die ein Gitter aus zwei rechtwinklig zueinander verlaufenden Parallelenscharen bilden. Die Drähte sind von Hand oder maschinell verlegt, oder auf glasfaserverstärkten Kunststoff-Schaltungsplatten, Glas oder einem anderen geeigneten beständigen Grundmaterial gedruckt oder geätzt.

Das Hauptmerkmal der Erfindung besteht darin, daß ein elektromagnetisches Feld oder eine elektromagnetische Wellenfront erzeugt wird, indem sequentiell das Gitter abgetastet wird oder in aufeinanderfolgenden Schritten hinuntergeschritten wird und dadurch eine Wellenfront in aufeinanderfolgenden Schritten das Gitter hinunterzulaufen scheint, die das Gitter mit einer gleichmäßigen, steuerbaren Geschwindigkeit durchläuft und dabei die Spule des Läufers überholt. Da es möglich ist, diese Welle mit einer großen

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geschwindigkeitskonstan² anscheinend fortschreiten zu lassen, gestattet eine einfache Zeitmessung die Bestimmung der Läuferposition über dem Gitter.

Die vorliegende Erfindung macht von verschiedenen, bekannten Prinzipien Gebrauch, um dies zu erreichen. Einerseits ist bei einer Spule, die in die Nähe eines einen Wechselstrom führenden Leiters gebracht wird, die Energieübertragung umso größer, je näher sich die Spule am Leiter befindet und andererseits sind die entsprechenden, von der Spule aufgenommenen Signale um 180 phasenverschoben, wenn der Leiter zunächst auf der einen Seite einer Spule mit einer bestimmten Phase und danach auf der anderen Seite erregt wird.

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Ein weniger offensichtliches Prinzip liegt der Ermittlung oder Interpolation eines zeitlich linear zugeordneten ßezugswertsignales oder Stopsignals aus der Hüllkurve des Signals der Läuferspule zugrunde, wenn eine taktmäßige oder gesteuerte Welle, die durch aufeinanderfolgendes Erregen von Gitterleitungen erzeugt wurde, von einem Ende zum anderen Ende eines Gitternetzwerks bewegt und somit von einer Seite auf die andere Seite der Läuferspule bewegt wird. In der vorliegenden Erfindung wird dies in einer besonderen und linearen Weise dadurch erreicht, daß bei jedem Abtasten des Gitters ein Nullwert in der Hüllkurve des Läufersignals erfaßt wird (siehe Fig. 8b). Viele bekannte Methoden können zur Nullanzeige herangezogen werden. Das hier beschriebene Ausführungsbeispiel verfügt dazu über eine Filterschaltung, die in besonderer Weise auf die komplexe Läufersignal-Wellenform anspricht, um den elektrischen Mittelpunkt der Läuferspule mit einer Auflösung, Genauigkeit und Stabilität anzugeben oder zu interpolieren, die mit anderen Techniken

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unter Verwendung vergleichbarer Drahtabstände und Bauelementezahlen sowie ohne Justierungen nicht möglich sind.

Zur Bestimmung des elektrischen Aufbaus des Filters wurde die komplexe Läufersignal-Wellenform mathematisch wie folgt definiert.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, liegt die Aufnahmespule des Läufers in einer Höhe h- über den nacheinander erregten parallelen Gitterdrähten. Wie unten beschrieben ist, befindet sich eine stählerne Abschirmung in einem Abstand d unter diesen Drähten. Das resultierende magnetische Feld ist das gleiche wie das, das durch einen sich im Abstand h₁ unterhalb der Spule befindenden Draht und einen weiteren sich im Abstand h„ = h. + 2d von der Aufnahmespule angeordneten Draht mit entgegengesetzter Stromrichtung erzeugt wird.

Der Fluß durch die Spulen wurde unter Betrachtung eines beliebigen Punktes auf der Aufnahmefläche (Oberfläche der Platte) berechnet. In Fig. 2 ist die Entfernung zum Draht entlang der horizontalen Ebene mit χ bezeichnet. Daher ist die Normalkomponente des Flusses gegeben durch:

I cosQ = -j—- j ⁽¹⁾

x ₊ h

Wegen der Abschirmung gilt für die Gesamtkomponente:

x/(x² + h²) - x/(x² + h₂ ²) = U (2)

Um den gesamten Fluß durch die Spule zu bestimmen, wird

das Integral über die Fläche des die Spule begrenzenden Kreises berechnet. Wie aus Fig. 2 erkennbar ist, bezeichnet X_n den horizontalen Abstand der Mitte der Spule von dem

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Gitterdraht. Ein Maßstabsfaktor ist so gewählt, daß der Spulenradius 1 beträgt.

In der Spulenebene bezeichnet y die Achse parallel zu den Gitterdrähten. Indem man in x-Richtung integriert, erhält man für den Gesamtfluß

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log

(X₀-X)

(x_o+x)

2 2

mit χ + y

=1

dy

(3)

Durch Einsetzen von y = cosö und χ = sine sowie dy = -sin9d© ergibt sich für den Gesamtfluß

20 2U=-

"(sin θ - x)² + h ² (sin θ + x) ² +

2
(sin Θ + x) +

(sin θ - χ) + h.

sinedö

Nachdem die komplexe Laufersignal-Wellenform bestimmt war, wurde eine Filterfunktion f(t) gewählt, die praktisch und genau ist, um auf ü(x) so einzuwirken, daß die sich ergebenden Nullstellen ein höchst genaues und lineares Ausgangssignal als eine Funktion der Zeit und der Entfernung liefern.

Das Ausgangssignal des Systems ist wie folgt definiert:

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H(x,t)=^ü(x-k)f (t-k)

(5)

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Die Nullstellen von H wurden mit Hilfe eines Computers für verschiedene Probenfunktionen für f (t) berechnet. Extrem genaue und lineare Ergebnisse ergaben sich bei Verwendung von:
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f (t)=e"°'^5Tsin⁴(0,5t) , t> 0 (6)

f(t)=O t6 0 (7)

Durch Benutzen zahlreicher Probenpunkte und der linearen

Näherung nach der Methode der kleinsten Quadrate zur Bestimmung der Abweichung wurde ein theoretischer Systemfehler von 0,036 mm (0,0014 inch) erreicht.

Fig. 3 zeigt die Kurven von H(1,t), H(3,t) und f (t).

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, sind die Amplituden der Maxima von H(x,t) verschieden, jedoch liegen die Nullstellen _2n von H(x,t) bei diesem Beispiel genau zwei Einteilungen auf der Zeitachse voneinander entfernt.

Der in Fig. 4 dargestellte Abtast- und Filterdetektor

— 0 5T 4 23 wurde ausgehend von der Filterfunktion f(t)=e ' sin (0,5t)

„_ synthetisiert.

Die elektrische Verwirklichung von f(t) ist hinsichtlich der Bauelementezahl und der Montage äußerst einfach und erfordert lediglich preiswerte, im Handel erhältliche Bauelemente.

Die Ermittlung der Position der Läuferspule mit Hilfe der oben angegebenen Mittel führt zu einem Güteniveau, das

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nicht mit Verfahren, bei denen die Augenblicks- oder Spitzenamplitude oder die Phase gemessen werden, unter Verwendung der gleichen Anzahl von Gitterdrähten und Bauelementen erreichbar ist. Wie durch die oben aufgeführten Gleichungen gezeigt wird, ist das Nachweisverfahren mathematisch voraussagbar und zeigt, daß ein außergewöhnlich hohes Leistungsniveau erreichbar ist. Die Filtereigenschaften sind daher ohnegleichen und kritisch dem erzeugten Läuferspulensignal zugeordnet.

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Andere Abarten zur Ansteuerung der Gitterdrähte können verwendet werden, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen, vorausgesetzt, daß der Kommando- oder Interpolations-Filterschaikrc-is so abgeändert wird, daß er ein Ausgangssignal liefert, das genau und linear die Entfernung des elektrischen Zentrums des Phasenumkehrpunktes des Läufers von einem Bezugspunkt der Zeit zuordnet.

Dieser Schaltkreis verarbeitet dann das komplexe Läufersignal, das in der Läuferspule infolge der sequentiellen Erregung der Gitterdrähte durch Hindurchschicken eines Stromes erzeugt wird, um ein Mittel zu liefern, das die Position des Läufers relativ zu einem willkürlichen Bezugspunkt dadurch mißt, daß die Entfernung der Zeit in einer genauen linearen Weise zugeordnet wird. Das beschriebene System gibt den Weg von einem Präzisionstaktgeber zu Zählern frei, wenn die elektromagnetische Wellenfront einen beliebigen Bezugspunkt erreicht hat und es sperrt die Präzisionstaktimpulse, sobald die oben beschriebene Detektorschaltung eine Phasenumkehr im komplexen Läufersignal feststellt. Die Zählerinhalte stellen dann einen Wert dar, der der Läuferposition genau zugeordnet ist. Ein X/Y-Abtastsystem ist vorgesehen, um die Läuferposition vollständig zu bestimmen, d.h., die horizontale Position wird

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zunächst durch Abtasten der X-Achse bestimmt und anschliessend wird die vertikale Position in ähnlicher Weise durch Abtasten der Y-Achse ermittelt. Die Leistungsfähigkeit des Systems wird dadurch erhöht, daß die Detektorschaltkreise und die Zählerschaltkreise für die X-Achse und die Y-Achse gemeinsam benutzbar sind und dadurch die Montage- und Bauelementekosten weiter reduziert werden.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild des Systems mit einem quarzgesteuerten Präzisionsoszillator und einem Frequenzteiler, die den Grundtakt des Systems und davon abgeleitete, für das Digitalisierungssystem erforderliche Unterteilungen bereitstellen. Verbindungen führen zu einem Gitteransteuerungs-Multiplexer 13 und einem System-Steuerwerk 15. Der Gitteransteuerungs-Multiplexer 13 arbeitet mit Unterteilungen des Grundtaktes des Systems und mit von dem Steuerwerk 15 zugeführten Eingangssignalen, um nacheinander die X-Gitterleitungen und dann die Y-Gitterleitungen in der Gitterplatte 19 mit elektrischer Energie zu versorgen.

Der Gitteransteuerungs-Multiplexer 13 ist insofern eigenartig, daß er die Anzahl der Verbindungen zwischen der Gitterplatte 19 und dem Digitalisierungsschaltsystem 10 verringert und keine aktiven Bauelemente in der Gitterplatte 19 erfordert, was vom Standpunkt der Wartung und Montage sehr vorteilhaft ist. Der Gitteransteuerungs-Multiplexer 13 baut somit das elektromagnetische Feld auf, das ein elektrisches Signal im Läufer 21 erzeugt. Der Läufer 21 führt dieses Signal dem Abtast- und Filter-Detektor 23 zu, in dem das Signal entsprechend verarbeitet wird, um ein Eingangssignal für das System-Steuerwerk 15 zu erzeugen, das die Läuferposition der Zeit in einer genauen linearen Weise zuordnet. Das System-Steuerwerk 15 überwacht die Systemfunktionen und liefert torgesteuerte Takt-

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impulse an die X- und Y-Zähler 17, in denen diese torgesteuerten Impulse in Zählern aufaddiert werden, um die Position des Läufers in der Ebene der Gitterplatte 19 genau darzustellen.
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Fig. 5 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Eingangssignal des Systems wird von einem quarzgesteuerten Oszillator 11 geliefert, der mit einer festen Frequenz schwingt. Der Ausgang des Oszillators 11 ist an einen Frequenzteiler und Untersetzer 35 angeschlossen, dessen Teilungsfaktor sowohl die Abtastgeschwindigkeit als auch die Auflösung des Systems bestimmt.

Ein erster Ausgang des Frequenzteilers 35 ist mit einem Abtaststeuerungs-Zähler 59 verbunden. Der Abtaststeuerungszähler 59 empfängt auch Eingangssignale von einem Start/Stop-Steuerungs-Zähler 53. Unter dem Einfluß dieser Eingangssignale liefert der Abtaststeuerungszähler 5 9 zu dem Konstantstrom-Gitteransteuerungs-Multiplexer 13 Eingangssignale, um in der richtigen Reihenfolge, jeweils zu einem Zeitpunkt Strom in einer Gitterleitung fließen zu lassen (nacheinander von links nach rechts entlang der X-Achse, danach nacheinander voη unten nach oben entlang der Y-Achse).

Ein weiterer Ausgang des Frequenzteilers 35 ist an den Konstantstrom-Gitteransteuerungs-Multiplexer 13 angekoppelt. Dieses Eingangssignal steuert eine Konstantstromquelle in dem Konstantstrom-Gitteransteuerungs-Multiplexer 13, der 3inen gesteuerten bestimmten Strom zu den ausgewählten Gitterdrähten leitet.

Der Konstantstrom-Gitteransteuerungs-Multiplexer 13 liefert Ausgangssignale an die Gitterplatte 19, um das sich

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bewegende elektromagnetische Feld zu erzeugen, welches von dem Läufer 21 als komplexe Läufer-Wellenform erfaßt wird, wie oben erläutert worden ist. Der Konstantstrom-Gitteransteuerungs-Multiplexer 13 ist für die Erfindung insofern entscheidend, daß er das Erfordernis der Verwendung aktiver Bauelemente in der Gitterplatte 19 beseitigt, indem er die Zahl der Verbindungen, die zur Ansteuerung einer großen Zahl von Gitterleitungen erforderlich sind, verringert. Dieser Schaltkreis ist im Detail in Fig. 6 dargestellt: Wie man dort sehen kann, besteht die Schaltung aus Senken und Quellen. Eine Senke liefert eine Masseverbindung für eine Gruppe von Gitterleitungen, während eine Quelle jeweils zu einer bestimmten Zeit einer Gitterleitung ein Konstantstromsignal zuführt. Andere Gitterleitungen sind zwar mit der aktivierten Quellenleitung verbunden, jedoch fließt durch diese Gitterleitungen kein Strom, weil die Senken an dem anderen Ende dieser Gitterleitungen nicht aktiv sind.

Der Läufer 21 speist die komplexe Läufer-Wellenform in das Filter 31 ein, das eine Stufe des synthetisierten Schaltkreises ist,welcher das für eine optimale Interpolation des Läufersignals erforderliche mathematische Modell darstellt, wie oben diskutiert worden ist. Der Ausgang des Filters 31 ist an einen Abtast- und Haltekreis 33 angekoppelt. Das Ausgangssignal des Filters 31 wird gesteuert von einem Ausgangssignal des Frequenzteilers und Untersetzers 35 abgetastet, so daß die Amplitudenproben mit der Gitterabtastung synchronisiert werden. Die abgetasteten Signale werden kapazitiv gespeichert und beaufschlagen ein Filter 37, das den synthetisierten Schaltkreis vervollständigt, der das oben diskutierte mathematische Modell

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darstellt und benötigt wird, um die Läuferposition linear der Zeit zuzuordnen.

Der Ausgang des Filters 37 ist an zwei Pegeldetektoren, einen Verriegelungsdetektor 39 und einen Stopdetektor 41 angeschlossen. Das Ausgangssignal des Filters 37 ist eine Spannungshüllkurve, die einer Periode einer Sinusschwingung angenähert ist, wie weiter unten im Zusammenhang mit Erläuterungen zu Fig. 8 diskutiert ist. Der Verriegelungsdetektor 39 erfaßt einen beliebigen Spannungspegel auf dieser Kurve, der anzeigt, daß der Läufer mit der Gitterplatte genügend stark elektrisch gekoppelt ist, um genaue Meßwerte zu ermöglichen. Das Ausgangssignal des Verriegelungsdetektors 39 taktet ein Flip-Flop 43, um ein Blockiersignal am Tor 45 zu beseitigen.

. Die beschriebene Ausfuhrungsform der Erfindung ermittelt einen Durchgang durch 0 Volt zwecks Aktivierung des Stopdetektors 41. Daher gelangt der erste Nulldurchgang des Ausgangssignals des Filters 37, der auf die Beseitigung des Blockiersignals am Ausgang des Flip-Flops 43 erfolgt, durch das Tor 45 als ein Stopsignal an den Takteingang des Flip-Flops 47, wodurch das Zählfenster-Freigabesignal an den Zählertoren 49 und 51 beseitigt wird.

Die Zählertore 49 und 51 erhalten auch Eingangssignale von dem Frequenzteiler und Untersetzer 35. Diese Eingangssignale sind hochfrequente Taktsignale (Zählertakt), die über die Zähler-Tore 49 oder 51 geleitet werden und die X-Zählersignale und Y-Zählersignale werden. Das Verhältnis der Frequenz der Zählertakte zu der Gitterabtastgeschwindigkeit bestimmt die Auflösung des Systems.

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Die Zähler-Tore 49 und 51 empfangen weiter noch Eingangssignale (X-Achse und Y-Achse) von dem Start/Stop-Steuerungszähler 53. Diese Signale geben an, welche Achse gerade abgetastet wird und geben zusammen mit dem (oben erörterten) Zählfenster-Signal über die entsprechenden Zählertore 49 und 51 das Zähler-Taktsignal zu dem X-Zähler 55 jder dem Y-Zähler 57 frei.

Der Start/Stop-Steuerungszähler 53 erhält von dem Frequenzteiler und Untersetzer 35 ein Eingangssignal, das ein Taktsignal mit einer Frequenz ist, die zweimal so groß ist wie die grundlegende Gitterabtastgeschwindigkeit. Der Zähler 53 erzeugt ein START-Signal, das den Flip-Flop 47 setzt, um das ZÄHLFENSTER-Signal h freizugeben und den Flip-Flop 43 zurückzusetzen. Dieses Signal START gibt den beliebigen oben erörterten Bezugspunkt an, von dem ausgehend die Zeit bis zum STOP-Signal gemessen wird, um eine genaue Darstellung der Position des Läufers zu erhalten. Die Zeit zwischen START und STOP entspricht der Länge des ZÄHLFENSTER-Signals.

Der Start/Stop-Steuerungszähler 53 weist auch einen mit dem Abtaststeuerungs-Zähler 59 verbundenen Ausgang auf, über den die Gitterabtastung mit den übrigen Schaltkreisen des Systems synchronisiert wird.

Weitere Ausgangssignale des Start/Stop-Steuerungszählers 53 sind die Signale "Zähler löschen" und "Register laden". Das Signal Zähler löschen stellt nach der Vollendung einer X-Abtastung und Y-Abtastung und gerade vor dem Beginn einer neuen X-Abtastung und Y-Abtastung den X-Zähler 55 und den Y-Zähler 57 zurück. Das Signal Register laden lädt nach einer kompletten X-und Y-Abtastung, aber noch

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vor dem Signal Zähler löschen den Inhalt des X-Zählers 55 und des Y-Zählers 57 in das X-Ausgangsregister 61 und das Y-Ausgangsregister 63.

Der X-Zähler 55 und der Y-Zähler 57 erhalten die X- und Y-Zählsignale jeweils als Eingangssignale. Die Inhalte dieser Zähler stellen zum Zeitpunkt des Auftretens des Signals Register laden die Positions des Läufers auf der Gitterplatte relativ zu einem beliebigen Bezugspunkt dar.

Der X-Zähler 55 und der Y-Zähler 57 weisen jeweils mit dö" X-Ausgangsregister 61 und dem Y-Ausgangsregister 63 verbundene Ausgänge auf. Die Ausgangssignale werden in die Register übernommen, sobald das Signal Register laden des Zählers 5 3 wirksam wird. Die Ausgangssignale dieser Register stehen für externe Anschlußgeräte wie Computer, Datenstationen usw. zur weiteren Verarbeitung oder Speicherung zur Verfügung.

Es sei darauf hingeweisen, daß der X-Zähler 55 und der Y-Zähler 57 in einem einzigen Zähler kombiniert sein können, um den Schaltungsaufwand weiter zu verringern, wobei dann die Ausgangssignale externen Geräten über einen Multiplexkanal zugeführt werden. Ebenfalls ist es möglich, das System so auszubilden, daß die X-Zählsignale und die Y-Zählsignale direkt als Ausgangssignale verwendet werden, so daß die Zähler und Register bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wegfallen können. In einem solchen Fall verfügen die externen Anschlußgeräte oder Schnittstellen über die zur Bestimmung der Läuferposition erforderlichen Schaltkreise. 30

Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für einen Digitalisierungstisch. Der Aufbau ist ersichlich sehr einfach und es werden lediglich

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vier Teile benötigt, wodurch sowohl die Materialkosten als auch die Arbeitskosten auf ein Minimum reduziert werden. Die Zuverlässigkeit des Digitalisierungstisches ist hervorragend, da sich keine aktiven elektronischen Bauelemente in dem Tisch befinden.

Der Digitalisierungstisch wird von einer schützenden Oberseitenabdeckung 71 umschlossen, die eine glatte Oberfläche aus dauerhaftem, abriebfestem Material aufweist.

Das Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung verfügt über eine gedruckte Schaltungsplatte 73 mit Leitern, die ein XY-Gitternetzwerk bilden (in Fig. 6 schematisch dargestellt), wobei sich die parallelen X-Leiter auf der Oberseite der Schaltungsplatte und die parallelen Y-Leiter auf der Unterseite der Schaltungsplatte befinden, und die Erzeugung des oben erörterten, sich bewegenden elektromagnetischen Feldes ermöglichen. Die gedruckte Schaltungsplatte führt die einzelnen Gitterleitungen auch zu den Anoden von Dioden 75 oder zu einem Quellen-Bus 81, wie Fig. 6 zeigt. Der Quellen-Bus 81 und die Kathoden der Dioden 75 werden dann zu einem .licht dargestellten, am Rande angeordneten, flachen Steckverbinder herausgeführt, um über ein Kabel mit der Elektronik des Konstantstrom-Gitteransteuerungs-Multiplexers 13 verbunden werden zu können. Andere Verfahren zur Herstellung des XY-Gitternetzwerkes lassen sich ebenfalls mit guten Arbeitsergebnissen einsetzen. Darunter befinden sich das Verlegen von Hand oder maschinelle Verlegen isolierter Drähte, die auf praktisch jedem eisenfreien Grundmaterial verklebt sein können, außerdem das Ätzen und Aufplattieren sowie das Beschichten. Ein nichtleitender Abstandshalter 77 (Fig. 7) dient zu zwei Zwecken. Er dient zur Isolierung der Y-Gitterleiter auf der Gitter-Schaltungsplatte 73 von der Abschirmung 79 und legt den Abstand d zwischen der Abschirmung 79 und den Gitterdrähten fest, wie in Fig. 1

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dargestellt ist und weiter oben im Zusammenhang mit der Ableitung des mathematischen Modells für das mittels der Gitteranordnung erzeugte elektromagnetische Feld diskutiert wurde. Eine Ausnehmung an einer Kante 76 des Abstandshalters 77 ist so ausgebildet, daß Platz für die Senkendioden 75 zur Verfügung steht. Die Abschirmung 79 dient als bodenseitige Schutzabdeckung für den Digitalisierungstisch. Bedeutender ist noch, daß sie ein integrierender Bestandteil bei der Erzeugung des elektromagnetischen Feldes ist.

Sie unterdrückt im wesentlichen das von nicht in unmittelbarer Nähe der Läufer-Aufnahmespule befindlichen Drähten erzeugte Feld. Dies ist nützlich, weil dadurch unerwünschte Randeffekte minimisiert werden, die durch die Diskontinuität des XY-Gitternetzwerkes an den Rändern des Tisches und die Felder verursacht werden, die durch die Zuführungsleitungen von den am Rand angeordneten Steckverbindern erzeugt werden. Auch verändert sie das erzeugte Feld in der Weise, daß das komplexe Läufer-Signal leichter zwischen den diskreten Gitterleitungen linearisierbar (Entfernung zu Zeit) wird. Die Abschirmung 7 9 verringert zusätzlich den Einfluß unerwünschter extern erzeugter elektronischer Störsignale. Schließlich verleiht sie dem Aufbau die erforderliche Steifigkeit. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird kaltgewalzter Stahl als Abschirmmaterial verwendet.

Der Digitalisierungstisch wurde durchscheinend ausgeführt, damit er mit Rücklicht benutzt werden kann. Dies läßt sich durch Verwenden eines klaren oder durchscheinenden Materials für die schützende Oberseiten-Abdeckung 71 und den Abstandshalter 77 erreichen. Gute Ergebnisse erhält man bei der Verwendung des üblichen Materials für gedruckte Schaltungsplatten für die gedruckte Schaltungs-

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platte 73. Jedoch ergeben sich die besten Lichtdurchlässigkeiten bei einem XY-Gitternetzwerk aus auf Glas oder Kunststoffsubstrat aufgeklebten Leitern. Eine durchlöcherte Abschirmung kann verwendet werden, um einen Lichtdurchlaß zu schaffen, wobei die vorteilhaften, oben erörterten Effekte der Abschirmung noch erhalten bleiben.

Ein transparenter Tisch für die Rücklichtprojektion läßt sich verwirklichen, indem ein aus zwei genau Register haltende Lagen bestehendes XY-Netzwerk hergestellt wird, dessen Gitterströme in jeder Ebene in entgegengesetzte Richtungen fließen, wie durch das mathematische Modell angeregt wird. Diese Technik macht eine Abschirmung überflüssig, aber ist in der Herstellung teurer und empfindlicher gegenüber extern erzeugten elektrischen Störungen.

■ Die Figuren 8a) bis 8e) zeigen Ausgangssignale des Systems an verschiedenen in Fig. 5 markierten Punkten.

Das vom Frequenzteiler und Untersetzer 35 gelieferte Eingangssignal des Abtaststeuerungs-Zählers 59 ist das in Fig. 8a) dargestellte Abtast-Taktsignal. Es ist ein konstantes Taktsignal, das den Abtaststeuerungs-Zähler 59 ansteuert, um jeweils zu einer bestimmten Zeit in der richtigen Reihenfolge einen Strom in einer Gitterleitung durch den Konstantstrom-Gitteransteuerungs-Multiplexer 13 freizugeben .

Fig. 8b) stellt die komplexe Laufer-Wellenform nach dem Filtern und Verstärken durch das Filter 31 dar. Wie man erkennt, ist bei vorhandener Läufer-Wellenform eine Periode in der Läuferwellenform für jede Periode des Takt-

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signals gemäß Fig. 8a) vorhanden. Eine Phasenumkehr von 180 ist ebenfalls sichtbar. Diese tritt auf, sobald das sich bewegende elektromagnetische Feld die genaue elektrische Mitte der Läuferspule durchquert. 5

Fig. 8c) ist eine Treppenfunktion, die das Ausgangssignal des Abtast- und Haltekreises 33 darstellt. Dieses Signal speist das Filter 37. Das Ausgangssignal des Filters 37 ist in Fig. 8d) dargestellt. Dieses Signal entspricht der Funktion H (x,t), wie oben erläutert worden und in Fig. gezeigt ist. Der Nulldurchgang dieses Signals ordnet die Läuferposition linear der Zeit zu.

Das Ausgangssignal des Verriegelungsdetektors 39 ist in Fig. 8e) dargestellt. Dieser Schaltkreis ist ein Pegeldetektor, der den negativen übergang im Ausgangssignal des Filters 37 überwacht. Wenn das Signal 8e) nicht vorhanden ist, zeigt dies an, daß die Läuferspule mit der Gitterplatte nicht genügend stark elektrisch gekoppelt ist, um genaue Ergebnisse zu liefern.

Fig. 8f) zeigt das Ausgangssignal des Stopdetektors Der erste positive Übergang dieses Signals, der dem Verriegelungsdetektorsignal 8e) folgt, taktet den Flip-Flop 47, so daß das Zählfenstersignal gemäß Fig. 8h) wegfällt. Dieser positive übergang zeigt den Nulldurchgang der in Fig. 3 gezeigten Funktion H(x,t) an. Der Flip-Flop 43 wird durch den in Fig. 8g) dargestellten Startimpuls gesetzt, der den beliebigen Bezugspunkt angibt, von dem aus die Zeit bis zum Stopsignal gemessen wird, um die Läuferposition darzustellen. Das Zählfenster-Signal gemäß Fig. 8h) ist ein Signal, das während der Dauer dieser Periode vom Startimpuls bis zum

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Stopimpuls ein binäres Eins-Signal ist. Es dient dazu, die hochfrequenten Zähltakte über die Zähler-Tore 49 und 51 zu steuern. Fig. 8i) ist das torgesteuerte Zählsignal am Ausgang einer der Zählertore 49 oder 51. Es sei darauf hingewiesen, daß die Frequenz des Zählertaktes im Verhältnis zum Abtasttakt die Auflösung des Systems bestimmt. Durch Verändern dieses Verhältnisses ist im Prinzip jeder Maßstab oder jede Auflösung erreichbar.

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Claims

TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER Beim Europäischen Palentamt zugelassene Vertreter Prof. Representatives before !ho European Patent Office - Mandalairoa agrdis pri>s !Office eurcpeen des brevets Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-Ing. H. Steinmeister Dfpl.-Ing. F. E. Müller Qipkpma,i 7 Triftstrasse 4, Siekerwall 7, D-8000 MÜNCHEN 22 D-4800 BIELEFELD 1 Mü/te/vL 14. August 1979 GTCO Corporation 1055 First Street Rockville, Maryland 2 0850 U.S.A. Graphische Digitalisierungsvorrichtung Priorität: 14. August 1978, U.S.A., Ser.Nr. 933,569 PATENTANS PRÜCHE

1. / Graphische Digitalisierungsvorrichtung zur Bestimmung der Positionskoordinaten eines ausgewählten Punktes auf einem Gitter mit X- und Y-Leitungen, gekennzeichnet durch

- eine an eine Taktgeberschaltung (11) angeschlossene Gitteransteuerungsschal Lung (13), die mit den Gitterleitungen gekoppelt ist;

- eine Steuerungsschaltung (59) , die zwischen der Taktgeberschaltung (11) und der Gitteransteuerungsschal-

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tung (13) liegt und die Erregung der Gitterleitungen steuert;

- einen auf dem Gitter bewegbaren Läufer (21) mit einer Spule;

- einen an den Läufer (21) angeschlossenen Abtast- und Filter-Detektor (23), der mit einem Steuerwerk (15) verbunden ist, das die Läuferposition in linearer Weise der Zeit zuordnet;

- X-Zähler (55) und Y-Zähler (57) und

- eine Einrichtung zum Verbinden der X- und Y-Zähler (55, 57) mit dem Steuerwerk (15), so daß torgesteuerte Taktimpulse in den Zählern (55, 57) summiert werden, um die Position des Läufers (21) auf dem Gitter zu messen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zei-chnet, daß die Taktgeberschaltung (11) einen quarzgesteuerten Oszillator sowie einen an den Ausgang des Oszillators angeschlossenen Frequenzteiler und Untersetzer

(35) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sie einen Abtaststeuerungszähler (59) aufweist, der mit der Taktgeberschaltung (11), dem Steuerwerk (15) und der Gitteransteuerungsschaltung (13) verbunden ist, um die Erregung der Gitterleitungen zu steuern.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Gitteransteuerungsschaltung (13) einen Konstantstrom-Gitteransteuerungs-Multiplexer enthält, daß Senken, über die eine Gruppe von Gitterleitungen an das Massepotential anschließbar ist, und Quellen vorge-

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gesehen sind, die jeweils zu einer bestimmten Zeit ein konstantes Stromsignal an eine Gitterleitung liefern.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Abtast- und Filterdetektor (23) einen Abtast- und Haltekreis (33), ein erstes, zwischen dem Läufer (21) und dem Abtast- und Haltkreis (33) liegendes Filter (31), einen Verriegelungsdetektor (39), einen Stopdetektor (41), ein diese speisendes, zweites, an den Ausgang des Abtast- und Haltekreises (3 3) angeschlossenes Filter (37) und Tore (49, 51) aufweist, über die der Verriegelungsdetektor (39) und der Stopdetektor (41) mit dem X-Zähler (55) und dem Y-Zähler (57) verbunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitteransteuerungsschaltung (13) einen Multiplexer aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

- eine nichtleitende, im wesentlichen flache Platte (73) als Träger für die X- und Y-Gitterleitungen;

- eine durchscheinende Abdeckung (71) mit einer im wesentlichen glatten Oberfläche;

- eine leitende, als Bodenabdeckung dienende Abschirmung (7 9) und

- einen nichtleitenden Abstandshalter (77) zwischen der flachen Platte (73) und der Abschirmung (79).

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch g e -

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kennzeichnet , daß die Abschirmung (79) zum Durchlassen von Licht perforiert ist.

9. Digitalisierungstisch für einen Läufer, gekennzeichnet durch

- eine nichtleitende, im wesentlichen flache Platte (73);

- X-Gitterleitungen auf einer Seite der Platte (73);

- Y-Gitterleitungen auf der anderen Seite der Platte (73);

- eine durchscheinende Abdeckung (71) für die flache Platte (73) mit einer im wesentlichen ebenen Oberseite ;

- eine leitende, als Bodenabdeckung dienende Abschirmung (79) und

- einen nichtleitenden Abstandshalter zwischen der flachen Platte (73) und der Abschirmung (79).

10. Tisch nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Abschirmung (79) zum Durchlassen von Licht perforiert ist.

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