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Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Position eines
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induktiven Meßaufnehmers auf einem Koordinatenmeßtisch Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zum Messen der Position eines induktiven Meßaufnehmers auf
einem Koordinatenmeßtisch, der mit einer Anzahl Stromleiter für jede Koordinatenrichtung
versehen ist, die sich quer zur Koordinatenrichtung und im Abstand voneinander erstrecken,
wobei entweder die Stromleiter nacheinander erregt werden und das in dem Meßaufnehmer
durch Induktion erzeugte Meßsignal zur Gewinnung der Ortskoordinate des Meßaufnehmers
weiterverarbeitet wird oder in Umkehrung der Funktion der Stromleiter und des Meßaufnehmers
dem Meßaufnehmer eine Stromsignalfolge zugeführt wird und die in den Stromleitern
erzeugten Induktionssignale zur Gewinnung der betreffenden Ortskoordinate des Meßaufnehmers
weiterverarbeitet werden.
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Derartige bekannte Verfahren haben den Nachteil, daß die Meßzeiten
zur Bestimmung des Ortes des Meßaufnehmers mit zunehmender Größe des Meßtisches
ebenfalls größer werden und dadurch schnelle Messungen erschweren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen,
welches eine schnelle Aufeinanderfolge von Messungen unabhängig von der Größe des
Koordinatenmeßtisches ergibt.
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Bei einem Verfahren, bei dem die Stromleiter erregt und das Meßsignal
vom Meßaufnehmer abgenommen wird, besteht die Lösung darin, daß die Stromleiter
in einer vorgegebenen Folge und Richtung zuerst von Anfang an erregt werden, daß
nach Feststellen der Position des Meßaufnehmers die Erregung der Stromleiter unterbrochen
und in einer zweiten Erregungsreihe bei einem Stromleiter wieder aufgenommen wird,
der eine vorher festgelegte Anzahl von Stromleitern in der gerade beendeten Erregungsreihe
vor der zuletzt erregten Stromleitung liegt, daß diese zweite
Erregungsreihe
so lange fortgeführt wird, bis wiederum die Position des Meßaufnehmers festgestellt
worden ist, und daß die weiteren Erregungsreihen in gleicher Weise wie die zweite
Erregungsreihe durchgeführt werden.
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Bei einem Verfahren, bei dem der Meßaufnehmer als Sender dient und
die Stromleiter als Empfänger zum Gewinnen des Meßsignals besteht die Lösung darin,
daß die Induktionssignale in einer ersten Abtastfolge vom Beginn der Stromleiter
an abgetastet und zu einer Meßsignalfunktion zusammengesetzt werden, aus der der
Ort des Meßaufnehmers bestimmt wird, daß die Abtastung der Stromleiter unterbrochen
wird, sobald der Ort des Meßaufnehmers gefunden worden ist, daß danach in einer
zweiten Abtastfolge eine zweite Meßsignalfunktion aus den Induktionssignalen einer
vorher festgelegten Anzahl derjenigen Stromleiter gebildet wird, die dem Ort des
Meßaufnehmers in Richtung der vorher abgetasteten Stromleiter am nächsten liegen,
daß die zweite Abtastfolge gestoppt wird, sobald der Ort des Meßaufnehmers wieder
gefunden ist, und daß die weiteren Abtastfolgen in der gleichen Weise durchgeführt
werden wie die zweite Abtastfolge.
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Bei Anwendung eines derartigen Verfahrens werden die Gitterleiter
lediglich im ersten Erregungs- oder Abtastdurchgang von Anfang an aktiviert, bis
aus dem Meßsignal die Ortskoordinate abgeleitet worden ist, während in allen darauf
folgenden Erregungs- bzw. Abtastreihen lediglich eine feste, einmal bestimmte Anzahl
von Gitterleitern abgetastet werden muß, um den nächsten Ort des Meßaufnehmers festzustellen.
Die Meßrate wird dadurch praktisch unabhängig von der Größe des Koordinatenmeßtisches.
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Gemäß einer Weiterbildung wird der in der zweiten und jeder darauf
folgenden Erregungs- bzw. Abtastreihe, im folgenden übergeordnet auch Aktivierungsreihe
genannt, festgestellte Meßwert zu einem der Strecke zwischen dem zuerst aktivierten
Stromleiter
der betreffenden Aktivierungsreihe und dem zuerst aktivierten Stromleiter der ersten
Aktivierungsreihe entsprechenden Meßwert addiert. Dies hat den Vorteil, daß sich
zum Durchführen des Verfahrens zur Ermittlung des Meßwertes einfache Zähler verwenden
lassen.
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Gemäß einer Weiterbildung wird die Messung entsprechend der ersten
Aktivierungsreihe wieder begonnen, falls in der gerade laufenden Aktivierungsreihe
kein Positionsmeßsignal auftritt.
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Dieser Fall liegt z.B. vor, wenn der Meßaufnehmer von dem Koordinatenmeßtisch
fortgenommen worden ist. Beim Wiederauflegen des Meßaufnehmers beginnt daher die
Messung wieder mit der ersten Aktivierungsreihe.
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Vorzugsweise wird die Anzahl der Stromleiter, um die die zweite und
die folgenden Aktivierungsreihen vor dem zuletzt aktivierten Stromleiter der vorangegangenen
Aktivierungsreihe verringert begonnen wird, daß bei vorgegebenem zulässigem Meßfehler
bei auf dem Meßtisch ortsfest gehaltenen Meßaufnehmer die Positionsbestimmung des
Meßaufnehmers bei Aktivierung mit einer unterschiedlichen Anzahl von dem Meßaufnehmer
auf einer Seite nächstliegenden Stromleitern durchgeführt und der jeweilige Meßwert
mit einer Messung mit einer möglichst großen Anzahl von aktivierten Stromleitern
verglichen wird und sodann diejenige Anzahl gewählt wird, bei der die Differenz
der Meßwerte dem gewünschten maximalen Meßfehler entspricht. Auf diese Weise läßt
sich erreichen, daß bei geringeren Ansprüchen an die Meßgenauigkeit jede Aktivierungsreihe
nur eine kleinere Anzahl von Stromleitern umfaßt, so daß die Meßrate dementsprechend
steigt.
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Wenn die Stromleiter parallel und in gleichen Abständen angeordnet
sind, lassen sich die Verfahren mit minimalem Aufwand realisieren.
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Eine vorteilhafte Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach
jeweils einem jedem Stromleiter zugeordneten elektronischen Schalter zeichnet sich
aus durch eine Ansteuerschaltung für die elektronischen Schalter, die eine der Anzahl
der Stromleiter entsprechende Anzahl von Ausgängen aufweist, von denen jeweils nur
einer ein Schaltpotential führen kann, und durch einen durch von der Umschaltung
des Erregungsstromes auf die einzelnen Stromleiter abgeleitete Impulse getakteten
Zähler mit einer Rückstelleinrichtung, die den Zähler bei Auftreten eines Positionsbestimmungssignals
um einen der gewählten Anzahl entsprechenden Wert zurückstellt.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist der Zähler ein Ringzähler
im 1 -aus-n-Code, wobei n die Anzahl der Stromleiter ist, und die Rückstelleinrichtung
ist ein Impulsgenerator, der eine Zahl von Zählimpulsen an den Ringzähler weitergibt,
die gleich der Anzahl n der Stromleiter abzüglich der gewählten Anzahl ist, um die
die folgende Erregungsreihe vor dem zuletzt abgetasteten Stromleiter begonnen werden
soll. Mit einer derartigen Schaltung ist es nicht nötig, den Ringzähler von Vorwärtszählung
auf Rückwärtszählung umzuschalten.
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In gewissen Fällen ist es vorteilhaft, durch eine Sperrschaltung die
Ansteuerung der elektronischen Schalter während der Rückstellung zu blockieren.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an
einem Ausführungsbeispiel ergänzend beschrieben.
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Fig. 1 zeigt einen Koordinatenmeßtisch mit der zugeordneten Stromspeiseschaltung;
Fig. 2 zeigt eine Ansteuerschaltung für die Gitterleiter.
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Der in Fig. 1 dargesetllte Koordinatenmeßtisch 11 weist für eine Koordinatenrichtung
eine Anzahl parallel und in gleichem Abstand voneinander angeordneter Stromleiter
auf, die sich über die ganze Breite des Koordinatenmeßtisches erstrecken, und deren
eine Enden über Trenndioden 12 mit einer Sammelleitung 13 verbunden sind, die an
einen Pol einer Spannungsquelle 15 führt.
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Die anderen Enden der Stromleiter 1 bis 10 sind jeweils über einen
Schalter 21 bis 30 mit einer zweiten Sammelleitung 14 verbunden, die an den anderen
Pol der Spannungsquelle 15 angeschlossen ist.
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Der Koordinatenmeßtisch arbeitet mit einem frei beweglichen induktiven
Meßaufnehmer 16 zusammen, der über Anschlußleitungen 17 mit einer Auswerteschaltung
verbunden ist.
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Zum Messen des geometrischen Ortes des elektrischen Mittelpunktes
einer in dem Meßaufnehmer vorgesehenen Spulenwicklung werden zuerst die Stromleiter
einer nach dem andern und in Fig. 1 von links nach rechts kurzzeitig an die Spannungsquelle
15 angeschaltet. Zu dem Zweck werden die Schalter - beginnend mit dem Schalter 21,
der dem Stromleiter 1, der dem Anfang der Gitterleiteranordnung entspricht, kurzzeitig
geschlossen. Dadurch wird um den Stromleiter 1 ein magnetisches Feld induziert,
das während des öffnens und des Schließens des Schalters 21 Spannungsimpulse in
der Spulenwicklung des Meßaufnehmers 16 induziert.
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Nachdem der Schalter 21 wieder geöffnet ist, wird der Schalter 22
geschlossen, und so fort. Da der Stromleiter 2 näher an dem Meßaufnehmer 16 liegt,
werden auch die in diesem induzierten Meßsignale größer sein. Dies gilt umso mehr
für die Gitterleiter 3 und 4. Sobald ein Strom durch den Stromleiter 5 fließt, wird
ein verhältnismäßig starkes Meßsignal in dem Meßaufnehmer 16 induziert. Das Gleiche
gilt bei einem Stromfluß durch den
Stromleiter 6, wobei jedoch
dann der gesamte magnetische Fluß durch den Querschnitt der Spulenwicklung des Meßaufnehmers
16 umgekehrt verläuft, so daß auch die induzierten Spannungsimpulse eine umgekehrte
Polarität haben. Dies ist ein Zeichen dafür, daß der Stromleiter 6 den elektrischen
Mittelpunkt der Spulenwicklung bereits überschritten hat. Zum Bestimmen des genauen
Ortes des Meßaufnehmers 16 ist es nicht mehr nötig, noch die Stromleiter 7 und folgende
anzuschalten. Vielmehr läßt sich aus den Induktionssignalen aufgrund der Erregung
der Stromleiter 1 bis 6 die Position des Meßaufnehmers auf dem Koordinatenmeßtisch
bestimmen.
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Sobald diese Position festgestellt ist, also sobald eine Phasenumkehr
der Induktionssignale detektiert worden ist, wird eine zweite Erregungsreihe begonnen,
die jedoch nicht vom Anfang der Stromleiter, also vom Stromleiter 1 ausgestattet
wird, sondern von einem Stromleiter, der um eine vorher festgelegte Anzahl von Stromleitern
vor der zuletzt erregten Stromleitung, d.h. in unserem Beispiel der Stromleitung
6, liegt. Unter der Annahme, daß diese vorher festgelegte Anzahl gleich 3 ist, beginnt
also die zweite Erregungsreihe mit dem Anschalten des Stromes in dem Stromleiter
3, danach in dem Stromleiter 4 und so fort, bis wieder die Position des Meßaufnehmers
16 detektiert worden ist.
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Unter der Annahme, daß der Meßaufnehmer inzwischen die gestrichelt
dargestellte Position 16' erreicht hat, werden in dieser zweiten Meßreihe also noch
die Stromleiter 5, 6, 7 und 8 angeschaltet und danach die dritte Erregungsreihe
der Stromleiter gestartet, die nunmehr bei dem Stromleiter 8 - 3 = 5 beginnt.
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Dadurch wird erreicht, daß, sobald die Position des Meßaufnehmers
16 ein erstes Mal detektiert worden ist, die weiteren Meßreihen nicht mehr mit vom
Stromleiter 1 beginnenden Erregungen der Stromleiter durchgeführt werden müssen.
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Wegen der hohen Abtastrate entsprechend einer Umschaltfrequenz in
der Größe von etwa 10 KHz wird der Meßaufnehmer 16 von einer Messung zur nächsten
seine Position nur geringfügig verändert haben, so daß mit großer Annäherung jeder
Meßzyklus im Durchschnitt drei bis vier Stromleiter umfaßt.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist zur klareren Darstellung
angenommen, daß lediglich zehn Stromleiter für eine Koordinatenrichtung vorhanden
sind. In praktischen Fällen ist eine wesentlich höhere Anzahl von Stromleitern vorhanden,
im allgemeinen zwischen 100 und 200.
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Um eine genaue Positionsbestimmung durchzuführen, müssen im allgemeinen
auch mehr als die in diesem Beispiel der Einfachheit halber angenommenen drei Leiter
in einem Meßzyklus erregt werden. Bei einem Koordinatenmeßtisch, bei dem die einzelnen
Stromleiter einen Abstand von 1,2 cm voneinander haben und die Spulenwicklung des
Meßaufnehmers einen Durchmesser von 5 cm hat, erreicht man bei Erregung von zehn
Stromleitungen vor dem elektrischen Mittelpunkt des Meßaufnehmers eine Meßgenauigkeit
von etwa 20 pm, während bei Verwendung von acht Stromleitungen die Meßgenauigkeit
nur noch 200 pm beträgt. Es ist also eine sehr starke Abhängigkeit der Meßgenauigkeit
von der Anzahl der erregten Stromleiter vorhanden, so daß sich die für eine gewünschte
Genauigkeit nötige Anzahl von in einem Meßzyklus zu verwendenden Stromleitern leicht
durch einige wenige Versuche bestimmen läßt. Zu dem Zweck vergleicht man z.B. bei
festgehaltenem Meßaufnehmer die bei Verwendung einer unterschiedlichen Anzahl von
Stromleitern pro Meßzyklus ermittelten Koordinatenwerte mit dem Koordinatenwert,
der sich bei Verwendung einer möglichst großen Anzahl von Stromleitungen ergibt,
und kann aus der Differenz zwischen diesen Meßwerten leicht ablesen, wieviel Stromleiter
pro Meßzyklus verwendet werden müssen.
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Fig. 2 zeigt eine Schaltung zum Durchführen des Verfahrens, bei dem
anstelle der Schalter 21 bis 30 in Fig. 1 Transistoren T1, T2 ... bis T10 verwendet
sind. Die Basisanschlüsse dieser Transistoren sind an je einen Ausgang Q1' Q2 ...
bzw. Q eines Ringzählers 21 angeschaltet, der im 1 -aus-10-Code arbeitet.
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Die Wicklung des Meßaufnehmers 16 ist über die Anschlußleitung 17
an eine Auswerteschaltung 19 angeschlossen, die unter anderem jeweils dann ein Signal
abgibt, wenn eine Phasenumkehr des die Spule durchsetzenden Magnetflusses festgestellt
worden ist.
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Dies tritt dann ein, wenn ein Stromleiter erregt wird, der in Abtastrichtung
hinter dem elektrischen Mittelpunkt der Spule des Meßaufnehmers 16 liegt. Der von
der Auswerteschaltung 19 ausgegebene Impuls gelangt an den einen Eingang eines UND-Gatters
23, dessen anderer Eingang mit dem Ausgang eines Taktgenerators 20 verbunden ist,
der eine Taktfrequenz hat, die der gewünschten Umschaltfrequenz der Erregung der
Stromleiter 1 bis 10 entspricht.
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Es ist ferner noch ein Impulsgenerator 22 vorgesehen, der einen Starteingang
25 aufweist und der so geschaltet ist, daß jedesmal dann, wenn ein Impuls an den
Starteingang 25 gelegt wird, eine bestimmte Anzahl von Impulsen an dem Impulsausgang
26 auftritt. Diese Anzahl ist = n - a gewählt, wobei n die Anzahl der Stromleiter
ist und a die vorher festgelegte Anzahl von Stromleitern in der gerade beendeten
Erregungsreihe vor der zuletzt erregten Stromleitung ist. In dem oben beschriebenen
Beispiel sind zehn Stromleiter vorhanden, und es wurde angenommen, daß die zweite
und jede folgende Erregung drei Gitterleiter vor dem zuletzt erregten Gitterleiter
beginnen soll. Daher muß der Impulsgenerator 22 also 10 - 3 = 7 Impulse bei Erregung
des Starteinganges 25 abgeben. Die Impulsfrequenz ist wesentlich höher gewählt als
die Taktfrequenz des Taktgenerators 20. Dadurch, daß sowohl das Signal der Auswerteschaltung
19 als auch das Taktsignal des Taktgenerators 20 auf das UND-Gatter 23 geleitet
werden,
wird erreicht, daß der Impulsgenerator 22 nur nach Auftreten eines Taktsignals am
Ausgang des Taktgenerators 20 starten kann. Die sehr schnell aufeinanderfolgenden
Impulse des Impulsgenerators 22 fallen daher zeitlich in eine Lücke zwischen zwei
Taktsignalen des Taktgenerators.
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Da die Ausgangssignale sowohl des Taktgenerators 20 als auch des Impulsgenerators
22 auf die Eingänge eines ODER-Gatters 24 geschaltet sind, dessen Ausgang mit dem
Zähleingang des Ringzählers 21 verbunden ist, wird dieser, sobald der Impulsgenerator
22 angestoßen worden ist, in schneller Folge bis zu einer Stelle weitergestellt,
die dem gewünschten Stromleiter entspricht, bei der die nächste Erregungsreihe (Meßzyklus)
beginnen soll. Da der Ringzähler dabei nicht rückwärts läuft, ist kein Sperrsignal
für die Transistorschalter T1 bis T10 und für die Auswerteschaltung 19 erforderlich.
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Die dargestellte Schaltung ergibt eine hohe Meßrate, da die Dauer
eines Meßzyklus - mit Ausnahme des anfänglichen Meßzyklus - klein ist.
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Der Ringzähler 21 ist noch mit einem Nullstelleingang N versehen,
der den Ringzähler an den Anfang zurückstellt, wenn ein Stellsignal angelegt wird.
Dieses Rückstellsignal wird von einer Rückstellschaltung 27 erzeugt, deren Eingang
28 mit dem Signalausgang der Auswerteschaltung 19 verbunden ist und die ein Ausgangssignal
jedesmal dann abgibt, wenn zwei aufeinanderfolgende Ausgangssignale der Auswerteschaltung
19 einen zeitlichen Abstand voneinander haben, der ein Mehrfaches der Dauer des
zweiten und jedes weiteren Meßzyklus entspricht, mindestens jedoch der maximalen
Zykluszeit des ersten Meßzyklus. Auf diese Weise wird -erreicht, daß der Ringzähler
so lange auf Null gestellt wird, bis die Spule des Meßaufnehmers 16 wieder Signale
empfängt.