DE3523494C2 - Meßeinrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Position eines gegebenen Punktes mit einem Laserstrahl - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines gegebenen Punktes mit einem Laserstrahl.

Lasermeßeinrichtungen finden eine zunehmende Anwendung beim in den Winkel setzen und Ausrichten von Maschinenbauteilen und Konstruktionselementen ebenso wie in der Abstandsmessung und zugeordneten Anwendungen, da die Natur des Laserstrahls ihn besonders geeignet macht, gerade Linien zu definieren und durch lichtempfindliche Targets genau festgestellt und gemessen zu werden. Aufgrund dessen ist es möglich, hochgenaue Messungen durchzuführen. Die Genauigkeit solcher Messungen ist jedoch durch die Möglichkeiten der Meßtargets, einen präzisen Punkt zu definieren und anzuzeigen, ob der Laserstrahl auf diesen Punkt einfällt, begrenzt.

In der Vergangenheit sind in Segmente unterteilte Zelltargets allgemein benutzt worden, die vier Zellbereiche oder -sektoren, typischerweise Viertelkreise, aufweisen, von denen jeder getrennt kontaktiert ist, um ein getrenntes oder unterscheidbares Signal in Abhängigkeit von dem Quadranten zu erzeugen, in welchem der Laserstrahl wahrgenommen worden ist (US 3 603 688). Während diese Targets in vielen Anwendungsfällen noch nützlich sind, sind sie empfindlich gegenüber Variationen im Strahldurchmesser und sie werden durch kontinuierlich arbeitende Zelltargets oder Targetzellen ersetzt, welche eine erhöhte Genauigkeit aufweisen. Kontinuierlich arbeitende Zelltargets sind in der Lage, die Verschiebung der Position des Energiezentrums des darauf einfallenden Strahls in bezug auf das elektrische Zentrum der Zelle anzuzeigen. Während jedoch die kontinuierliche Empfindlichkeit dieser Targets durch die Punktgröße des einfallenden Strahls nicht beeinflußt wird, kann sie durch inhärente Variationen der Laserstrahlintensität ebenso wie durch Intensitätsvariationen aufgrund einer Benutzung optischer Reflektoren beeinträchtigt werden. Ebenso muß das Zellenzentrum innerhalb des Halterungsgehäuses mit Genauigkeit lokalisiert werden, so daß Kalibrierprobleme bestehen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Kalibrierung und Benutzung von kontinuierlich arbeitenden Zelltargets in Lasermeßeinrichtungen zu vereinfachen.

Erfindungsgemäß ist dazu eine Einrichtung vorgesehen, die es ermöglicht, ein kontinuierlich arbeitendes Zelltarget automatisch zu kalibrieren und nachzustellen, und zwar unabhängig von Änderungen in der Laserstrahlintensität oder Punktgröße.

Sie sieht eine elektronische Einrichtung vor, die Variationen in der Intensität und der Punktgröße eines durch die Zelle wahrgenommenen Laserstrahls automatisch kompensiert und es in weitergehender Ausbildung erlaubt, den Meßmittelpunkt des Targets auf dem genauen mechanischen Zentrum des Targetgehäuses zu "nullen". Eine Groberfassung in der Form einer auf-dem-Target-Anzeige ist ebenfalls vorgesehen.

Mehr im einzelnen sind vertikale und horizontale Elektroden der kontinuierlich arbeitenden Zelle mit entsprechenden Kanälen einer Steuereinrichtung verbunden, die eine Zentrierungs-Einstellung - und eine automatische Intensitäts-Kompensationsschaltung umfaßt. Die Intensitäts-Kompensationsschaltung umfaßt entsprechende Vorverstärkerstufen, von denen jede mit Kalibrierpotentiometern gekoppelt ist, und nachfolgende Stufen mit veränderlichem Verstärkungsgrad, für die eine Rückkopplung der intensitätsempfindlichen Signale benutzt wird zur automatischen Steuerung des Verstärkungsgrads der Ausgangssignale. Die Vorverstärkerstufen und Stufen mit veränderlichem Verstärkungsgrad benutzen geeignete Verstärkungseinrichtungen, Signale von der gemeinsamen Elektrode der Zelle werden benutzt, um die Impulsbreite eines Rechtecksignals zu modulieren, welches den Betriebszyklus und das Tastverhältnis von Schaltern in den Rückkopplungsschleifen der Verstärker mit variablem Verstärkungsgrad steuert. Entsprechende Zentrierungs-Potentiometer sind in die Stufen mit veränderlichem Verstärkungsgrad geschaltet und können vor der Targetbenutzung durch wenige einfache Drehungen eingestellt werden zur Beseitigung von Zentrierungs- und Befestigungsfehlern in den Ausgangssignalen, die zu einem geeigneten Computer oder zu einer anderen Anzeige- oder Auswerteeinrichtung abgegeben werden. Die gemeinsame Elektrode der Zelle ist mit einer Minimal- Leistungs-Vergleichsschaltung verbunden, welche ein LED als Anzeiger einschaltet, wenn die Zelle durch Einfall eines Laserstrahls darauf ein genügend starkes Signal wahrnimmt.

Ein Computer und ein weiterentwickeltes Interface können für eine Anzeige und eine Darstellung benutzt werden; alternativ können diese Bauteile mit geeigneter Software anstelle einer äußeren Schaltung benutzt werden.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist einfach im Aufbau und leicht und schnell bei einer Vorbereitung für eine Benutzung einstellbar. Wenn eine Einrichtung mit einem bestimmten Target einmal eingestellt ist, kann sie kontinuierlich mit verschiedenen und variierenden Laserstrahlen und optischen Reflektoren benutzt werden ohne weitere Eichung oder Einstellung aufgrund ihrer Fähigkeit zur automatischen Intensitätssteuerung.

Die Erfindung wird im folgenden in bezug auf bevorzugte Ausführungsformen anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Targets und eines Auswertungs- und Anzeigesystems,

Fig. 2 eine schematische Darstellung, welche die Einzelheiten einer besonderen Ausführungsform der Einrichtung veranschaulicht,

Fig. 3 ein schematisches Diagramm, welches eine bevorzugte Ausführungsform der Steuereinheit für die Signalintensität und Zentrierung der Fig. 2 veranschaulicht,

Fig. 4 ein schematisches Diagramm, welches eine bevorzugte Ausführungsform des Interface in Fig. 2 zeigt, und

Fig. 5 eine Status-Auflistungstabelle für den in Fig. 4 gezeigten Folgezähler.

Nach Fig. 1 umfaßt ein Grundsystem gemäß der Erfindung eine Targeteinrichtung 10, welche den Einfall eines Laserstrahls 11 darauf wahrnimmt, und Komponenten 12 und 14 zum Verstärken und Steuern der resultierenden Signale und zu deren Verarbeitung für eine Anzeige und Darstellung oder Benutzung.

Die Targeteinrichtung 10 ist aus einem geeigneten Gehäuse 16 aufgebaut, in welchem eine Detektorzelle 18 angeordnet ist, welche elektrische Signale in Abhängigkeit von dem Einfall des Laserstrahls 11 auf ihre Meßfläche erzeugt. Die Funktion des Targets in Lasermeßsystemen besteht darin, einen Punkt zu definieren, der in den Messungen benutzt wird, und um anzuzeigen, wann der Laserstrahl auf den Punkt einfällt oder mit diesem ausgerichtet ist. In der Praxis nimmt die Zelle die Verschiebung des Einfallpunktes der optischen Achse des Strahles auf der Meßfläche der Zelle von einem Targetpunkt wahr, der üblicherweise im Mittelpunkt der Zellenfläche angeordnet ist. Wenn der Targetpunkt koinzident oder in Fluchtungen mit dem zu messenden Punkt ist und der Laserstrahl auf den Targetpunkt fällt, kann die gewünschte Messung ausgeführt werden.

Mit Targets dieses Typs wird eine Messung des Energiezentrums auf der optischen Achse des Laserstrahls trotz Fluktuationen und Änderungen in der Helligkeit und Spotgröße bewirkt, die inhärent in den meisten Laserstrahlen und auch durch optische Komponenten, wie reflektierenden Prismen und dergleichen, auftreten. Solche Änderungen verursachen Schwierigkeiten in der Aufrechterhaltung der Meßgenauigkeit von Detektoren des in Segmente unterteilten Typs, d. h. von solchen, deren Meßfläche in Sektoren unterteilt ist, um die Quadranten anzugeben, in welche der Strahl fällt. Die alternativen Detektoren vom kontinuierlich messenden Typ sind gegenüber Spotgrößenänderungen nicht empfindlich, so daß sie eine genauere Achsenversetzungs- oder Verschiebungs-Information bei der Ausführung von Lasermessungen bieten. Jedoch sind Detektoren vom kontinuierlich messenden Typ empfindlich gegenüber Helligkeitsvariationen und erfordern normalerweise eine sorgfältige Kalibrierung, um ihre Genauigkeit aufrechtzuerhalten.

Die Zelle 18 ist vom kontinuierlich messenden Typ und umfaßt nach Fig. 2 eine Meßfläche 28 mit vier Elektroden, die betriebsmäßig mit dieser zur Übertragung elektrischer Signale verbunden sind, die für den Punkt auf der Fläche kennzeichnend sind, auf welchem der Laserstrahl einfällt. Die vier Elektroden sind orthogonal an der Meßfläche 28, je einander gegenüberliegend angeordnet, typischerweise ein Satz 21, 22 für ein vertikales Positionsmessen und ein Satz 23, 24 für ein horizontales Positionsmessen. Eine fünfte Elektrode 25 ist eine gemeinsame Elektrode, näherungsweise im Mittelpunkt der Rückfläche der Zelle 18, und ebenso wie die anderen Elektroden, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, mit einer geeigneten Anzeige- bzw. Darstellungseinrichtung 14 durch ein geeignetes Verstärkungs- und Steuersystem 12 verbunden.

Bisher ist es bei der Inbetriebnahme eines Lasermeßsystems für eine Benutzung erforderlich gewesen, das Steuersystem sorgfältig zu kalibrieren, um es für ein optimales Zusammenwirken mit der involvierten Laser- und Targetkombination anzupassen. Infolgedessen mußten sorgfältige und genaue Einstellungen an dem System im Arbeitsbereich, häufig unter ungünstigen Bedingungen ausgeführt werden.

Nach der Erfindung wird dieses Probelem dadurch gelöst, daß ein automatisches Intensitätssteuersystem vorgesehen ist, welches Variationen im Signal aufgrund von Laserstrahl-Intensitätsvariationen kompensiert und in einer weitergehenden Ausbildung zusätzlich Einrichtungen in dem System umfaßt, um den Zellentargetpunkt in dem Gehäuse elektronisch zu zentrieren, so daß ein wiederholtes Nachkalibrieren nicht mehr erforderlich ist, wenn das System einmal anfänglich auf das in Kombination mit ihm zu benutzende Target eingestellt worden ist. Eine Ausführungsform ist in Fig. 2 schematisch dargestellt und umfaßt eine Komponente 30, mit welchem die fünf Elektroden 21-25 der Zelle 18 an entsprechenden Klemmen T₁-T₅ verbunden sind, und einen Computer 34, an welchen die gemessenen Signale durch ein verbessertes Interface 32 weitergegeben werden. Der Computer 34 weist eine Anzeige- oder andere Ausleseeinrichtung auf, die genau kennzeichnend für die Erfassung des Laserstrahls durch die Targetzelle ist. Es kann ebenfalls eine Einrichtung in der Komponente 30 vorgesehen sein, die eine Grobanzeige dafür gibt, ob der Strahl das Target an irgendeinem Punkt auf dessen Oberfläche trifft oder nicht.

Mehr im einzelnen umfaßt die Komponente 30 bevorzugt die in Fig. 3 gezeigte Schaltung, gemäß der die Signale von den vertikalen Elektroden 21, 22 über Klemmen T₁, T₂ an die Eingangsklemmen eines Operationsverstärkers IC-1 gekoppelt werden, welcher als ein Differentialverstärker arbeitet. Die Eingangsspannungen an den zwei Elektroden sind kennzeichnend für die Verschiebung des Einfallspunktes des Laserstrahls auf die Zellenfläche gegenüber dem elektrischen Zentrum. Einer der Eingänge des Verstärkers IC-1 ist invertiert, so daß dessen Polarität entgegengesetzt zu der des anderen Eingangs wird, und somit werden die Eingänge voneinander subtrahiert, während sie verstärkt werden. Infolgedessen löschen sich die Spannungen, wenn sie gleich sind, aus und zeigen dadurch an, daß die Strahlposition äquidistant von den entsprechenden Elektroden 21, 22 auf der Meßfläche 28 ist: ein Nullsignal steht am Ausgang des Verstärkers IC-1. Wenn die Spannungen von verschiedener Größe sind, resultiert eine positive oder negative Spannung außermittiges Einfallen in einer bestimmten Richtung angibt.

Die horizontalen Klemmen T₃ und T₄ sind mit einem identischen Operationsverstärker und in der gleichen Weise verbunden, so daß parallele Kanäle für das Verstärken und Verarbeiten der vertikalen und horizontalen Signale von der Targetzelle 18 aufgebaut sind. Die Ausgänge von den Vorverstärkungsstufen dieser Kanäle werden dann zu entsprechenden Kalibrierpotentiometern, wie R₁₀₈ geführt, die so eingestellt werden, daß sie einen geeigneten Pegel des Eingangssignals zu dem verbleibenden Teil des Steuersystems vorgesehen. Da zusätzlich zu der Position des Laserstrahls auf der Meßfläche die Pegel der Meßsignale durch Änderungen in der Intensität des Strahles bestimmt werden, könnten diese Kalibrierpotentiometer ein wiederholtes Nachstellen zu verschiedenen Zeiten und bei verschiedenen Anwendungsfällen erfordern. Der verbleibende Teil des Systems ist so ausgelegt, daß solche Nachstellungen vermieden werden.

Zu diesem Zwecke wird das Ausgangssignal von jedem Kalibrierpotentiometer zu einer Stufe mit variabler Verstärkung geführt, die einen Verstärker IC-2 mit Rückkopplungsschleifen umfaßt, die durch einen Signaleingang von der gemeinsamen Elektrode 25 über die Klemme T₅ gesteuert werden. Der Strom von der gemeinsamen Elektrode 25 steuert einen Verstärker IC-4a, welcher ein aus dem Ausgang eines Sägezahngenerators STG-1 kommendes Rechtecksignal bezüglich der Impulsbreite moduliert. Das resultierende Rechtecksignal wird zu einem Paar von elektronischen Schaltern IC-3a geführt, die in den Rückkopplungsschleifen des Verstärkers IC-2 angeordnet sind. Die Schalter IC-3a sind so verbunden, daß sie bei Vorhandensein eines Eingangssignals schließen und bei der Abwesenheit eines Signals öffnen. Das Tastverhältnis des Rechtecksignals wird so moduliert, daß es proportional zur Größe des Signals von der Klemme T₅ wird. Infolgedessen wird, wenn das Signal stark ist und angibt, daß der Strahl von hoher Intensität ist, das Tastverhältnis verlängert, was zu einem großen Rückkopplungssignal führt, welches die Ausgangssignale des Verstärkers IC-2 vermindert und moderiert. Wenn umgekehrt das Signal von der gemeinsamen Elektrode abnimmt, nimmt das Rechtecksignal-Tastverhältnis ab, wodurch die Schalter IC-3a für eine längere Periode geöffnet werden und somit der Verstärkungsfaktor der Verstärker IC-2 vergrößert und die Ausgangssignale auf einem gewünschten Pegel gehalten werden. Somit bleiben die Ausgangssignale des vertikalen Kanals und des horizontalen kennzeichnend für die Verschiebung der Laserstrahlposition vom elektrischen Zentrum der Targetfläche, werden jedoch unempfindlich gegenüber Variationen in der Intensität des Strahles.

Eine Schaltung für ein elektrisches Korrigieren einer Verschiebung des elektrischen Zentrums der Meßzelle gegenüber dem mechanischen oder geometrischen Mittelpunkt des Target-Halterungsgehäuse 16 ist ebenfalls an dem Ausgang der Stufen mit variabler Verstärkung in der Form der Potentiometer R₁₁₈, R₂₁₈ vorgesehen. Diese Nulleinstellungs- Potentiometer werden benützt, um eine positive oder negative Spannung mit der verstärkten Ausgangsspannung in jedem Kanal zu summieren, um so das elektrische Zentrum der Zelle um fünfundzwanzig oder fünfzig Tausendstel eines Zentimeters (zehn oder zwanzig Tausendstel eines Zolls) in dem Gehäuse 16 elektrisch zu verschieben, um Befestigungsfehler zu korrigieren. Beispielsweise in dem Fall, wo ein Meßtarget auf einer drehenden Welle angebracht ist, kann bei in einer Position auf das Zentrum der Meßzelle gerichtetem Laserstrahl ein Verschieben des Strahls aus dem Zentrum beim Drehen des Targets, zeigen, daß der Strahl mit der Drehachse nicht genau koinzident ist. Dieser Fehler kann, wie in der Vergangenheit, mechanisch korrigiert werden durch körperliches Einstellen der Zelle 18 in deren Halterung 16, um Koinzidenz des Meßzentrums und des Drehzentrums herzustellen, jedoch kann leichter eine kleine Drehung der Potentiometer R₁₁₈, R₂₁₈ benutzt werden, um das Meßzentrum elektrisch zu bewegen und den Verschiebungsfehler zu eliminieren. Wenn diese Einstellung einmal ausgeführt und das Target befestigt worden ist, ist das System bereit, ein genaues und kontinuierliches Signal zu liefern in der Form eines stetigen Gleichstromsignals oder einer Nullanzeige, welches für die genaue Position des Einfalls des Laserstrahls in bezug auf das geometrische Zentrum des Targets kennzeichnend ist, und bereits eine Anzeigeeinrichtung zu versorgen.

Wenn kein Laserstrahl auf das Target einfällt, ist es erwünscht, daß weder Streuspannungen noch Mittelpunkts-Korrekturspannungen als Ausgangssignal zu der Anzeigeeinrichtung geliefert werden. Um dies zu erreichen, ist in der Steuerschaltung ein Groberfassungssystem in der Form eines Spannungsvergleichszweiges vorgesehen, mit Verstärker IC-4, einem zweiten Satz von Schaltern IC-3b, Transistor TS-1 und Lichtemissionsdiode LED-1. Wenn das Eingangssignal von der gemeinsamen Klemme T₅ von solcher Größe ist, daß das Vorhandensein eines einfallenden Laserstrahls angezeigt wird und dessen Position gemessen werden soll, dann schaltet das Ausgangssignal des Vergleichsverstärkers IC-4b die zwei Schalter IC-3b in den System-Ausgangsleitungen an, so daß die geeigneten Verschiebungssignale von den Stufen mit variabler Verstärkung durch die Widerstände R₁₁₉, R₂₁₉ zu den Ausgangsklemmen hindurchgehen können. Zur selben Zeit wird der Transistor TS-1 eingeschaltet und dadurch die Diode LED-1 veranlaßt, Licht zu emittieren, welches anzeigt, daß sich der Strahl auf dem Target befindet. Wenn umgekehrt kein Strahl das Target trifft, wird ein ungenügendes Signal zu dem Vergleichsverstärker IC-4b geliefert, was zu dessen Abschalten und dem begleitenden Öffnen der Schalter IC-3b und Abschalten des Transistors TS-1 und der Diode LED-1 führt. Die Kombination des Nichtvorhandenseins von Ausgangssignalen von den Verstärkerkanälen aufgrund der offenen Schalter IC-3 und des Abschaltens der Diode LED-1 zeigt, daß von dem Target kein Strahl erfaßt wird.

Als Beispiel werden nachfolgend eine geeignete Kombination von Bauteilen und Werten für die Verstärker, Schalter, Dioden, Widerstände, Kondensatoren etc. wie in Fig. 3 gezeigt sind, mit einer Betriebsspannung von V=±15 Volt angegeben.

Kondensator
Wert (µf)
C100, 101
4.7
C102	.05
C103, 203	.15
C301, 302	.10
C303	.01
C304, 305	4.7

Wie oben erläutert worden ist, tritt das Ausgangssignal des Signalintensitäts- und Zentrier-Steuersystems in der Form von positiven oder negativen Spannungen auf, die für die Position des Einfalls eines Laserstrahls in der Ebene der Meßfläche kennzeichnend sind, d. h. proportional zur Verschiebung dieser Position vom elektrischen Zentrum der Fläche. Natürlich tritt, wenn der Strahl genau zentriert ist, ein Null-Ausgangssignal auf. Damit das System-Ausgangssignal nutzbar ist, muß es mit irgendeiner Ausführungsform von Auslese- und Anzeigeeinrichtung zur Darstellung oder Aufzeichnung verbunden sein. Während viele Einrichtungen für die Anzeigefunktion geeignet sind, wie beispielsweise Digitalvoltmeter oder Einbaumeßinstrumente, umfaßt eine bevorzugte Ausführungsform einen Universalrechner mit einem geeigneten Interface, wie es jetzt beschrieben wird.

Bevorzugt ist das Interface oder Datenerfassungs-Untersystem von dem Typ, welcher nach dem RS-232-Protokoll mit einer ±15 Volt- Leistungsquelle versorgt arbeitet, und umfaßt im allgemeinen: einen Eingangs-Multiplexer für ein serielles Wählen oder Schalten der Eingangssignale von den verschiedenen Kanälen des Intensitäts- und Zentrierungs-Steuersystems, einen Analog/ Digital-Wandler zum Umwandeln jedes Signals von dem Multiplexer in die binär kodierte Dezimal-Digital-Form (BCD) und einen universellen asynchronen Empfänger/Sender (UART)-Kommunikationschip, welcher die digitalisierten Signale, ein digit zu einer Zeit liest, sie speichert und dann seriell zu dem Computer überträgt. Der Computer ist so programmiert, daß er Signale zur Steuerung der Kanalwahl aussendet, und jeder Kanal liefert sechs Informationsbits zum Computer, die für das Vorzeichen, die Dezimalstelle und die Größe der Eingangsspannung kennzeichnend sind. Das BCD-Formatieren ermöglicht es, die Informationsdaten direkt in allgemein verwendeten Programmen mit höherer Programmiersprache, und somit in Mikrocomputern vom Typ der Personalcomputer zu verwenden. Infolgedessen ist das erfindungsgemäße System, während der Computer 34 von irgendeiner geeigneten Größe sein kann, leicht für eine Benutzung mit einem Mikrocomputer anpaßbar. Ebenfalls kann, während ein serielles Interface bevorzugt ist, ein paralleles Interface benützt werden, in dem Daten-Speicher-Flip-Flop für das UART und eine geeignete zugeordnete Logik für eine Paralleleingabe ersetzt werden.

Wie es mehr im einzelnen in Fig. 4 dargestellt ist, empfängt der Eingangs-Multiplexer 100 des Interface 32 die Ausgänge von einem oder mehreren Target-Signal-Verstärker- und -Steuer-Systemen 12. Jedes Steuersystem 12 umfaßt einen Vertikal- und Horizontal-Signalausgangskanal und der Multiplexer kann geeignet sein, 16 Kanäle, d. h. Eingänge von acht verschiedenen Targets 10 zu verarbeiten. Eine serielle Wahl der vom Multiplexer 100 empfangenen Eingangssignale erfolgt unter der Steuerung des Programms im Computer 34 durch den Empfangsteil 101 des UART-Kommunikationschips. Der Computer 34 startet aufgrund der Auslegung der Software eine Zyklus-Erfassung durch Übertragen eines Kanalwählzeichens zum Interface. Mit dem Multiplexer 100 können 16 solcher Zeichen aufgenommen werden, da ein Maximum von 16 diskreten Analog-Eingangskanälen vorgesehen ist. Die Kanalwählzeichen sind bevorzugt Standard-ASCII- Zeichen und sind weiterhin von einer Kolonne aus der Standard- ASCII-Tabelle gewählt, wobei jede Kolonne aus 16 Zeichen zusammengesetzt ist. Dieses System mit 16 Zeichen und 16 Kanälen bildet eine bevorzugte Ausführungsform. Eine Anpassung an jede praktische Zahl von Kanälen ist dem Durchschnittsfachmann möglich.

Das serielle Daten-Formatieren für Computer-Kommunikationen erfolgt mit einer standardisieren integrierten Schaltung, welche für den Zweck ausgelegt ist, die dem Durchschnittsfachmann als ein UART oder universeller asynchroner Empfänger bekannt ist und durch den großen Block auf der rechten Seite der Fig. 4 angegeben ist. Das Kanalwählzeichen vom Computer 34 wird durch den für diesen Zweck vorgesehenen Teil des UART, der als Abschnitt 101 in Fig. 4 bezeichnet ist, empfangen. Die Kanalwähl-Daten werden dann in einer parallelen Form auf dem Bus 102 präsentiert. Das UART liefert ebenfalls ein Signal über eine Leitung 105, welches anzeigt, daß die Paralleldaten bereit sind. Sowohl die Kanalwähldaten als auch das Daten-Bereit-Signal werden zu einem Kanalwähl-Gültigkeitskontroll- Logikblock 104 geführt, welcher die Daten prüft und festlegt, ob es in der Tat einem gültigen Kanalwählzeichen entspricht. In dem Fall, wenn das Ergebnis dieses Vergleichs falsch ist, tritt ein Logiksignal des wahren Zustands auf der Leitung 108 auf, durch ein ODER-Tor 107 übertragen und stellt den "Daten-Bereit"-Eingang des UART über eine Verbindungsleitung 106 zurück. Dieses Merkmal ist ebenfalls für Verdeckungszeichen (masking characters) wie "Wagenrücklauf"-(carriage return) und "Zeilenvorschub"-(line feed)Befehlen, welche, obwohl sie durch den Computer standardmäßig erzeugt werden, für Kanalwahlzwecke nicht geeignet sind.

Unter der Annahme, daß Daten, die einer gültigen Kanalwahl entsprechen, vom Logikblock 104 empfangen werden, erscheint ein logisches Wahrsignal an der mit der Leitung 109 gekennzeichneten Verbindung. Als Folge dessen werden eine Anzahl von Tätigkeiten ausgeführt. Der selbsthaltende Kanalwählschalter 103 empfängt die Kanalwahl-Datenmuster auf dem Bus 102 mittels des von der Leitung 109 empfangenen Schalter-Einschalt-Befehls. Ebenfalls wird das von dem UART entwickelte "Daten-Bereit"-Signal über das ODER-Tor 107 in einer Weise zurückgestellt, die ähnlich der oben beschriebenen ist. Wie hier und später in ähnlichen Fällen ersichtlich ist, sind hier nicht gezeigte Zeitverzögerungsfunktionen dort vorgesehen, wo sie erforderlich sind, Aufbauzeit-Erfordernisse und Ausbreitungs-Verzögerungs-Erfordernisse für die benutzten integrierten Schaltungen zu erfüllen. Eine solche Zeitverzögerung wird tatsächlich am Ausgang des ODER-Tores 107 eingesetzt um die Erfassung von Kanalwähldaten durch den Kanalwählschalter 103 zu ermöglichen, bevor solche Daten vom Bus 102 als Folge eines Rückstellsignals verschwinden, welches an den Empfangsteil 101 der UART angelegt wird.

Die Kanalwähldaten werden vom Schalter 103 über ein Bus 110 zum Eingangsmultiplexer 100 übertragen. Der Multiplexer 100 wählt (in der bevorzugten Ausstattung) einen der 16 Analog-Eingänge für eine Übertragung über eine Leitung 112 zu einem Analog/ Digital-Wandler 113. Hier und an anderen Stellen wird eine gemeinsame Rückführung für die Signal- und Daten-Verbindung benutzt, obgleich sie nicht ausdrücklich erklärt ist. Der Eingangsmultiplexer 100 kann aus einer integrierten CMOS-Analog-Schalter-Schaltung, einem Reedrelais oder aus anderer bekannter Hardware bestehen.

Wenn jeder der Kanäle gewählt ist, wird der Analogspannungsausgang zum Wandler 113 gegeben, um in BCD-Form umgewandelt zu werden. Die ein Signal für eine wahre Kanalwahl liefernde Leitung 109 ist ebenfalls zu dem Analog/Digital-Wandler 113 geführt und dient dazu, den Umwandlungszyklus anzustoßen, wodurch das BCD-Gegenstück des gewählten Analog-Eingangs- Spannungs-Pegels erzeugt wird. Es ist an dieser Stelle hervorzuheben, daß bestimmte, im Handel erhältliche Analog/Digital- Wandler in Form integrierter Schaltungen, wie die unter der Bezeichnung "Intersil ICL-7135" angebotene Schaltung, welche bei dieser Ausführungsform bevorzugt ist, den Umwandlungsprozeß nicht unmittelbar nach Empfang des Umwandlungsstartbefehls beginnen. Ein automatischer Nullstell-Unterzyklus findet zuerst statt, welcher genügend Einstell- und Übergangszeit für das gewählte Analogsignal durch den Eingangsmultiplexer ermöglicht.

Wenn die BCD-Digitalumwandlung vollständig erfolgt ist, tritt ein dies anzeigendes logisches Wahrsignal auf der Leitung 119 auf. Der Übertragungsteil 118 des UART liefert ebenfalls ein logisches Wahrsignal auf der Leitung 120, da die Übertragung des vorhergehenden Zeichens abgeschlossen worden ist. Bei alternativen Methoden der Implementierung braucht der UART-Ausgang zur Leitung 120 kein konstantes Signal sein sondern kann statt dessen als ein Signal einer Zustandsänderung oder ein Taktsignal auftreten, wobei Details der von diesem Signal abhängigen Schaltung in entsprechender Weise für eine Nutzung der anderen Signalform geändert werden. Bei der bevorzugten, dargestellten Implementierung jedoch tritt eine Situation auf, wenn die Analog/Digital-Umwandlung abgeschlossen ist, woraufhin beide Eingänge zum UND-Tor 121 logisch wahr sind. Infolgedessen tritt ein logisches Wahrsignal auf der Leitung 123 auf, welches ein Folgezähler 122 um einen Schritt vorrückt. Mit Bezug auf den in Fig. 5 gezeigten Zustand des Folgezählers ist erkennbar, daß der nun betrachtete Zählerzustand die Übertragung des "Vorzeichen"-Zeichens ermöglicht. Zu diesem Zweck ist eine Leitung 136, die eine "Vorzeichen"-Information enthält, für eine Übertragung eines "Vorzeichen"-Bits vom Wandler 113 zu einem Funktionsgenerator 135 vorgesehen, welcher in der Form eines ROM oder einer Diodenmatrix vorliegen kann. Die Funktion des Generators 135 besteht in der Erzeugung von ASCII-Zeichen oder -Codes für eine zu übertragende Nicht-Ziffern-Information, nämlich Vorzeichen, Dezimalpunkt, Wagenrücklauf- oder Zeilenvorschub-Signale. Der Funktionsgenerator 135 liefert ebenfalls zahlreiche bzw. mehrere Bits, um BCD-Daten in ASCII-Zeichen zu formatieren, wie es nachfolgend mehr im einzelnen erläutert wird. Da der "Vorzeichen"-Eingang des Funktionsgenerators 135 eingeschaltet ist und da eine Vorzeichen-Information vom Wandler 113 über die Leitung 135 geliefert wird, wird ein ASCII-Zeichen entsprechend einem Plus- oder Minus-Vorzeichen durch den Funktionsgenerator 135 erzeugt und erscheint in paralleler Form auf dem Bus 121. Ebenfalls ein logisches Wahrsignal tritt auf der Leitung 132 auf, welches dafür kennzeichnend ist, daß durch den Funktionsgenerator 135 erzeugte nicht-numerische Daten für eine Erfassung durch den Übertragungsteil 118 des UART bereit sind. Die Teile 101 und 118 in Fig. 4 sind bevorzugt in derselben integrierten Schaltung enthalten und sind mit getrennten Bezeichnungen lediglich aus Gründen der Klarheit der Darstellung gezeigt. Das logische Wahrsignal, welches auf der Leitung 132 erscheint, veranlaßt, daß der Ausgang des ODER-Tores 133 ebenfalls wahr wird, wodurch wiederum der Übertragungsteil 118 des UART veranlaßt wird, ein Zeichen (das "Vorzeichen"-Zeichen) zum Computer 34 zu senden. Der Übertragungsbefehl wird vom ODER-Tor 133 über die Leitung 134 zum UART-Teil 118 geführt. Während dieser Übertragung nimmt der Signalausgang "Zeichenübertragung abgeschlossen" vom Teil 118 über die Leitung 120 einen Zustand logisch falsch an, wodurch das Takt- oder Vorwärtszähl-Signal vom Folgezähler 122 durch Wegnehmen des Wahreingangs zum UND-Tores 121 weggenommen wird. Wenn die Zeichenübertragung vollständig abgeschlossen ist, nimmt die Leitung 120 wiederum einen Zustand logisch wahr an als eine Funktion der den UART-Teil 118 internen Logik und das Tor 121 erzeugt dann ein Signal logisch wahr auf der Leitung 123, welches den Folgezähler 122 zur nächsten Stufe, dem Zustand 2, vorrückt. Die Übertragung einer "Dezimalpunkt"-Funktion erfolgt dann in einer Weise ähnlich der für die Übertragung der "Vorzeichen"-Funktion beschriebenen mit der Ausnahme, daß der Funktionsgenerator 135 keinen konditionellen Eingang eines Dezimalpunktes invariant ist, wobei keine konditionellen Betrachtungen anwendbar sind wie bei der Erzeugung eines "Vorzeichen"-Zeichens. Der Folgezähler 122 wird dann zum Zustand 3 vorgerückt, welcher die Übertragung der meist signifikanten Ziffer der vom Analog/Digital-Wandler 113 erzeugten Daten erfordert.

Analog/Digital-Wandler des Typs, die eine BCD-Datenformatierung vorsehen, bieten solche Daten üblicherweise in Multiplexform an. Infolgedessen werden die Daten für alle Ziffern im Time-Sharing oder simultan über die Leitungen in einem Bus 114 präsentiert, während Ziffern-Auswahlleitungen oder -Ausgänge in einem anderen Bus 115 enthalten sind. Jede der zahlreichen Leitungen, die der Bus 115 umfaßt, wird logisch wahr, wenn die Zifferndaten auf dem Bus 114 den Ziffern entspricht, die die Leitung angibt, wenn sie logisch wahr ist. Es sind deshalb Synchronisierungseinrichtungen erforderlich, um die Multiplexauflösung der betroffenen Zifferndaten zu bewirken und für ein Rückformatieren für eine Übertragung Ziffer für Ziffer zum UART-Teil 118 auf einer Basis, die unabhängig von der Ziffern-Wähl-Wiederholrate ist, die inhärent im Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers 113 ist. Selbsthaltende Ziffernwählschalter 126 bis 129 werden für diesen Zweck benutzt. die selbsthaltenden Ziffernwählschalter können Flip-Flops vom D-Typ sein oder sie können durch andere geeignete Logikeinrichtungen eingesetzt sein. Wenn die Information für die "Ziffer #1" übertragen werden soll, erscheint ein logisches Wahrsignal auf der Leitung 125a, welches in einer Weise ähnlich der vorbeschriebenen durch den Folgezähler 122 erzeugt wird. Jede der Ziffernwählleitungen, die in dem Bus 115 enthalten ist, dient dazu, den entsprechend richtigen Folgezählerausgang über die selbsthaltenden Ziffernwählschalter 126 bis 129 zu verriegeln. In dem Fall der Ziffer #1 nimmt der Ausgang des selbsthaltenden Ziffernwählschalters 126 auf der Leitung 126b einen logischen Wahrzustand an, wenn die obige Bedingung angetroffen wird, d. h. die Leitung 126b wird wahr, wenn die Ziffer #1 durch den Analog/Digital-Wandler 113 gewählt wird, nachdem der Folgezähler 122 zu dem Zustand, Zustand 3, fortgeschritten ist, in welchem die Übertragung der Ziffer #1 der nächste erforderliche Vorgang ist.

Der Ausgang des ODER-Tors 130 auf der Leitung 131 wird ebenfalls wahr als eine Folge dessen, daß der Eingang von der Leitung 126b wahr ist. Eine Anzahl von Aktionen tritt als Folge dessen auf. Zuerst wird das Tor 116 für numerische Daten aktiv, um den BCD-Teil des gewünschten ASCII-Zeichens (entsprechend der zu übertragenden Ziffer) auf den Bus 117 vorzusehen. Leitung 131 versorgt den Funktionsgenerator 135 mit einem Signal, welches für die Tatsache kennzeichnend ist, daß ein numerisches Zeichen zur Übertragung ansteht. Infolgedessen liefert der Funktionsgenerator 135 die zusätzlichen ASCII-Bits, die erforderlich sind, mit den BCD-Daten für eine Erkennung als ASCII-Zeichen übertragen zu werden. In dieser Beziehung können beide Sammelschienen 117 und 121 als leitungsmäßig auf ODER geschaltet und als wechselweise exklusiv betrachtet werden, lediglich für die Zwecke einer Übertragung numerischer Ziffern im ASCII-Code, wie aus einer Betrachtung der Fig. 4 ersehen werden kann.

Ein Vorrücken des Folgezählers 122 durch die verbleibenden Zustände, die in der Zustandsliste der Fig. 5 gezeigt sind, erfolgt nach der Übertragung jede Ziffer in einer Weise ähnlich der oben beschriebenen. Auf die Übertragung "Ziffer #4" werden die "Wagenrücklauf"- und "Zeilenvorschub"-Zeichen übertragen nach einer Erzeugung durch den Funktionsgenerator 135 in einer Weise ähnlich derjenigen, die für die Übertragung der "Vorzeichen"- und "Dezimalpunkt"-Daten benutzt worden ist. Obgleich der "Zeilenvorschub"-Einschalt-Ausgang des Folgezählers 122 mit dem Funktionsgenerator 135 unabhängig verbunden gezeigt ist, kann eine Übertragung eines "Zeilenvorschub"- Zeichens als wahlweise betrachtet werden in Abhängigkeit von den Erfordernissen des benutzten spezifischen Computers. Auf die Übertragung des letzten Zeichens, sei es ein "Wagenrücklauf"- oder ein "Zeilenvorschub"-Zeichen, wird der Folgezähler 122 durch ein logisches Wahrsignal zurückgestellt, welches durch ein UND-Tor 124 an die Leitung 125 angelegt wird. Die Eingänge zum UND-Tor 124 sind diejenigen, welche die Kombination von Bedingungen zulassen, die dafür kennzeichnend sind, daß ein gegebener Untersystem-Zyklus abgeschlossen worden ist, d. h. die letzte Funktion des Folgezählers 122 in Verbindung mit der Übertragung des Zeichens ermöglichen, welches der abgeschlossenen Funktion entspricht. In dieser Beziehung versorgt ein "Zeilenvorschub"-Einschaltausgang (die Wahl des "Zeilenvorschubs" hat sich dabei nicht als entgegenstehend erwiesen) des Folgezählers 122 einen Eingang des UND-Tores 124 und der andere Eingang wird durch die Leitung 120 mit dem Zeichen-Übertragungsabschlußsignal von dem Übertragungsteil 118 des UART versorgt. Der Folgezähler 122 wird infolgedessen zu dem Anfangszustand zurückgestellt, der in der Zustandstabelle als der Zahlzustand 0 bezeichnet ist. Das gesamte Datenerfassungs-Untersystem ist dann bereit, ein neues Kanalwählzeichen zu empfangen und wenn ein Zeichen empfangen wird, beginnt der gesamte Zyklus erneut.

In Verbindung mit dem weitergebildeten Interface 32 wird eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrachtet, bei welcher die Intensitäts- und Zentrierungsfunktionen des Steuerteils 30 auf den Computer 34 übertragen werden und in dem Computer mittels eines geeigneten Programms ausgeführt werden. Bei dieser Ausführungsform werden die gemessenen Signale lediglich verstärkt bevor sie durch das Interface 32 abgetastet (gesampled) werden, wobei diese Operationen beispielsweise in dem in Fig. 1 gezeigten Systembauteil 12 erfolgen können. Die abgetasteten (sampled) Signale werden dann von dem Interface-32-Teil des Bauteils 12 in konvertierter Form zugeführt für eine Verarbeitung und Anzeige in Bauteil 14, welches den Computer 34 umfassen kann. Das Programm bei dieser Ausführungsform umfaßt zusätzlich zu der Möglichkeit, die geeigneten Kanalwählsignale zum Interface 32 zu geben, Einrichtungen, die auf Änderungen in dem Pegel des Signals von der gemeinsamen Detektor-Zellen-Leitung ansprechen, um Intensitäts-Variationen in den für die Position kennzeichnenden Signalpegeln zu kompensieren und korrigierende Inkremente den letzteren Signalen hinzuaddieren, um Zentrierungsfehler zu kompensieren.

In jeder System-Ausführungsform kann die endgültige Anzeige die Form einer digitalen oder graphischen Anzeige oder irgendeine Form von Ausdruck oder eine andere geeignete Nutzungsart in der gewünschten Weise aufweisen.

Claims (14)

1. Meßeinrichtung zur Bestimmung der Postion eines gegebenen Punktes mit einem Laserstrahl, mit

• - einer Targeteinrichtung (10), die eine kontinuierliche messende Detektorzelle (18) aufweist, auf der der gegebene Punkt definiert ist und die eine Meßfläche und zumindest ein Paar von diametral gegenüberliegenden Elektroden (V, V, H, H) umfaßt, die mit dieser betriebsmäßig verbunden sind zur Lieferung von Spannungssignalen, welche die Position des Einfalls des Laserstrahls auf der Meßfläche kennzeichnen, sowie eine Rückfläche mit einer gemeinsamen Elektrode (C),
• - einer mit der Targeteinrichtung (10) betriebsmäßig verbundenen ersten Verstärkungseinrichtung (IC-1), die mit den diametral gegenüberliegenden Elektroden (V, V, H, H) betriebsmäßig verbunden ist zur differentiellen Verstärkung der kennzeichnenden Spannungsignale,
• - einer mit der ersten Verstärkungseinrichtung betriebsmäßig verbundenen Pegel-Aufrechterhaltungseinrichtung (IC-2, IC-3a, IC-4a), die den Pegel der verstärkten kennzeichnenden Signale automatisch aufrecht erhält, unabhängig von Änderungen in dem Intensitätspegel des Laserstrahls, und die eine zweite Verstärkungseinrichtung (IC-2) umfaßt, die mit dem Ausgang der ersten Verstärkungseinrichtung (IC-2) geschaltet ist, eine erste Schaltereinrichtung (IC-3a) zum Öffnen und Schließen der Rückkopplungsschleife, und eine Einrichtung (IC-4a), die mit der gemeinsamen Elektrode (C) betriebsmäßig gekoppelt ist zum Steuern des Öffnens und Schließens der ersten Schaltereinrichtung (IC-3a),
• - und einer mit der Pegel-Aufrechterhaltungseinrichtung (IC-2, IC-3a, IC-4a) betriebsmäßig verbundenen Einrichtung (14), die deren Signale verarbeitet und anzeigt zur Angabe der Position des Einfalls des Laserstrahls relativ zu dem gegebenen Punkt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Targeteinrichtung (10) ein Gehäuse (16), das einen Mittelpunkt aufweist, zum Tragen der Detektorzelle und eine Einrichtung zur Modifizierung der kennzeichnenden Signale zur Kompensation einer Verschiebung des gegebenen Punktes von diesem Mittelpunkt umfaßt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Einrichtung (IC-3b) mit dem Ausgang der zweiten Verstärkereinrichtung (IC-2) betriebsmäßig gekoppelt ist zur Modifizierung von deren Ausgang, um den gegebenen Punkt auf der Meßfläche elektrisch zu bewegen.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Einrichtung (IC-4) vorgesehen ist zur Erzeugung eines Anzeige-Signals in Abhängigkeit von dem Signal von der gemeinsamen Elektrode (C), ob ein Laserstrahl (11) auf die Meßfläche einfällt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4 mit einer Einrichtung (TS-1, LED-1), die auf das erzeugte Anzeige-Signal anspricht zur Abgabe eines Lichtsignals.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5 mit einer zweiten Schaltereinrichtung (IC-3b), die mit dem Ausgang der zweiten Verstärkungseinrichtung (IC-2) betriebsmäßig gekoppelt ist und die kennzeichnenden Signale bei Abwesenheit des Anzeige-Signals nicht an die Einrichtung (14) zur Verarbeitung und Anzeige weiterleitet.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (14) zur Verarbeitung und zum Anzeigen einen Computer (34) und eine Interface-Einrichtung (32) zum Digitalisieren der kennzeichnenden Signale für eine Eingabe zum Computer (34) umfaßt.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, wobei der Computer (34) eine Einrichtung zum Modifizieren der digitalisierten Signale umfaßt, um den gegebenen Punkt auf der Meßfläche mathematisch zu bewegen.

9. Verfahren zur Bestimmung der Position eines gegebenen Punktes mit einem Laserstrahl, bei dem

• - der Laserstrahl auf die Meßfläche einer kontinuierlich messenden Detektorzelle, auf der der gegebene Punkt definiert ist, gerichtet wird,
• - für die Position des Einfalls des Laserstrahls auf der Meßfläche kennzeichnende Signale erzeugt werden,
• - der Pegel der kennzeichnenden Signale unabhängig von Änderungen im Intensitätspegel des Laserstrahls dadurch aufrecht erhalten wird, daß die kennzeichnenden Signale mit einem Verstärker mit veränderlichem Verstärkungsgrad verstärkt werden, wobei der Verstärkungsgrad des Verstärkers mit einem Signal gesteuert wird, welches für die Intensität des Laserstrahls kennzeichnend ist,
• - die kennzeichnenden Signale ausgelesen und angezeigt werden, um die Position des Einfalls des Laserstrahls relativ zum gegebenen Punkt zu erhalten, und
• - der Laserstrahl und die Meßfläche relativ zueinander bewegt werden, bis Koinzidenz zwischen dem Einfallpunkt und dem gegebenen Punkt auftritt, wie es durch die kennzeichnenden Signale angezeigt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die kennzeichnenden Signale mittels eines Nulleinstellungspotentiometers modifiziert werden, um den gegebenen Punkt auf der Meßfläche elektrisch zu bewegen.

11. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem Gruppen von kennzeichnenden Signalen seriell gewählt werden, die gewählten kennzeichnenden Signale digitalisiert werden und die digitalisierten kennzeichnenden Signale zu einem Computer zur Verarbeitung und Anzeige geführt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Aufrechterhaltung des Pegels in dem Computer ausgeführt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem die digitalisierten kennzeichnenden Signale im Computer modifiziert werden, um den gegebenen Punkt auf der Meßfläche mathematisch zu bewegen.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, beim Digitalisieren die gewählten kennzeichnenden Signale in eine binär kodierte Dezimalform umgewandelt werden.