DE4302756C2 - Anordnung zur Erkennung von Störsignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erkennung von Störsignalen bei Koordinatenmeßmaschinen mit einem an einem Ende einer Pinole angeordneten Kontaktfühler und einem diesem zugeordneten schallempfindlichen Meßsensor.

Aus der DE-PS 29 37 431 ist eine Einrichtung zur Meßwerterfassung bekannt, bei der von einem Taster und einem diesem zugeordneten Sensor im Augenblick des Zusam­ mentreffens mit einem Prüfling ein Signal erzeugt wird. Als Sensor ist ein piezo-elektrisches Element vorgesehen, das wegen seiner hohen Empfindlichkeit durch nicht aus der Antastung herrührende Impulse störbar ist. Störimpulse kön­ nen beispielsweise durch Schallwellen im Raum oder aus der Meßeinrichtung heraus entstehen. Zur Erkennung der Störim­ pulse ist in der genannten Druckschrift eine Selektierstufe vorgesehen. Die Selektierstufe nutzt die Erkenntnis aus, daß sich die beim Antastvorgang erzeugten Schwingungen von denen durch eine Störung hervorgerufenen grundsätzlich un­ terscheiden. Diese Unterschiede machen es möglich, in der Selektierstufe diese Schwingungen so voneinander zu tren­ nen, daß nur aus dem tatsächlichen Antastvorgang hervorge­ hende Signale die eigentlichen Meßwerte für den Prüfling für Rechenvorgänge und/oder zur Anzeige freigeben.

In einer weiteren Ausgestaltung zur Ausscheidung von Störsignalen wird in der bereits genannten Druckschrift vorgeschlagen, in möglichst geringem Abstand zum ersten Sensor und zum Taster einen zweiten Sensor zu montieren. Beiden Sensoren ist je eine Selektierstufe nachgeschaltet. Ein vom zweiten Sensor erzeugtes Signal wird als Stör­ signalmeldung behandelt und einer Blockierstufe zugeführt, die nur dann geöffnet wird, wenn aus der ersten Selektier­ stufe ein Signal vorliegt und aus der zweiten Selektier­ stufe kein Signal abgegeben wird.

Aus der DE-OS 28 20 813 ist darüber hinaus ein Verfah­ ren bekannt, bei dem das im Augenblick des Zusammentreffens von Taster und Prüfling erzeugte Signal einen Speicher steuert, welcher den augenblicklichen Meßwert speichert. Aus der Fortsetzung der Relativbewegung zwischen Taster und Prüfling wird dann ein zweites Signal als Kennimpuls abge­ leitet, welcher den gespeicherten Meßwert für Rechenvor­ gänge und/oder zur Anzeige freigibt. Bei einer durch einen Störimpuls ausgelösten Speicherung folgt kein zweites Signal, so daß auch hier das Vorliegen einer Störung er­ kannt werden kann.

Der zur Erzeugung eines Kennimpulses und zur Selektion der Schwingungsformen erforderliche schaltungstechnische Aufwand ist erheblich und führt trotzdem nicht immer zu einer sicheren Meßwerterfassung. Es ist daher versucht wor­ den, die Empfindlichkeit des Sensors gegenüber Störimpulsen zu verringern, ohne die Genauigkeit in der Erfassung des Anstastzeitpunktes zu verschlechtern.

In der DE-PS 29 47 394 wird dazu der Sensor ohne Antastvorgang unter einem vorbestimmten, gleichbleibenden Druck gehalten, so daß er ein elektrisches Signal mit un­ verändertem Pegel abgibt. Raum- und Körperschallwellen kön­ nen den Druck auf den Sensor und damit das Signal nicht beeinflussen. Erst beim Zusammentreffen von Taster und Prüfling entsteht ein Auslösesignal zur Meßwertaufnahme.

Aus der EP-PS 0 205 528 ist ein Aufbau bekannt, bei dem der Taster über zwei bewegliche Teile mit der ver­ schiebbaren Pinole verbunden ist. Der Sensor zur Detektion der Antastung am Prüfling ist vom Taster aus gesehen an dem zweiten beweglichen Teil befestigt. Dadurch sollen insbe­ sondere von der Meßmaschine herkommende, durch Vibration ausgelöste Schallwellen gedämpft und vom Sensor ferngehal­ ten werden. Die Empfindlichkeit gegenüber Raumschall wird dadurch nicht verringert.

Gemäß der Druckschrift WO 88/01726 ist ein Testkopf bekannt, der zwei verschiedene Arten von Kontaktsensoren enthält und eine Schaltung aufweist, die es erlaubt, den zeitlichen Abstand der elektrischen Signale der beiden Kontaktsensoren zu bestimmen. Auch bei dieser Anordnung wird die Empfindlichkeit gegenüber Raumschall nicht verringert.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine An­ ordnung zur sicheren Erkennung von Störsignalen zu schaf­ fen, die mit einfachen schaltungstechnischen Maßnahmen und ohne zusätzlichen mechanischen Aufwand an bestehenden Tastersystemen angebracht werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an der Pinole im räumlichen Abstand zum Meßsensor ein weiterer schallempfindlicher Sensor angebracht und eine Signalver­ gleichsschaltung vorgesehen ist, die die zeitliche Auf­ einanderfolge des vom Meßsensor und dem weiteren Sensor erzeugten Signals bestimmt und ein Störsignal-Erken­ nungssignal abgibt, wenn der weitere Sensor zeitlich vor oder gleichzeitig mit dem Meßsensor anspricht.

Zur Erzeugung eines signifikanten Laufzeitunterschieds bei der Erkennung von Körperschall ist es zweckmäßig, den Abstand zwischen Meßsensor und weiterem Sensor zu etwa 0,80 m zu wählen.

Eine geeignete Signalvergleichsschaltung besteht aus je einem den Sensoren nachgeschalteten Verstärker, einem Bandpaßfilter, einem Gleichrichter, einem Tiefpaßfilter, einem Komparator zur Erzeugung eines dem Ansprechzeitpunkt des Sensors zugeordneten digitalen Schaltsignals und einer gemeinsamen Entscheidungslogik für den Zeitvergleich der Schaltsignale.

Die Komparatoren können eine zweckmäßigerweise ein­ stellbare Schaltschwelle enthalten. Sie können aber auch aus A/D-Wandlern bestehen, wobei die Entscheidungslogik aus einem Mikroprozessor besteht, der eine zeitabhängige Abfrage des A/D-Wandlers nach vorgegebenen Schwellwerten durchführt.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung schematisch darge­ stellten Ausführungsbeispielen näher be­ schrieben. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 die Lage von Meßsensor und weiterem Sensor,

Fig. 2 eine Signalvergleichsschaltung und

Fig. 3a-3e Stufen der Signalverarbeitung.

Fig. 1 zeigt den unteren Teil einer Pinole (10), die an einer nicht dargestellten Koordinatenmeßmaschine befe­ stigt und in den drei Raumkoordinaten meßbar verschiebbar ist. Die Pinole trägt einen Tastkopf (11), in den verschie­ dene Taststifte (12) auswechselbar eingesetzt werden kön­ nen. Durch die Verschiebung der Pinole (10) wird der Tast­ stift (12) mit einem zu vermessenden Objekt (13) in Kontakt gebracht.

In dem Tastkopf (11) ist ein Meßsensor (14) angeord­ net, der im Augenblick des Kontakts mit dem Objekt (13) ein Signal erzeugt. Als Meßsensor (14) kann ein piezo-elektri­ sches Element vorgesehen sein, das im wesentlichen auf Beschleunigungs- oder Druckänderungen anspricht, aber auch gegenüber Schallwellen aus dem Raum und Vibrationen aus der Meßmaschine empfindlich ist.

In räumlichem Abstand zu dem an sich bekannten Meßsen­ sor (14) ist ein weiterer Sensor (15) an der Pinole (10) angeordnet, der die gleichen Schallempfindlichkeiten besitzt wie der Meßsensor (14). Der Abstand zwischen den beiden Sensoren beträgt vorzugsweise etwa 0,8 m. Bei einer Schallgeschwindigkeit von 8 km/sec im Werkstoff Stahl beträgt der Laufzeitunterschied zwischen beiden Sensoren dann 0,1 msec. Ein solcher Laufzeitunterschied kann meß­ technisch auch mit einfachen Schaltungselementen eindeutig detektiert werden.

Die sichere Erkennung von Störsignalen ergibt sich aus dem Vergleich des zeitlichen Auftretens der Sensorsignale. Bei Vorliegen von Raumschall ist keiner der Sensoren bevor­ zugt, d. h. sie sprechen zur gleichen Zeit an. Treten Vibrationen oder andere Geräusche innerhalb der Meßmaschine auf, so breiten sich diese entlang der Pinole aus. Sie regen daher zunächst den Sensor (15) und mit zeitlicher Verzögerung den Meßsensor (14) zur Signalerzeugung an. Liegt dagegen ein aus der Antastung am Objekt (13) er­ zeugtes Signal vor, so tritt dieses zeitlich vor einem Signal des Sensors (15) auf. Nur in diesem Fall handelt es sich also um ein Antastsignal, das zum Weiterleiten der anstehenden Positionsmeßsignale verwendet wird.

Die in Fig. 2 dargestellte Signalvergleichsschaltung ist den Sensoren (14 und 15) nachgeordnet und ermöglicht mit einfachen Schaltungsmitteln die Feststellung der zeit­ lichen Aufeinanderfolge der jeweiligen Sensorsignale und der logischen Entscheidung, ob es sich um ein Störsignal handelt.

In einem Verstärker (16, 16′) wird das von den Senso­ ren (14, 15) erzeugte Signal spannungsverstärkt. Das Fre­ quenzspektrum des Signals ist sehr breit. Es reicht von der niederfrequenten Netzfrequenz der Versorgungsspannung bis zu den hochfrequenten Taktfrequenzen der Endstufen für die Motorantriebe. Die Schallfrequenzen beim Anschlag des Tast­ stiftes (12) am zu vermessenden Objekt (13) beim Zusammen­ stoßen, Reiben von bewegten Maschinenteilen oder Vibrieren der Meßmaschine und die in der Umgebung der Meßmaschine entstehenden Schallfrequenzen liegen erfahrungsgemäß zwi­ schen 8 kHz und 12 kHz. Durch Bandpaßfilter (17, 17′) wird das Frequenzspektrum daher auf diesen Frequenzbereich ein­ geschränkt.

Durch nachfolgende Gleichrichter (18, 18′) wird er­ reicht, daß die negativen Amplituden der frequenzgefilter­ ten Sensorsignale in positive Amplituden umgeformt werden. In einem Tiefpaßfilter (19, 19′) werden die höherfrequenten Schwingungen in dem Sensorsignal unterdrückt, und es ent­ steht ein niederfrequentes Signal, das dem Verlauf der Hüllkurve des gleichgerichteten Sensorsignals entspricht.

In einem Komparator (20, 20′) wird die Amplitude des tiefpaßgefilterten Signals mit einem vorbestimmten analogen Schwellwert verglichen und jeweils beim Über- oder Unter­ schreiten des Schwellwertes ein Flip-Flop geschaltet. Auf diese Weise entsteht aus dem analogen Sensorsignal ein digitales Signal. Für den nachfolgenden Zeitvergleich in der Entscheidungslogik (21) wird die erste Anstiegsflanke des digitalen Signals als Schaltsignal genommen. Die Logik (21). erkennt, über welche Eingangsleitung und damit von welchem der Sensoren (14, 15) das Schaltsignal ausgelöst wurde und kann nach den erfindungsgemäßen Entscheidungs­ kriterien entweder ein Störsignal anzeigen oder den anstehenden Meßwert zur Weiterverarbeitung in der Meß­ maschine freigeben.

Anstelle der Digitalisierung des tiefpaßfegilterten Signals in einem Komparator mit Schwellwert und Flip-Flop kann die Digitalisierung auch über eine A/D-Wandlung erfol­ gen. Als Schaltschwelle ist dann ein bestimmter Amplituden­ wert digital vorzugeben. Durch die Taktfrequenz der A/D- Wandler ist eine Zeitskala vorhanden, nach der die zeit­ liche Aufeinanderfolge des Überschreitens der Schalt­ schwelle bestimmbar ist.

Die Fig. 3a bis 3e zeigen typische Signalformen beim Durchlaufen der in Fig. 2 angegebenen Schaltungselemente. In Fig. 3a ist zunächst das bandpaßgefilterte Signalspek­ trum U(_t) dargestellt. Aus Fig. 3b ist das entsprechend gleichgerichtete und tiefpaßgefilterte Signal I(_t) zu ent­ nehmen, wobei auch die Hüllkurve (22) und ein analoger Schwellwert (23) eingetragen sind.

Die Fig. 3d und 3e zeigen zwei gemessene Eingangs­ signale zu den Komparatoren (20, 20′), wobei die Signal­ kurve in Fig. 3d vom Meßsensor (14) und die Signalkurve in Fig. 3e vom Sensor (15) erzeugt wurde. Es ist deutlich zu erkennen, daß die Schaltschwelle durch das Signal vom Sensor (15) früher erreicht wird als durch das Signal vom Sensor (14), so daß ein Störsignal erkannt wird.

Claims (5)

1. Anordnung zur Erkennung von Störsignalen bei Koordinatenmeßmaschinen mit einem am Ende einer Pinole angeordneten Kontaktfühler und einem diesem zugeordneten schallempfindlichen Meßsensor, dadurch gekennzeichnet, daß an der Pinole (10) im räumlichen Abstand zum Meßsensor (14) ein weiterer schallempfindlicher Sensor (15) angebracht und eine Signalvergleichsschaltung vorgesehen ist, die die zeitliche Aufeinanderfolge des vom Meßsensor und dem weiteren Sensor erzeugten Signals bestimmt und ein Störsignal-Erkennungssignal abgibt, wenn der weitere Sensor zeitlich vor oder gleichzeitig mit dem Meßsensor anspricht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Meßsensor und weiterem Sensor etwa 0,80 m beträgt.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalvergleichsschaltung aus je einem den Sensoren (14, 15) nachgeordnetem Verstärker (16, 16′) einem Bandpaßfilter (17, 17′) einem Gleichrichter (18, 18)′ einem Tiefpaßfilter (19, 19′) einem Komparator (20, 20′) zur Erzeugung eines dem Ansprechzeitpunkt des Sensors (14, 15) zugeordneten digitalen Schaltsignals und einer gemeinsamen Entscheidungslogik (21) für den Zeitvergleich der Schaltsignale besteht.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatoren (20, 20′) eine einstellbare Schaltschwelle enthalten.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatoren (20, 20′) einen A/D-Wandler enthalten und die Entscheidungslogik (21) aus einem Mikroprozessor besteht, der eine zeitabhängige Abfrage des A/D-Wandlers nach vorgegebenen Schwellwerten durchführt