DE4042465C2

DE4042465C2 - Kennform-Analysevorrichtung

Info

Publication number: DE4042465C2
Application number: DE19904042465
Authority: DE
Inventors: Loran D Brooks; Paul J Eagle; Gary L Snavely
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1989-11-27
Filing date: 1990-11-23
Publication date: 1995-03-02
Anticipated expiration: 2010-11-24

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Kennformsignals, das durch einen oder mehrere Analogfühler erzeugt wird und dessen Amplitude sich in Abhängigkeit von einer physikalischen Veränderung eines Parameters, wie z. B. der Form oder des Profils eines Teils oder dessen Geschwindigkeit, ändert. Weiterhin ist die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Kennformsignals gerichtet.

Insbesondere betrifft diese Erfindung die Erzeugung von Kennformen, die bei einer Teile-Zuführanwendung das Profil eines Teiles repräsentieren können.

In der US-PS 4 546 384 ist ein Verfahren zur Untersuchung von Werkstücken beschrieben, bei dem die Werkstücke an einer elektronischen Kamera vorbeigeführt werden. Mit der Kamera wird eine Sequenz von Bildern eines Werkstückes aufgenommen, die in einem elektronischen Speicher abgespeichert wird, um einer Auswerteeinheit zugeführt zu werden. Dieses Verfahren soll dazu dienen, den Signal-Rausch-Abstand zu verbessern und Störungen, die bezüglich der Kamera ortsfest gelegen sind, gegenüber dem Nutzsignal zu verringern. Dazu werden die einzelnen Bilder der Bildersequenz so gegeneinander verschoben und einander überlagert, daß die jeweiligen Nutzsignale, d. h. die einzelnen Abbildungen des Werkstückes, aufeinander zu liegen kommen. Dadurch wird das Nutzsignal verstärkt, wobei gleichzeitig die Störsignale, welche durch die Gegeneinander-Verschiebung nicht aufeinander zu liegen kommen, gegenüber dem Nutzsignal abgeschwächt sind.

In der DE-OS 20 14 726 ist ein Verfahren zur Geschwindigkeits- und/oder Längenmessung von Gegenständen beschrieben. Dabei wird die Oberfläche eines an einem Sensor vorbeigeführten Werkstückes photoelektrisch abgetastet und die von der Oberfläche des Werkstückes zurückgeworfene Strahlung von dem Sensor aufgefangen und in elektrische Analogwerte umgewandelt. Diese Analogwerte werden mit einer Vielzahl von Schwellenwerten verglichen, wobei jeweils bei Über- und Unterschreiten eines Schwellenwertes ein Puls von konstanter Länge und konstanter Amplitude erzeugt wird. Ausgehend von der Annahme eines für ein Werkstück festen Wertes von Impulsen pro Längeneinheit, eines sogenannten "Impulsnormals", werden die für ein Werkstück erhaltenen Impulse gezählt, so daß durch Division der Anzahl der Impulse durch das Impulsnormal die Länge des Werkstückes bestimmt werden kann.

Eine Anwendung der Erfindung ist eine Steuerung auf Grundlage eines Mikrocomputers, die Analog-Kennformspannungen von einem Fühler oder mehreren Fühlern aufnehmen kann. Bei der Analyse eines anliegenden oder neuen Vorgangssignals ist es erwünscht, Faktoren zu beseitigen, die solche Veränderungen der Vorgangs-Kennform verursachen können, die sich nicht aus Veränderungen des Vorgangs ergeben, sondern eher auf die Meßwertaufnahme und -verarbeitung zurückzuführen sind.

Ein Beispiel dafür sind die Probleme, die bei Drehschüssel- Teilezuführern auftreten. Bei dieser Anwendung der Erfindung soll bestimmt werden, ob ein Teil, z. B. eine Schraube, während des Abtrennens oder Zuführens von Teilen aus dem Vorrat die richtige Form oder Ausrichtung besitzt. Insbesondere werden Drehschüssel-Zuführer häufig benutzt, um kleine Teile zu Fertigungsgeräten zuzuführen. Diese Anwendung der Erfindung bestimmt, ob die Form und/oder Ausrichtung des Teils annehmbar ist, indem das Teil zwischen einer Strahlungsquelle und einem auf die Strahlungsenergie ansprechenden Fühler vorbeigeführt wird. Der Fühler entwickelt ein elektrisches Kennformsignal, das eine sich über der verlaufenden Zeit ändernde Amplitude besitzt, während das Teil zwischen der Quelle und dem Fühler hindurchtritt.

Ein Problem besteht in der Erzeugung eines nutzbaren Kennform-Signals dann, wenn das sich zwischen der Strahlungsquelle und dem Fühler bewegende Teil sich um ungleichförmiger Geschwindigkeit bewegt. Die Länge des Kennform-Signals nimmt ja ab, wenn die Geschwindigkeit des Teils zunimmt, und umgekehrt. Damit ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Kennformsignal- Information zu schaffen, um ein normalisiertes Kennformsignal zu erhalten von einem Signal, das sich infolge von Geschwindigkeitsveränderungen bei der Bewegung des überwachten Teils in seiner Länge ändert.

Diese Aufgabe wird für das Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 1 und für die Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 4 gelöst.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; in der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen mit einer Vorrichtung zum Entwickeln eines elektrischen Kennform- oder Profilsignals ausgerüsteten Drehschüssel-Zuführer,

Fig. 2 die Ausgabecharakteristiken des in Fig. 1 benutzten Fühlers,

Fig. 3 die Mikroprozessor-Vorrichtung zur Bearbeitung von Analoginformation,

Fig. 4 ein Flußdiagramm des Tätigkeitsablaufes der Mikroprozessorvorrichtung aus Fig. 3,

Fig. 5 ein Spannungsprofil zur Verdeutlichung der Erfindung,

Fig. 6 die Auswirkung der Normalisierung von Fühler-Ausgangssignalen,

Fig. 7 eine Pufferspeicher-Vorrichtung zur Ausführung der Normalisierung, und

Fig. 8 ein Flußdiagramm für die Ausführung der Normalisierung.

Die Erfindung wird anhand einer Anwendung bei einer Drehschüssel- Teilezuführung beschrieben. Bei der Beschreibung dieser Anwendung wird auf die Eigenschaften der Kennform-Normalisierung eingegangen. Diese Eigenschaften sind jedoch auch bei anderen Anwendungen als der Drehschüssel-Teilezuführung von Bedeutung, z. B. bei der Überwachung von Druckwerten bei einem Verfahren. Dementsprechend sind diese Beschreibungen als auch für andere Anwendungsfälle gültig anzusehen.

In der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine Lichtquelle oder einen -Emitter 20, beispielsweise eine Infrarot-Laserquelle. Mit der Lichtquelle oder dem -Emitter 20 ausgerichtet ist ein Fühler oder Empfänger 22. Die Lichtquelle 20 sendet einen schmalen vertikalen Lichtstrahl 24 aus. Der Fühler 22 entwickelt ein Gleichspannungs-Ausgangssignal, das eine Funktion des Anteils der Strahlabdeckung oder -sperrung darstellt, und gibt dieses über eine Leitung 28 ab.

Die Ausgangssignal-Charakteristik des Fühlers 22 ist allgemein in Fig. 2 gezeigt, in der die Ausgangsspannung des Fühlers oder Empfängers 22 gegen die (nach rechts zunehmende) prozentuale Abdeckung des Strahls 24 in vertikaler Richtung aufgetragen ist. Man erkennt, daß bei einem zwischen der Lichtquelle 20 und dem Fühler 22 eingesetzten Gegenstand, der den Lichtstrahl 24 zu 100% abdeckt, der Fühler 22 minimale Ausgangsspannung und bei ungehindertem Durchgang des Lichtstrahls maximale Ausgangsspannung abgibt.

In Fig. 1 ist die die Lichtquelle 20 und den Fühler 22 enthaltende Vorrichtung dargestellt in einer Anwendung zur Bestimmung des Profils oder der Kennform einer Schraube 30, die zwischen dem Fühler 22 und der Lichtquelle 20 durch eine Teilabstützfläche 32, insbesondere eine Ringfläche vorbeigeführt wird, die einen Teil eines üblichen Drehschüssel-Teilezuführers 33 bildet und durch (nicht dargestellte) Mittel gedreht wird. Die Teilezuführung 33 besitzt einen Schüsselabschnitt 34, und Schrauben bewegen sich durch Zentrifugalkraft vom Schüsselabschnitt 34 zur Teilabstützfläche 32. Die Schraube 30 besitzt einen Kopf 30A und einen Gewindeschaft 30B. Die Teilabstützfläche 32 sitzt relativ zum ausgestrahlten Lichtbalken 24 vertikal so, daß der Lichtstrahl 24 längs einer Axialabmessung der Schüsselzuführung unterbrochen wird.

Wenn eine Schraube 30 zwischen Lichtquelle 20 und Fühler 22 durchtritt, wird der durch die Schraube abgedeckte Anteil des Lichtstrahls eine Funktion der Außenform, also des Profils der Schraube sein. So wird der Kopf 30A einen größeren Anteil des Lichtstrahls abdecken als der Gewindeschaft 30B.

In Fig. 3 ist schematisch der Aufbau eines Mikrocomputers 48 dargestellt, der zur Bearbeitung des Analogspannungs-Ausgangssignals des Fühlers 22 dient. In Fig. 3 ist der Fühler 22 an einem Analog/Digital-Wandler 50 des Computers 48 angeschlossen. Der Mikrocomputer 48 umfaßt weiter einen Taktgeber 51, eine zentrale Bearbeitungseinheit CPU 52, einen Rohkennform-Pufferspeicher 54 mit einer Vielzahl von Speicherplätzen und einen Pufferspeicher 56 mit einer Vielzahl von Speicherplätzen für die normalisierte Kennform. Weiter besitzt der Mikrocomputer 48 einen Speicher 58, der die Programme oder Rechenvorschriften (Algorithmen) zur sequentiellen Bearbeitung der anliegenden Fühlerinformation enthält.

Fig. 4 zeigt ein verallgemeinertes Gesamtflußdiagramm für die Bearbeitung der Analogspannnung vom Fühler 22. Diese anliegende Signalinformation kann bearbeitet werden, um eine Normalisierung der Kennform zu schaffen. Ist Normalisierung erwünscht, so wird die anliegende Information mit den Schritten 61 und 62 bearbeitet.

Das Verfahren der erfindungsgemäßen Digitaldatensammlung wird nun in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben. Es wird angenommen, daß ein Analogspannungszug 64 nach Fig. 5 beim Vorbeilaufen einer Schraube 30 an dem Fühler 22 durch den Fühler 22 entwickelt wurde. Diese Analogspannung wird mit der Taktrate des Taktgebers 51 durch den Analog/Digital-Wandler 50 digitalisiert. Jeder niedergeschriebene Punkt repräsentiert einen Zeitpunkt, bei dem ein Digitalwert, der eine Funktion der Amplitude der Analogspannung ist, erzielt wird.

Der Mikroprozessor ist so programmiert, daß er erkennt, wenn die Spannungslinie von einem unter der in Fig. 5 gezeigten Auslösespannung liegenden Wert auf einen über dieser Auslösespannung liegenden Wert übergegangen ist.

Zum Zeitpunkt T1 beginnt der Rohkennform-Puffer 54 digitale Datenpunkte zu empfangen und zu speichern, und fährt damit fort bis zum Zeitpunkt T2. Zum Zeitpunkt T2 hat die Spannung 64 den Auslösespannungs-Schwellwert von einem höheren zu einem tieferen Wert überschritten, und der Mikroprozessor ist programmiert, dies zu erkennen und dementsprechend die Digitalisierung des Spannungszuges 64 zu beenden. Als Ergebnis des beschriebenen Vorganges ist der Spannungszug-Abschnitt 64 bei jedem Taktimpuls zwischen den Zeitpunkten T1 und T2 digitalisiert und die aufeinanderfolgenden digitalisierten Daten sind im Rohkennform-Puffer 54 gespeichert.

Wenn die digitale Datenbearbeitung in der beschriebenen Weise vollendet ist, enthält der Rohkennform-Speicher 54 aufeinanderfolgende digitale Datenwerte zwischen den Zeitpunkten T1 und T2.

Der Zweck des Normalisierungsvorgangs oder der Normalisierungsbearbeitung besteht darin, Änderungen der Bewegungsgeschwindigkeit des Teils oder der Schraube 30 auszugleichen. Um dies zu erklären, wird die Fig. 6 zu Hilfe genommen, die drei unterschiedliche Kennform-Spannungszüge zeigt, entsprechend drei unterschiedlichen Bewegungsgeschwindigkeiten der Schraube 30, sowie einen sich ergebenden normalisierten Kennform- Zug, der nach Bearbeitung erhalten wird. Die Spannungszüge, mit Kennform 1, 2 und 3 bezeichnet, stellen das Spannungs-Ausgangssignal des Fühlers 22 dar, über der Zeit aufgetragen. Es handelt sich hier um verallgemeinerte Spannungszüge, die keine tatsächlichen Werte abbilden sollen; Kennform 1 entspricht einer Geschwindigkeit der Schraube 30, die geringer ist, als die bei den anderen beiden Kennformen. Kennform 2 entspricht der höchsten Bewegungsgeschwindigkeit und Kennform 3 entspricht einer Geschwindigkeit, die zwischen den Geschwindigkeiten liegt, welche die Kennformen 1 und 2 erzeugt haben.

Der Zweck des Normalisierungsvorgangs oder der Normalisierungsbearbeitung besteht darin, ein digitalisiertes Signal zu erzeugen, wie es durch den Spannungszug 74 dargestellt ist und auch als die normalisierte Kennform identifiziert wird, mit einer Länge, die eine konstante Anzahl von Abtastdaten oder Datenpunkten ist. Anders gesagt, es werden die durch unterschiedliche Geschwindigkeiten erzeugten verschiedenen Längen der Kennformen in ein Signal 74 mit konstanter Länge übersetzt.

Anhand der Fig. 7 und 8 wird nun gezeigt, wie das eben beschriebene erreicht wird. Fig. 7 stellt den vorher beschriebenen Rohkennform-Pufferspeicher 54 und den Pufferspeicher 56 für die normalisierte Kennform dar, zusammen mit Pfeilen, die die Datenübertragung vom Speicher 54 zum Speicher 56 bezeichnen.

Fig. 8 stellt ein Flußdiagramm von Programmschritten dar, die durch den Mikroprozessor ausgeführt werden. Bestimmte in Fig. 8 verwendete Ausdrücke sind folgendermaßen definiert:

n = Länge des Normalisierungspuffers 56,
j = Index für den Kennform-Puffer 54,
q = Länge des aufgenommenen Kennform-Signals,
R = Normalisierungsverhältnis (R = q/n),
i = Index für den Normalisierungspuffer 56,
N_i = Wert im Normalisierungspuffer bei Index i,
S_j = Wert im Kennform-Puffer beim Index j.

In Fig. 8 stellen die als Kennform-Aufnahme bezeichneten Schritte die Schritte dar, die ausgeführt werden, um eine digitale Darstellung von z. B. dem Kennform-Spannungszug 64 nach Fig. 5 zu erhalten. Die als Kennform-Normalisierung bezeichneten Schritte beziehen sich auf die Bearbeitung eines Signals, beispielsweise der Kennform 1 aus Fig. 6, zum Erzielen des normalisierten Kennform-Signalzugs.

In Fig. 8 bezieht sich der Ausdruck GETRIGGERT? auf den Start der Datenaufnahme (Zeitpunkt T1 in Fig. 5). Der Ausdruck FERTIG? bezieht sich auf die Beendigung der Datenaufnahme (Zeitpunkt T2 in Fig. 5).

Ein ausgeführtes Beispiel des Normalisierungsvorgangs oder der Normalisierungsbearbeitung wird nun dargestellt als Hilfe beim Verständnis der Erfindung. Es sei angenommen, daß die Länge n des Puffers 56 für normalisiertes Signal entsprechend Fig. 6, unterste Zeile, 75 beträgt.

Zur ersten Arbeitsbedingung sei angenommen, daß die Kennform 1 der Fig. 6 bearbeitet wird. Die Länge q der aufgenommenen Kennform ist dementsprechend gleich 200. Auf dieser Grundlage wird das Nachfolgende durch den Mikroprozessor berechnet:

R = q/n = 200/75 = 2,66
für i = 1 bis n
j = gerundet (i × R) und N_i = S_j

Deshalb:
i = l
j = gerundet (1 × 2,66) = 3
N₁ = S₃
i = 25
j = gerundet (25 × 2,66) = 66
N₂₅ = S₆₆
i = 75
j = gerundet (75 × 2,66) = 200
N₇₅ = S₂₀₀

Bei einem zweiten Bearbeitungszustand sei angenommen, daß die Kennform 3 bearbeitet werde und wiederum n=75. Auf dieser Grundlage wird durch den Mikroprozessor das folgende berechnet:

R = q/n = 150/75 = 2
i = 1
j = gerundet (1 × 2) = 2
N₁ = S₂
i = 25
j = gerundet (25 × 2) = 50
N₂₅ = S₅₀
i = 75
j = gerundet (75 × 2) = 150
N₇₅ = S₁₅₀

Der Ausdruck "gerundet" wird hier so verwendet, daß das Rechenergebnis auf die nächste ganze Zahl aufgerundet wird.

Die Länge der Puffer entspricht einer bestimmten Anzahl von Taktimpulsen und damit einer Anzahl von aufeinanderfolgenden Speicherplätzen.

Es ist zu erkennen, daß beim Erzielen der normalisierten Kennformlänge von 75 die Längen q der, wie oben beschrieben, aufgenommenen Kennform-Eingangssignale effektiv so komprimiert wurden, daß die n mit gleichem Abstand versehenen Abtastwerte im normalisierten Kennformpuffer von den q Werten im Kennformpuffer genommen sind. Anders gesagt, es werden bei der Kennform 1 jeweils q/n Taktimpulse der digitalen Daten von entsprechenden Speicherplätzen des Rohkennform-Puffers 54 zum normalisierten Kennformpuffer 56 übertragen. Dadurch werden der Reihe nach einige Daten in bestimmten der aufeinanderfolgenden Speicherplätze des Rohkennform-Puffers 56 fallen gelassen, jedoch ist die Taktrate so ausreichend groß, daß die durch den Spannungszug 64 dargestellten Digitaldaten eine angemessene Wiedergabe der durch den Fühler 22 entwickelten Kennformspannung sind. In dieser Beziehung ist anzuerkennen, daß bei der Bearbeitung der Kennform 1 Fig. 6 die Daten in den Speicherplätzen S₁ und S₂ der Fig. 7 wie auch immer wieder in der vorhandenen Reihe auftretende Daten in den weiteren Speicherplätzen nicht vom Rohkennform-Puffer 54 zum normalisierten Kennformpuffer 56 übertragen werden.

Bei der praktischen Ausführung dieser Erfindung können auch andere Erfassungsvorrichtungen als Infrarotlaser benutzt werden. Beispielsweise kann ein induktiver Annäherungsdetektor eingesetzt werden.

Die Normalisierung ist nun im Zusammenhang mit einer Teilezuführ-Anwendung beschrieben worden. Wie bereits dargelegt, ist diese Eigenschaft jedoch allgemein anwendbar. Z. B. kann bei einer Druckfühler-Anwendung, wenn es erwünscht ist, einen Druckfühler zu benutzen, um ein elektrisches Signal während eines bestimmten Zeitraums aufzunehmen, das so aufgenommene Signal ein bestimmtes Profil besitzen. Weiter kann sich das Umgebungs-Ausgangssignal des Druckfühlers ändern, beispielsweise mit der Temperatur. Eine solche Umgebungsveränderung entspricht der Geschwindigkeitsänderung der Oberfläche 32 bei einer Teilezuführungsvorrichtung. Die Normalisierung kann ebenfalls bei dem Druckfühlersignal angewendet werden.

Beim Einsatz dieser Erfindung wird das System zunächst in einem "Lernbetrieb" laufen, bei dem z. B. Teile zwischen dem Sender 20 und dem Empfänger 22 hindurchgeleitet und Referenzdaten in der beschriebenen Weise aufgenommen werden. Diese Referenzdaten werden dann eingespeichert. Das System kann nun Teile annehmen oder abweisen durch Vergleich der bei dem Durchlaufen dieser bestimmten Teile zwischen dem Sender und dem Empfänger aufgenommenen Daten mit den im Speicher enthaltenen Referenzdaten.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung eines Kennformsignals, welches das Profil eines sich bewegenden Teils repräsentiert, wobei das Teil an einem Fühler vorbeigeführt wird, der eine Kennformgleichspannung erzeugt, deren Amplitude und Länge dem Profil bzw. der Länge des Teils entspricht, wobei die Kennformgleichspannung mit einer konstanten Taktrate abgetastet wird und dadurch eine Vielzahl von aufeinanderfolgend auftretenden digitalen Datensignalwerten erzeugt wird, die in einer Vielzahl von Speicherplätzen eines ersten Speichers gespeichert werden, wobei die digitalen Datensignalwerte aufeinanderfolgend auftretenden Amplituden der analogen Kennformgleichspannung während eines Zeitabschnitts entsprechen, der der Vorbeilaufzeit des Teils an dem Fühler entspricht, und wobei dann die digitalen Datensignalwerte von den Speicherplätzen des ersten Speichers zu Speicherplätzen eines zweiten Speichers so übertragen werden, daß der Reihe nach Datensignalwerte in bestimmten Speicherplätzen des ersten Speichers fallengelassen werden, so daß die Datensignalwerte in dem zweiten Speicher auf eine konstante Zahl von Datensignalwerten komprimiert sind, wobei sich diese Zahl bei Änderungen in der Bewegungsgeschwindigkeit des sich bewegenden Teils nicht ändert und die Datensignalwerte im zweiten Speicher das Profil des sich bewegenden Teils repräsentieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler auf Strahlungsenergie anspricht, und daß das Teil zwischen dem Fühler und einer Strahlungsenergiequelle hindurchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil durch eine drehbare Teilabstützfläche abgestützt wird, die die Bewegung des Teils an dem Fühler vorbei verursacht.

4. Vorrichtung zur Erzeugung eines Kennformsignals, welches das Profil eines sich bewegenden Teils (30) repräsentiert, mit einem Fühler (22), der eine Kennformgleichspannung (64) erzeugt, deren Amplitude und Länge dem Profil bzw. der Länge des Teils (30) entspricht, mit einer bewegbaren Teilabstützfläche (32), die das Teil (30) trägt und an dem Fühler (22) vorbeiführt, mit einem Taktgeber (51), der die Kennformgleichspannung (64) mit einer konstanten Taktrate abtastet, mit einem Analog/Digital-Wandler (50), der eine Vielzahl von aufeinanderfolgend auftretenden digitalen Datensignalwerten erzeugt, wobei die digitalen Datensignalwerte aufeinanderfolgend auftretenden Amplituden der analogen Kennformgleichspannung (64) während eines Zeitabschnitts entsprechen, der der Vorbeilaufzeit des Teils an dem Fühler entspricht und mit einem digitalen Verarbeitungsmittel, umfassend einen ersten Speicher (54) mit einer Vielzahl von Speicherplätzen zum Speichern der digitalen Datensignalwerte, einem zweiten Speicher (56) und Mittel zum Übertragen der digitalen Datensignalwerte von den Speicherplätzen des ersten Speichers zu den Speicherplätzen des zweiten Speichers, wobei der Reihe nach Datensignalwerte in bestimmten Speicherplätzen des ersten Speichers fallengelassen werden, so daß die Datensignalwerte in dem zweiten Speicher auf eine konstante Zahl von Datensignalwerten komprimiert sind, wobei sich diese Zahl bei Änderungen in der Bewegungsgeschwindigkeit des sich bewegenden Teils nicht ändert und die Datensignalwerte im zweiten Speicher das Profil des sich bewegenden Teils repräsentieren.