DE69212512T2 - Signalkonditionierschaltung für eine Triggersonde - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft Signalaufbereitungsschaltkreise, welche verwendet werden können, um den Ausgang von Triggersonden oder -meßfühlern aufzubereiten. Trigger- oder Auslösesonden werden zum Vermessen von Werkstücken auf Positionsbestimmungsvorrichtungen, wie Koordinatenmeßmaschinen oder Werkzeugmaschinen, verwendet und liefern ein Triggersignal, wenn eine Positionsmessung vorgenommen werden muß.
• Ein bekannter Typ einer derartigen Sonde ist in dem US-Patent 4 153 998 (McMurtry) beschrieben. Sie umfaßt einen Werkstückkontaktstift, welcher durch eine Feder in eine Ruheposition vorgespannt ist, durch die kinematisch angeordnete Sitzelemente definiert ist. Ein normal geschlossener elektrischer Schaltkreis durch die kinematischen Sitzelemente wird geöffnet, wenn der Stift durch Kontakt mit einem Werkstück abgelenkt wird, und das Öffnen dieses elektrischen Schaltkreises wird detektiert, um ein Triggersignal zu liefern, das den Kontakt zwischen dem Stift und dem Werkstück anzeigt.
• In der Praxis werden derartige Sonden mit einem Schnittstellenschaltkreis verkauft, welcher den Widerstand über den kinematischen Sitzelementen überwacht. Das Triggersignal wird am Ausgang der Schnittstelle entwickelt, wenn der Widerstand über den Kontakten, die durch die Sitzelemente gebildet werden, über eine bestimmte vorher festgelegte Schwelle zunimmt, wenn sich die Kontakte öffnen. Das Ausgangssignal von der Schnittstelle kehrt zu seinem Originalzustand zurück, um anzuzeigen, wenn sich die Kontakte wieder schließen, d.h. wenn der Stift sich richtig in seine kinematischen Sitzelemente zurückgesetzt hat und der Widerstand über den Kontakten abfällt. Wo 88/01726 und DB 36 34 689 zeigen Beispiele derartiger Schnitt stellenschaltkreise. Die vorbestimmte Schwelle bleibt konstant, während die Sonde sich in betriebsmäßigem Gebrauch befindet und mit dem Schaltkreis verbunden ist
• Die kinematische Sitzanordnung der Sonde stellt sicher, daß die Stifte immer zu einer extrem wiederholbaren mechanischen Ruheposition zurückkehren, und der oben diskutierte Schnittstellenschaltkreis stellt sicher, daß die elektrische Generierung des Triggersignals auch sehr wiederholbar ist. Diese Wiederholbarkeit stellt sicher, daß die Sonde sehr genaue Ergebnisse liefert, wenn sie in der Positionsbestimmungsvorrichtung verwendet wird.
• Es tritt jedoch gelegentlich ein Problem auf, nachdem eine Sonde für eine lange Zeit in Betrieb war. Nachdem der Stift in seine Ruheposition zurückgekehrt ist, zeigt der Ausgang der Schnittstelle trotzdem an, daß der Stift sich nicht richtig in die kinematische Sitzanordnung zurückgesetzt hat. Ein derartiges Problem muß korrigiert werden, bevor weitere Messungen vorgenommen werden können. Dies ist insbesondere ungeeignet, wenn die Sonde verwendet wird, um eine Reihe von Messungen automatisch vorzunehmen, wie es heutzutage gewöhnlich der Fall ist.
• Unsere Untersuchungen dieses Problems zeigen, daß das mechanische Rücksetzen des Stiftes in seine kinematisch definierte Ruheposition im allgemeinen perfekt zufriedenstellend verläuft. Wir haben nun herausgefunden, daß das Problem insbesondere in einer Sonde auftritt, welche für eine gewisse Zeit verwendet worden ist, weil der Widerstand über den Sitzelementen, wenn sie mechanisch zurückgesetzt werden, nicht mehr länger Null ist, sondern über die Schwelle ansteigen kann, welche durch die Schnittstelle detektiert wird. Die Schnittstelle ist dann nicht in der Lage, zwischen gesetzten und nicht gesetzten Zuständen des Stiftes zu unterscheiden.
• Die vorliegende Erfindung schafft einen Signalaufbereitungsschaltkreis für eine Triggersonde für eine Positionsbestimmungsvorrichtung, wobei die Sonde elektrische Kontakte aufweist, welche arbeiten, wenn die Sonde ein Werkstück kontaktiert, wobei der Schaltkreis Mittel zum Überwachen des Widerstandes über den Kontakten und zum Generieren eines Triggersignales umfaßt, wenn der Widerstand durch eine bestimmte Schwelle verläuft, wenn die Kontakte betätigt werden, gekennzeichnet durch Mittel innerhalb des Signalaufbereitungsschaltkreises zum Variieren der Schwelle, während die Sonde in betriebsmäßiger Verwendung ist und mit dem Schaltkreis verbunden ist.
• Bevorzugte Ausführungsformen der obigen Erfindung werden nun beispielhaft und mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, worin:
• Fig. 1 ein schematisches Schaltkreisdiagramm einer ersten Sondenschnittstelle ist,
• Fig. 2 ein Teil des Schaltkreises von Fig. 1 zeigt, der eine Modifikation enthält, und
• Fig. 3 ein schematisches Schaltkreisdiagramm einer zweiten Sondenschnittstelle ist.
• Zuerst nach Fig. 1 weist eine Berührungstriggersonde 11, die gemäß US-Patent 4 153 998 hergestellt ist, Sitzelemente 10 auf, die Kontakte bilden, durch welche eine elektrische Verbindung hergestellt wird. Es ist verständlich, daß in der Praxis eine derartige Sonde mehrere (gewöhnlich drei) derartige Kontaktsätze aufweist, die in Reihe geschaltet sind und eine kinematische Sitzanordnung bilden. Die Sonde ist mit einer Schnittstelle 12 verbunden, welche eine Signalaufbereitungsschaltung enthält, um ein Triggersignal auf einer Ausgangsleitung 14 zu produzieren, wenn sich die Sitzelemente 10 beim Ablenken des Stiftes 13 der Sonde 11 öffnen. Die Schnittstelle kann getrennt von der Sonde 11 vorgesehen sein, wie gezeigt, oder sie kann in der Sonde eingebaut sein
• Die Schnittstelle 12 umfaßt eine Schaltung 12a, welche im allgemeinen herkömlich ist und in kommerziell erhältlichen Schnittstellen gefunden wird, wie die, die von Renishaw Metrologie, Wotton-Under-Edge, United Kingdom unter der Bezeichnung P14 verkauft wird. Es ist ersichtlich, daß die Kontaktelemente 10 in einer Spannungsteilanordnung mit einem Widerstand 16 geschaltet sind und der Widerstand der Kontakte 10 wird von einem Komparator 18 überwacht. Der Komparator 18 vergleicht die Spannung, die über dem Kontaktwiderstand entwickelt wird, mit einer Schwellenspannung auf einer Leitung 20. In der herkömmlichen Schnittstelle ist diese Schwellenspannung fest, aber in der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung wird sie durch eine Schaltung 12b wie unten beschrieben eingestellt. Die Parameter des Komparators 18 werden derart eingestellt, daß sein Ausgang umschaltet, wenn der Widerstand der Kontakte 10 die Schwelle, die auf Leitung 20 eingestellt ist, um ein vorbestimmtes Ausmaß, z.B. 1,5 Kiloohm, überschreitet.
• Dem Komparator 18 folgend, wird das resultierende Triggersignal durch einen Signalaufbereitungsschaltkreis 22 auf eine herkömmliche Weise bearbeitet, beispielsweise um das Signal zu entprellen, das produziert wird, wenn sich die Kontakte 10 öffnen. Der resultierende Ausgang auf der Leitung 14 ist ein logisches High(Hoch)- oder Low(Niedrig)-Signal, das davon abhängt, ob die Kontakte 10 offen oder geschlossen sind, und das Triggersignal und das nachfolgende Zurücksetzen des Stiftes werden durch fallende bzw. steigende Flanken angezeigt.
• Der variable Pegel der Schwelle, die auf der Leitung 20 eingestellt wird, wird von dem Ausgang eines Abtast- und eines Halteschaltkreises 24 in der Schaltung 12b genommen. Der Abtast- und Halteschaltkreis 24 weist eine Eingangsspannung auf einer Leitung 26 auf, die den Widerstand über den Kontakten 10 anzeigt, und wird durch ein Signal auf Leitung 28 getriggert, bei welchem die steigende Flanke des Ausgangs 14 erscheint, wenn sich die Kontakte 10 zurücksetzen Daher wird jedesmal, wenn der Stift und die Sonde sich zurücksetzen, der Abtast- und Halteschaltkreis 24 durch die Leitung 28 getriggert und ein neuer Schwellenwert erscheint auf Leitung 20. Der neue Schwellenwert entspricht dem Widerstand durch die zurückgesetzten Kontakte 10.
• Sollte daher im Betrieb der Widerstand der Kontakte 10 nicht Null betragen, wenn sich der Stift zurücksetzt, wird der Komparator 18 trotzdem in der Lage sein, auf wiederholbare Weise die Zunahme des Widerstandes zu detektieren, welche auftritt, wenn der Stift als nächstes abgelenkt wird und sich die Kontakte 10 wieder öffnen. Tatsächlich folgt der Schwellenwert, der auf der Leitung 20 eingestellt wird, der Spur des Wertes des Widerstandes der Kontakte 10, wenn sie zurückgesetzt werden.
• Wir haben herausgefunden, daß, wenn sich der Stift zurücksetzt, wobei die Kontakte 10 geschlossen werden, der Widerstand über den zurückgesetzten Kontakten sich manchmal nicht sofort auf einen stabilen Wert setzt, sondern allmählich über eine Zeitperiode abfällt, nachdem das mechanische Zurücksetzen stattgefunden hat. Fig. 1 zeigt daher einen optionalen Schaltkreis 30, welcher gegebenenfalls enthalten sein kann, um dieses Phänomen zu berücksichtigen. Der Schaltkreis 30 wirkt, um einen derart abfallenden Widerstand nach dem Zurücksetzen zu detektieren, und wenn ein derart abfallender Widerstand detektiert wird, wird ein Ausgang auf einer Leitung 32 produziert. Dieser wird durch ein OR(ODER)-Gatter 34 mit dem Triggersignal auf der Ausgangsleitung 14 gategesteuert, um das Triggersignal auf Leitung 28 für den Abtastund Halteschaltkreis 24 zu produzieren. Daher, wenn der Widerstand des zurückgesetzten Kontaktes abfällt, tastet der Abtast- und Halteschaltkreis 24 die Spannung auf Leitung 26 erneut ab und produziert einen neuen Schwellenwert auf Leitung 20. Natürlich, wenn der Widerstandsabfalldetektor 30 weggelassen wird, wird dann auch das OR-Gatter 34 weggelassen.
• Der Widerstandsabfalldetektor 30 kann ein einfacher analoger Komparator sein, welcher den erforderlichen Ausgang auf Leitung 32 produziert, wann immer die Spannung auf Leitung 26 unter jene auf Leitung 20 um mehr als ein bestimmtes vorher festgelegtes Ausmaß abfällt. Alternativ kann er eine Digitalschaltung enthalten.
• Der oben beschriebene Schaltkreis wurde wie folgt getestet.
• Herkömmlich wird die Lebensdauer einer Sonde getestet, indem sie mit einer Schnittstelle verbunden und wiederholt getriggert wird, indem der Stift abgelenkt wird, und ihm erlaubt wird, sich zurückzusetzen Es wurde eine Sonde ausgewählt, die in einem derartigen Lebensdauertest nach 120 000 Triggerungen versagt hatte, wenn sie mit einer herkömmlichen Schnittstelle verbunden war, wobei der Ausgang der Schnittstelle dann erschien, um anzuzeigen, daß die Kontakte 10 versagt hatten, sich zurückzusetzen. Die ausgewählte Sonde wurde dann stattdessen mit einer Schnittstelle verbunden, die wie in Fig. 1 aufgebaut war, und es wurde herausgefunden, daß sie zufriedenstellend arbeitete. Der Lebensdauertest wurde für weitere 500 000 Triggerungen fortgesetzt, während welcher Zeit die Leistungsfähigkeit zufriedenstellend fortdauerte.
• Fig. 2 zeigt eine Modifikation. Der Schaltkreis in Fig. 1 weist einen kontinuierlich durch die Kontakte 10 fließenden Strom auf, wenn sie zurückgesetzt werden, weil der Widerstand 16 permanent mit der Zufuhrschiene +V verbunden ist. In Fig. 2 jedoch, ist der Widerstand 16 mit dem Ausgang eines Pulsansteuerungsschaltkreises 36 verbunden. Der Schaltkreis 36 produziert einen Zug von Pulsen, die jeweils Breiten von weniger als 1 µs in Intervallen von mehr als 5 µs aufweisen. Daher fließt Strom in den Kontakten 10 für weniger als ein Fünftel der Zeit. Die über den Kontakten 10 entwickelte Spannung während eines individuellen Pulses wird durch den Komparator 18 und durch den Abtast- und Halteschaltkreis 24 (nicht in Fig. 2 gezeigt) über eine geeignete Filterschaltung 38 verarbeitet. Die Schaltung von Fig. 1, insbesondere der Abtast- und Halteschaltkreis 24, sollte mit den Pulsen synchronisiert sein, z.B. unter Verwendung eines Ausgangs 40 der Ansteuerungsvorrichtung 36.
• Die Modifikation von Fig. 2 ist insbesondere in dem Fall von batteriebetriebenen Sonden nützlich, wie sie oft in Werkzeugmaschinen verwendet werden. Da Strom durch die Kontakte 10 für eine viel kürzere Gesamtzeit fließt, ist der Batterieverbrauch signifikant verringert. Um diese Verringerung zu maximieren, ist es erwünscht, einen Niedrigenergieoszillator in der Pulsansteuerungsvorrichtung 36 zu verwenden, und um Verluste infolge von Kapazitäten in der Sonde und in irgendwelchen Verbindungskabeln zu minimieren. Die Lebensdauer der Kontakte 10 kann auch vergrößert werden, weil die Gesamtenergie, die durch diese fließt, geringer ist.
• Fig. 3 zeigt einen alternativen Schnittstellenschaltkreis 50, der mit den Kontakten 10 der Sonde 11 verbunden ist. Wie der Schaltkreis von Fig. 1 umfaßt der Schaltkreis 50 einen Komparator 18, welcher ein Triggersignal liefert, wie die Spannung über den Sondenkontakten 10 zunimmt, wenn der Stift 13 ein Werkstück berührt und die Kontakte beginnen, sich zu öffnen. Der Schaltkreis 50 umfaßt auch die im allgemeinen herkömmliche Schaltung 22 zum Verarbeiten des Triggersignals. Jedoch unterscheidet sich der Schaltkreis 50 auf die Weise, auf welche die Triggerschwelle eingestellt wird.
• Nach Fig. 3 sind die positiven und negativen Eingänge des Komparators 18 jeweils durch Widerständer R2, R5 mit Punkten 54 und 56 in einen Spannungsteiler geschaltet. Der Teiler erstreckt sich zwischen einer +12-Volt-Zufuhrschiene und Masse und besteht aus Widerständen R1, R4 und dem Widerstand der Kontakte 10. Daher ist die Spannung an dem Punkt 54 immer wenige Volts höher als die an dem Punkt 56, wenn die Kontakte 10 geschlossen sind, selbst wenn die Kontakte 10 einen gewissen Widerstand aufweisen und nicht kurzgeschlossen sind. Ein Kondensator C1 ist zwischen dem positiven Eingang des Komparators 18 und Masse geschaltet, und wenn die Kontakte 10 geschlossen sind, wird dieser Kondensator auf die Spannung des Punktes 54 über den Widerstand R2 aufgeladen.
• Wenn der Stift 13 ein Werkstück berührt und die Kontakte 10 beginnen sich zu öffnen, beginnt die Spannung an dem Punkt 56 sofort anzusteigen, und diese wird gerade durch den negativen Eingang des Komparators 18 über den Widerstand R5 eingespeist. Jedoch kann der positive Eingang des Komparators wegen der Ladung auf dem Kondensator C1 nicht sofort ansteigen und folglich steigt der negative Eingang bald auf eine höhere Spannung als der positive Eingang an, wodurch verursacht wird, daß das Triggerausgangssignal generiert werden muß und zu der Verarbeitungsschaltung 22 geleitet wird. Es ist daher ersichtlich, daß die Schwelle durch die Spannung auf dem Kondensator C1 abgeleitet von dem Punkt 54 eingestellt wird.
• Nachdem das Triggersignal generiert worden ist, wird natürlich die Spannung auf dem Kondensator C1 (und somit auf dem positiven Eingang des Komparators) ansteigen. Jedoch wird verhindert, daß sie zu weit ansteigt, weil der positive Eingang des Komparators auch mit einer +5-Volt-Zufuhrschiene über Diode D1 und Widerstand R3 verbunden ist. Vor der Generierung des Triggersignals war die Diode D1 in Sperrichtung vorgespannt und folglich hatte der Widerstand R3 keine Wirkung, aber nun wirkt er, indem er die Spannung des positiven Eingangs des Komparators klemmt und verhindert, daß sie über 8 Volt ansteigt (durch Widerstände R1, R2 und R3 eingestellt). Der Zweck dieses Klemmens ist, zu verhindern, daß der positive Eingang des Komparators auf eine höhere Spannung als der negative Eingang während der Zeit ansteigt, während welcher die Sondenkontakte 10 nicht gesetzt bleiben, so daß der Ausgang des Komparators in dem getriggerten Zustand bleibt.
• Wenn der Stift 13 der Sonde sich zurücksetzt und die Kontakte 10 sich wieder schließen, werden die Spannungen an den Punkten 54 und 56 wieder abfallen und der Ausgang des Komparators 18 kehrt zu dem nicht getriggerten Zustand zurück. Die Spannung über dem Kondensator C1 nimmt wieder den Wert an dem Punkt 54 an. Wenn der Widerstand über den Kontakten 10, wenn diese geschlossen sind, sich von dem vorhergehenden unterscheidet, werden die Spannungen an den Punkten 54 und 56 sich entsprechend ändern und die Schwellenspannung, die auf dem Kondensator C1 eingestellt ist, wird sich auch ändern. Des weiteren, wenn der Widerstand über den Kontakten allmählich nach dem Zurücksetzen abfallen sollte, wird dann die Schwelle, die durch den Kondensator C1 eingestellt ist, auch allmählich abfallen.
• Daher ist, wie in der vorhergehenden Ausführungsform, die Schwelle variabel und entspricht immer einem Widerstand, der geringfügig höher als der Widerstand der Kontakte 10 ist, wenn diese geschlossen sind. Sollte es eine Änderung des Widerstandes der Kontakte 10 geben, wenn diese geschlossen sind, kann eine plötzliche Zunahme des Widerstandes, wenn die Kontakte sich öffnen, nichtsdestoweniger detektiert werden, was nicht mit der festen Schwelle der Schnittstellenschaltkreise nach dem Stand der Technik möglich wäre.

Claims (9)

1. Ein Signalaufbereitungsschaltkreis für eine Triggersonde (11) für eine Positionsbestimmungsvorrichtung, wobei die Sonde (11) elektrische Kontakte (10) aufweist, welche arbeiten, wenn die Sonde (11) ein Werkstück kontaktiert, wobei der Schaltkreis Mittel (18) zum Überwachen des Widerstandes über den Kontakten (10) und zum Generieren eines Triggersignals umfaßt, wenn der Widerstand durch eine bestimmte Schwelle verläuft, wenn die Kontakte betätigt werden, gekennzeichnet durch Mittel (24; R1, R4, C1) innerhalb des Signalaufbereitungsschaltkreises zum Variieren der Schwelle, während sich die Sonde (11) in betriebsmäßiger Verwendung befindet und mit dem Schaltkreis verbunden ist.

2. Ein Schaltkreis nach Anspruch 1, worin das Mittel (24; R1, R4, C1) zum Variieren der Schwelle die Schwelle gemäß dem Widerstand der Kontakte (10) einstellt, wenn diese geschlossen sind.

3. Ein Schaltkreis nach Anspruch 2, worin das Mittel zum Variieren der Schwelle einen Spannungsteiler (R1, R4) umfaßt, der mit den Kontakten (10) verbunden ist.

4. Ein Schaltkreis nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, worin das Mittel zum Variieren der Schwelle einen Kondensator (C1) zum Halten einer Spannung, die der Schwelle entspricht, umfaßt.

5. Ein Schaltkreis nach Anspruch 2, worin das Mittel zum Variieren der Schwelle einen Abtast- und Halteschaltkreis (24) umfaßt.

6. Ein Schaltkreis nach Anspruch 2 oder Anspruch 5, worin das Mittel (24) zum Variieren der Schwelle durch das Schließen der Kontakte (10) getriggert wird.

7. Ein Schaltkreis nach Anspruch 2, 5 oder 6, der Mittel (30) zum Detektie ren, wenn der Widerstand der Kontakte (10) abfällt, nachdem sie sich geschlossen haben, und zum Zurücksetzen der Schwelle gemäß dem abfallenden Widerstand umfaßt.

8. Ein Schaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der Mittel (36) zum Leiten von Strom durch die Kontakte (10) für nur einen Teil der Zeit umfaßt.

9. Eine Triggersonde für eine Positionsbestimmungsvorrichtung mit elektrischen Kontakten (10) und einem Signalaufbereitungsschaltkreis (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der mit den Kontakten verbunden ist.