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