DE9413879U1 - Positionsmeßsystem - Google Patents

Description

Herr

Dr. Wolfgang Weber

Alemannenstraße 22

79299 Wittnau

Positionsmeßsystem

Die Erfindung betrifft ein Positonsirteßsystem, wobei das Meßsystem insbesondere ein Meßtaster zur Längenmessung ist,

) der einen geführten Meßbolzen zum Abtasten eines Meßobjektes sowie ein Gehäuse mit einer Meßbolz en-Führung und eine mit dem Meßbolzen zusammenwirkende Meßeinrichtung aufweist, die mit einer Meß- und Auswerteeinrichtung verbunden ist.
Üblicherweise kommen bei diesen bekannten Meßtastern induktive Meßeinrichtungen zur Anwendung. Diese haben sich in der Praxis zwar in mancherlei Hinsicht bewährt, weisen andererseits aber auch erhebliche Nachteile auf. So sind sie gegenüber elektromagnetischen Feldern empfindlich und erfordern auch eine sehr präzise Führung des Meßbolzens, da selbst kleinste Seitenbewegungen des in die Spule(n) eintauchenden, ferromagnetischen Kerns zu erheblichen

.20 Meßwertverfälschungen führen. Der konstruktive Aufwand für diese Meßeinrichtungen ist auch aus dem vorgenannten Grund vergleichsweise groß und außerdem ergibt sich durch die Spulenanordnung eine entsprechend lange Bauform des Gehäuses.

Weiterhin ist nachteilig, daß der Temperaturbereich, in dem ein solcher induktiver Meßtaster einsetzbar ist, durch die verwendeten Bauteile der Meßeinrichtung eingeschränkt ist und Messungen bei höheren Temperaturen, oberhalb von 70*C nicht möglich sind.

Für einen solchen Meßtaster oder eine vergleichbare Anordnung besteht daher die Aufgabe, eine Meßeinrichtung zu schaffen, die einfach im Aufbau ist, unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen, kompaktere Abmessungen des Tasters zuläßt und darüber hinaus auch bei höheren Temperaturen einsetzbar ist. Außerdem sollen die Anforderungen an die Präzision der Mechanik bedarfsweise bei trotzdem hoher Meßgenauigkeit reduziert sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß insbesondere vorgeschlagen, daß die Meßeinrichtung einen mit einem Ende an eine Lichtquelle angeschlossenen Emissions-Lichtwellenleiter,

fc einen mit einem Ende an einen Lichtdetektor angeschlossenen Empfangs-Lichtwellenleiter sowie einen mit dem Meßbolzen oder dergleichen beweglichem Teil verbundenen, den anderen Enden der Lichtwellenleiter zugewandten Reflektor aufweist, daß die Lichtwellenleiter in einem biegsamen Lichtwellenleiter-Kabel zusammengefaßt sind und daß in dem Lichtwellenleiter-Kabel als Schleife Monitor-Lichtwellenleiter mitgeführt sind, deren 0 eines Ende an die für den Emissions-Lichtwellenleiter vorgesehene Lichtquelle und deren anderes Ende an einen Monitor-Photodetektor angekoppelt sind.

Diese Meßeinrichtung ist völlig unempfindlich gegen elektromagnetische Felder. Sie ist einfach im Aufbau und erfordert nicht unbedingt die bisher für eine hohe

' Meßgenauigkeit notwendige, mechanische Präzision. Die Meßeinrichtung erfordert nur wenig Platz, so daß sich damit sehr kompakte Meßtaster realisieren lassen. Die Verwendung eines optischen Meßsystems unter Anwendung von Glasfasern 0 ermöglicht auch den Einsatz bei hohen Umgebungstemperaturen von z.B. 300° C. Durch das Fehlen elektrischer Ströme in der tasterseitigen Meßeinrichtung ist auch der Einsatz in einer Umgebung mit Explosionsgefahr möglich.

Bei der vorliegenden Erfindung können durch die im 5 Lichtwellenleiter-Kabel mitgeführten Monitor-Lichtwellenleiter

Transmissionsverluste im Kabel, die durch die Verbiegung auftreten können und damit das Meßsignal verfälschen würden, erfaßt und dann auch kompensiert werden. Außerdem besteht die Möglichkeit, die Alterung und die Temperatürabhängigkeit der 5 optoelektronischen Bauelemente zu erfassen und zu kompens ieren.

Man kennt zwar bereits den Einsatz von einer prinzipiell ähnlichen Lichtwellenleiter-Anordnung aus der DE-OS 41 05 270, die insbesondere für den Einsatz in Einspritzdüsen konzipiert ist. Jedoch ist hierbei nicht die hohe Meßgenauigkeit wie bei einem Meßtaster gefordert und es sind hier auch keine

) entsprechenden Maßnahmen für eine solche Genauigkeit vorgesehen, die Messungen bis in den Nanometer-Bereich zulassen wie beim Erfindungsgegenstand.

Zweckmäßigerweise ist für die tasterseitigen Enden der Lichtwellenleiter ein mit dem Tastergehäuse verbundener Halter vorgesehen, der vorzugsweise bezüglich seines Abstandes zum Reflektor verstellbar ist, insbesondere in das Meßtaster-Gehäuse einschraubbar ist.

Durch diesen Halter sind die tasterseitigen Enden der Lichtwellenleiter exakt relativ zueinander positioniert und gehalten und durch die Verstellbarkeit des Halters lassen sich die Lichtwellenleiter-Enden in ihrem Abstand zum Reflektor einstellen, so daß insbesondere auch eine Justierung des Meßsystems auf die Kennlinie möglich ist. Es besteht damit auch die Möglichkeit, das Meßsystem auf verschiedene Kennlinienabschnitte einzustellen und damit unterschiedliche Empfindlichkeiten des Meßsystems auszunutzen.

Vorzugsweise ist am tasterfernen Ende ein Anschlußstück für die Lichtwellenleiter mit darin befindlicher Lichtquelle und Photodetektor vorgesehen.

Somit bildet das Lichtwellenleiter-Kabel mit seinem tasterseitigen Halter und den am anderen Ende befindlichen Anschlußstück eine Baueinheit. Dadurch sind alle lichtführenden Teile und auch die Lichtquelle sowie der Photodetektor in einer Einheit zusammengefasst, so daß auch eine feste Lagezuordnung vorhanden ist. Zweckmäßigerweise ist dabei das tasterferne Anschlußstück als Stecker mit elektrischen Steckverbindungen zum Anschließen an die Auswerteeinrichtung ausgebildet. Somit erfolgt beim Anschlußstück nur eine elektrische Kopplung, und es wird dadurch eine aufwendige und störanfällige, optische Schnittstelle vermieden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß in dem Anschlußstück ein Speicher zum Abspeichern der Taster-Meßkennlinie vorgesehen ist, vorzugsweise ein EEPROM. In diesen Speicherbaustein kann die jeweilige, individuelle Kennlinie des Meßtasters abgespeichert werden, so daß unabhängig von Nichtlinearitäten der Kennlinie die hohe Auflösung und Meßgenauigkeit über den gesamten Meßbereich gewährleistet ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben.

Es zeigt:

Fig.l eine etwas schematisierte Längsschnittdarstellung 0 eines Meßtasters,

Fig.2 ein Blockschaltbild einer Auswerteeinrichtung des Positionsmeßsystems mit zugeordnetem Anschlußstück eines Lichtwellenleiter-Kabels, 35

6
Fig.3 eine typische Kennlinie im X-Modus,

Fig.4 eine typische Kennlinie im Z-Modus und Fig.5 den prinzipiellen Aufbau eines Positionsmeßsystems.

Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau eines Positionsmeßsystems mit zwei Lichtwellenleitern 2 und 3 sowie einem Reflektor 1. Ein Emissionslichtwellenleiter 2 und ein Empfangslichtwellenleiter 3 sind dabei parallel zueinander und unmittelbar benachbart angeordnet. Die jeweiligen Endflächen der Lichtwellenleiter liegen in einer Ebene XY. An einem Ende

W des Emissionslichtwellenleiters 2 ist eine Lichquelle, zum Beispiel eine LED 4 angeordnet, während an einem Ende des Empfangslichtwellenleiters eine Photodiode 5 angeordnet ist. Die Gerade, die durch die Mittelpunkte der Endflächen der Lichtwellenleiter läuft, wird als x-Achse bezeichnet, die dazu orthogonale Achse, die ebenfalls in der Fläche der Lichtwellenleiterenden liegt, ist die y-Achse. Parallel zu der Lichtwellenleiterachse verläuft die z-Achse.

Der Koordinatenursprung liegt am Berührungspunkt der beiden Lichtwellenleiter. Die beiden in einer Ebene liegenden Lichtwellenleiterendflächen sind zu einem Reflektor 1 parallel angeordnet. Der Reflektor 1, kann entweder in einem X-Modus in

k25 x-Richtung bewegt werden, wobei seine z- und y-Koordinaten konstant bleiben oder aber in einem Z-Modus, in z-Richtung bewegt werden, wobei seine x- und y-Koordinaten konstant bleiben.

0 Im X-Modus wird der Reflektorabstand in z-Richtung sowie der Faserdurchmesser der Lichtwellenleiter 2,3 und die Lichtstärke des von der LED emittierten Lichts so gewählt, daß sich eine bestimmte Empfindlichkeit und somit ein bestimmter Meßbereich ergibt. Die Parameterkombination wird durch die Meßaufgabe 5 festgelegt. Im X-Modus wird der Reflektor 1 entlang der x-

Achse bewegt, wobei die z- und y-Koordinaten des Reflektors konstant sind. Von der LED 4 wird Licht emittiert, das durch den Emissionslichtwellenleiter in Richtung Reflektor 1 ausgesandt wird.

Sobald die Oberkante 6 des Reflektors 1, der in x-Richtung bewegt wird, auf der Höhe des Emissionslichtwellenleiters liegt, trifft der vom Emissionslichtwellenleiter emittierte Lichtstrahl auf die Oberfläche des Reflektors 1 auf, und wird reflektiert, bzw. gestreut. Ein Teil des reflektierten Lichtes 12 trifft auf die dem Reflektor zugewandten Endfläche des Empfangslichtwellenleiters 3 auf, und wird über diesen zu einer Photodiode 5 geleitet, die ein analoges Detektorsignal h erzeugt.

Das analoge Detektorsignal wird in einer in Figur 2 dargestellten Auswerteeinheit 20 verstärkt. Somit kann die Position des Reflektors in Abhängigkeit des Photodetektorsignals ermittelt werden, worauf auch auf einfache Art und Weise die Länge des zu messenden Objekts bestimmt werden kann.

Durch die Verwendung von zwei Lichtwellenleitern erhält man im X-Modus eine in Figur 3 erkennbare Kennlinie. Diese ist über den zentralen, sehr ausgedehnten Bereich in guter Näherung linear.

Im Z-Modus wird der Faserdurchmesser sowie die Lichtintensität " des von der LED emitierten Lichts so gewählt, daß sich eine bestimmte Empfindlichkeit und somit ein bestimmter Meßbereich einstellt. Im Z-Modus wird der Reflektor in z-Richtung bewegt, wobei die xy-Koordinaten des Reflektors konstant bleiben.

0 Dadurch läßt sich der Abstand des Reflektors zu den Lichtleitern bestimmen. Der Reflektor sollte mindestens über den von den Lichtwellenleitern während seiner Z-Bewegung insgesamt eingesehenen Bereich homogen sein. Das von der LED über den Emissionslichtwellenleiter auf den Reflektor gestrahlte und reflektierte bzw. gestreute Licht 12

trifft auf die Endfläche des Empfangslxchtwellenleiters 3 auf und wird zu der Photodiode 5 weitergeleitet. Die Photodiode 5 erzeugt in Abhängigkeit der aufgenommenen Lichtmenge ein analoges Detektorsignal, daß mit Hilfe der Auswerteeinheit 2 0 verstärkt und weiterverarbeitet wird. Aus der resultierenden Kennlinie (Fig.4), welche mittels des Speicherbausteines fest mit dem jeweiligen Meßtaster verbunden ist, kann auf einfache Weise die Z-Position des Reflektors bestimmt werden.

Das erfindungsgemäße Positionsmeßsystem ermöglicht somit auf einfache und kostengünstige Art und Weise eine zuverlässige Längen- und Abstandsmessung.

Fig. 1 zeigt in einer Längsschnittdarstellung eine Längenmeßeinrichtung in Form eines Meßtasters 7. Mit Hilfe dieses Meßtasters lassen sich insbesondere Maßabweichungen eines Meßobjektes 8 überprüfen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Meßobjekt eine Welle, die bei Rotation beispielsweise auf Seitenschlag untersucht werden soll. Solche Maßabweichungen werden von dem angetasteten Meßobjekt 8 auf einen Meßbolzen 9 des Meßtasters 7 übertragen, der dabei Längsbewegungen entsprechend dem Doppelpfeil Pf 1 ausführen kann.

Der Meßbolzen 9 ist in einer Längsführung 11 geführt und in .25 seinem Bewegungshub durch Anschläge 12, 13 begrenzt. Zum Antasten des Meßobjektes 8 ist am äußeren Ende des Meßbolzens 9 eine Tastkugel 14 vorgesehen. Zur Abdichtng des mechanischen Systems befindet sich zwischen dem beweglichen Meßbolzenende und dem Tastergehäuse 15 ein Dichtungsbalg 16.

0 Zur Rückstellung des Meßbolzens 9 in Ausgangsstellung mit Anlage des Anschlages 13 dient eine Rückstellfeder 17.

Für den Meßstaster 7 ist als Meßeinrichtung 18 das anhand der Figur 5 beschriebene optische System vorgesehen, wobei in 5 diesem Anwendungsfall allerdings eine Messung im Z-Modus

erfolgt. Dazu ist am inneren Ende des Meßbolzens 9 der Reflektor 1 angeordnet und macht die Hubbewegungen des Meßbolzens 9 mit. In axialer Verlängerung des Meßbolzens 9 sind mit Abstand zum Reflektor 1 die Enden des Emissions-Lichtwellenleiters 2 und des Empfangs-Lichtwellenleiters 3 angeordnet.

In Abhängigkeit von der axialen Reflektorposition wird ein bestimmter Bruchteil des vom Emissions-Lichtwellenleiter auf den Reflektor gesandten Lichts in den Empfangs-Lichtwellenleiter reflektiert. Die Menge des reflektierten Lichts ist daher ein Maß für die Reflektorposition, d.h. über den Meßbolzen 9 ein Maß für die Position der Tastkugel 14.

Die Lichtwellenleiter-Enden sind in einem Halter 19 gefaßt, der in das Gehäuse 15 von der Rückseite her eingeschraubt ist. Durch unterschiedliche Einschraubtiefen kann der Abstand der Lichtwellenleiter-Enden zum Reflektor 1 voreingestellt werden. Die Lichtwellenleiter 2, 3 sind als Lichtwellenleiter-Kabel 23 zu einer in Fig. 2 gezeigten Auswerteeinrichtung 2 0 geführt.

Bei diesem Ende des Lichtwellenleiter-Kabels 23 enden die Lichtwellenleiter 2, 3 in einem Anschlußstück 21. Dieses beinhaltet als Lichtquelle die LED 4 und als Photodetektor die Photodiode 5.
Die Verbindung zu der Auswerteeinrichtung 2 0 kann durch 5 Integration der optoelektronischen Bauelemente 4, 5 in das Anschlußstück 21 elekrisch ausgeführt sein, was wesentlich unproblematischer ist als eine optische Verbindungsstelle. Zum Verbinden des Lichtleiterkabels bzw. seines Anschlußstückes 21 mit der Auswerteeinrichtung 2 0 sind demgemäß elektrische Steckverbindungen 22 vorgesehen.

In Fig. 4 ist die Kennlinie der Meßeinrichtung im Z-Modus wiedergegeben. Es ist hierbei erkennbar, daß sich zwei Kurvenabschnitte ergeben und zwar ein erster Kurvenabschnitt mit einem steil bis zu einem Maximum aufsteigenden Abschnitt

•J S » * · ·

• * 4

und einem sich daran anschließenden, abfallenden Kurvenabschnitt mit etwas geringerer Steigung. Der erste Kurvenabschnitt ergibt sich im Ausführungsbeispxel etwa im Bereich von 1,5 mm bis 2,5 mm Abstand der Lichtwellenleiter-Enden vom Reflektor 1. Der zweite Kennlinien-Abschnitt ergibt sich bei Abständen von etwa 3 bis 5 bzw. bis zu 10 mm. In Abhängigkeit von den Meßanforderungen können beide Kennlinien-Abschnitte genutzt werden. Dies erfolgt, indem die in dem Halter 19 gefassten Lichtwellenleiter-Enden in ihrem Abstand zum Reflektor 1 unterschiedlich eingestellt werden.

Bei einem etwas größeren Abstand wird dabei der abfallende Bereich der Kennlinie mit negativer Steigung erfasst. Der Meßweg kann hierbei bis zum 10 mm oder mehr betragen, wobei die erzielbare Auflösung mindestens Werte von 300 nm/mV erreicht werden.

Wird der Abstand der Lichtwellenleiter-Enden vom Reflektor 1 verringert, insbesondere durch Einschrauben des Halters 19 in das Tastergehäuse 15, wobei der Abstand etwa im Bereich von 2 mm liegt, wird der Kennlinienbereich mit positiver Steigung 0 erfasst. Wegen der sehr viel größeren Steilheit der Kennlinie in diesem Bereich ergibt sich eine beträchtlich höhere mögliche Auflösung.

Wird nur einer der Meßbereiche benötigt, so kann der Taster auch von vornherein mit fest vorgegebenem Abstand zwischen Lichtwellenleiter-Enden und Reflektor 1 ausgebildet sein.

Erwähnt sei noch, daß eine Feinabstimmung auf den gewünschten Meßbereich auch über verschiedene Parameter, insbesondere die LED-Intensität, die Verstärkung des Ausgangssignales und auch den Lichtwellenleiter-Durchmesser festgelegt werden kann. 30

Wie in Fig. Iu. 2 erkennbar, sind bei dem Lichtwellenleiter-Kabel 23 Monitor-Lichtwellenleiter 24 mitgeführt. Der eine Monitor-Lichtwellenleiter ist dabei mit seinem einen Ende beim Anschlußstück 21 an die für den Emissions-Lichtwellenleiter 5 vorgesehene LED 4 angekoppelt. In der Praxis kann dies

• ♦ « « J K ' ·

erreicht werden, indem der Monitor-Lichtwellenleiter 24 zusammen mit dem Emissions-Lichtwellenleiter 2 als Gabel-Lichtwellenleiter gefasst wird.

Über diesen Monitor-Lichtwellenleiter 24 wird ein gewisser Bruchteil des emittierten Lichtes, z.B. 25 Prozent parallel zu den Meß-Lichtwellenleitern 2, 3 bis zum Taster geführt. Dort wird das Licht im vorliegenden Falle über ein Prisma 25 in den anderen Monitor-Lichtwellenleiter 24 eingekoppelt und zum Anschlußstück 21 zurückgeführt. Anstatt eines Prismas kann auch ein Spiegel oder eine 180 * -Umbiegung des Monitor-Lichwellenleiters vorgesehen sein.

Im Anschlußstück 21 befindet sich eine weitere Photodiode 5a &psgr; für das vom Monitor-Lichtwellenleiter 24 zurückgeführte Licht.

Die Monitor-Lichtwellenleiter 24 sind somit in das Lichtwellenleiter-Kabel 23 integriert und bilden zusammen mit den beiden anderen Meß-Lichtwellenleitern 2, 3, dem tasterseitigen Halter 19 und dem Anschlußstück 21 eine Baueinheit. Die in dieser Einheit zusammengefaßten Einzelelemente unterliegen somit in gleicher Weise auftretenden Änderungen. Dies betrifft einerseits den Verlauf des Lichtwellenleiter-Kabels und andererseits Änderungen durch unterschiedliche Umgebungstemperaturen sowie Alterung der optoelektronischen Bauelemente.

Durch unterschiedliche Lage bzw. Verlauf des .25 Lichtwellenleiter-Kabels 23 ergeben sich auch unterschiedliche Transmissionsverluste durch die Verbiegung der Lichtwellenleiter, so daß dadurch das Meßsignal beeinflußt werden kann.

Unterschiedliche Transmissionsverluste und dergleichen wirken 0 sich aber auch auf die Monitor-Lichtwellenleiter 24 aus, so daß diese Transmissionsverluste erfasst und kompensiert werden können.

Zur Alterung bzw. zur Temperaturabhängigkeit der LED und der Photodiode sei folgendes bemerkt:

Mit der Monitor-Photodiode 5a wird die von der LED 4 abgezweigte Lichtmenge unabhängig von der Reflektor-Position gemessen. Ändert sich nun diese Lichtmenge aufgrund von Alterung und/oder Temperatur, so läßt sich die LED 4 so nachregeln, daß ein einmal vorgegebener Wert wieder erreicht wird. Diese Regelung läßt sich auch für die Kompensation von Veränderungen der Meß-Photodiode 5 einsetzen. Diese verändert sich durch Temperatur genauso wie die Monitor-Photodiode 5a, so daß sich auch hier wieder der LED-Strom so nachregeln läßt, daß eine auftretende Veränderung kompensiert wird.

In Fig.2 ist noch erkennbar, daß in dem Anschlußstück 21 des

) Lichtwellenleiter-Kabels 23 ein Speicher-Baustein 26 enthalten ist. Dieser kann beispielsweise durch einen überschreibbaren Speicher gebildet sein, insbesondere ein EEPROM. In diesem Speicher-Baustein 26 kann die jeweils bei einem Meßtaster vorhandene Kennlinie abgespeichert werden.

Die in Fig.2 gezeigte Auswerteeinrichtung 2 0 enthält einen Analogverstärker 27, einen Analog-Digital-Wandler 28, einen Microprozessor 29 sowie einen Digital-Analog-Wandler 30.

Über die elektrische Steckverbindung 22 ist das Lichtwellenleiter-Kabel 23 mit seinem Anschlußstück 21 mit der Auswerteeinrichtung 20 elektrisch verbunden.

5 Die Signalauswertung erfolgt folgendermaßen:

Das von der LED 4 erzeugte und vom Reflektor 1 reflektierte Licht wird in der Photodiode 5 nachgewiesen. Das Signal dieser Photodiode wird in dem Analogverstärker 27 verstärkt und anschließend wird das verstärkte Analogsignal in dem Analog-0 Digital-Wandler 28 digitalisiert. Der nachgeschaltete Microprozessor 29 verarbeitet die Digitalsignale und steuert die Ausgabe der Meßergebnisse. Eine Anzeige von diesen Meßwerten erfolgt mit Hilfe einer Digitalanzeige 31. Erwähnt sei, daß die Auswerteeinrichtung 20 ggfs. auch ohne 5 Microprozessor arbeiten kann, wobei dann das vom Analog-

Digital-Wandler 2 8 kommende Signal direkt ausgegeben wird. In diesem Falle muß die Messung für eine möglichst hohe Genauigkeit im weitgehend linearen Bereich der Kennlinie arbeiten.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Konfiguration mit Microprozessor besteht die Möglichkeit, daß zunächst der Meßtaster kalibriert wird. Dazu dient eine externer Kalibrations-Vorrichtung 32, die hier aus einem Schrittmotor 33 mit Präzisions-Referenz-Maßstab 34 besteht.

Mit Hilfe der Kalibrations-Vorrichtung 32 wird in genau vorgegebenen Schritten der Meßtaster 7 beaufschlagt und dabei der Meßbolzen 9 um exakte Wegstrecken verfahren. Die sich bei

\ diesen einzelnen Meßstellen ergebenden Meßwerte werden im Speicher-Baustein 2 6 als individuelle Taster-Kennlinie abgelegt. Danach ist diese spezielle Taster-Kennlinie erfasst und dem Taster zugeordnet. Weiterhin könnte als Information auch noch das Kalibrations-Datum, eine individuelle Taster-Kennung und dergleichen eingespeichert werden. Wird nun der Meßtaster mit seinem Lichtwellenleiter-Kabel 23 0 an eine Auswerteeinrichtung 20 angeschlossen, so werden zunächst die Kenndaten des Meßtasters, die in dem Speicher-Baustein 2 6 abgelegt sind, dem zur Auswerteeinrichtung 20 gehörenden Microprozessor 2 9 übermittelt. Somit stehen für eine exakte Messung alle tastereigenen Kennwerte und dabei insbesondere auch die tasterspezifische Kennlinie zur Verfügung.

Über den Microprozzessor kann auch eine Nachregelung der LED 4 erfolgen. Insbesondere erfolgt dies über die Monitor-Lichtwellenleiter 24. Bei einer gegebenen Verbiegung des 0 Lichtwellenleiter-Kabels verlieren sowohl die Monitor-Lichtwellenleiter 24 als auch die Meß-Lichtwellenleiter 2, 3 den gleichen Prozentsatz an eingespeistem Licht. Ein Nachregeln des "Monitor-Lichts" auf den alten Wert ergibt auch für den Meß-Lichtwellenleiter die Kompensation der Biegeverluste. Diese Regelung erfolgt in Analogtechnik, wobei

ein vom Microprozessor 29 kommendes Signal in dem Digital-Analog-Wandler 3 0 in einen Analogwert umgesetzt und dann zur Steuerung der LED 4 verwendet wird. Die Regelung erfolgt dabei mit einer Frequenz, die deutlich höher als typische Veränderungen durch Alterung, Temperatur oder Lichtwellenleiter-Verbiegungen ist.

Über die jeweilige Höhe der erforderlichen Nachregelung läßt sich auch der Zustand und somit die weitere Verwendbarkeit des Meßtasters ermitteln und anzeigen (Toleranzüberwachung).

Der Ausfeder-Anschlag 13 ist vorzugsweise als hochpräziser fe Anschlag mit einer Wiederholgenauigkeit möglichst kleiner als 0,1 Mikrometer ausgebildet. Dadurch besteht die Möglichkeit, den Reflektionsgrad des Reflektors 1 zu überprüfen beziehungsweise zu kalibrieren.

Bei der Kalibration des Tasters wird ein erster Sollwert für das Signal der Monitor-Diode 5a vorgegeben, das heißt die LED 4 emittiert stets solch eine Lichtleistung, daß bei neuem 0 Reflektor und unabhängig von momentanen Temperatur oder Biegung der Lichtwellenleiter, das Monitor-Signal eine bestimmte Höhe hat. Diese Lichtleistung erzeugt über die Reflektion am Spiegel bei ganz ausgefedertem, am Anschlag 13 anliegendem Taster ein bestimmtes Signal in der Meß-Diode.

Dieses Meßsignal beträgt zum Beispiel -10.000 V und wird

" ebenfalls im Speicher-Baustein des Tasters abgelegt.

Verändert sich nun die Reflektivität des Spiegels, so ergibt sich bei ganz ausgefedertem Taster und unverändertem Signal in der Monitor-Diode ein gegenüber -10.000 V verändertes 0 Meßsignal. Das ursprüngliche Meß-Signal und damit die ursprüngliche Kennlinie läßt sich wiederherstellen, indem die LED-Leistung entsprechend korrigiert wird. Damit erfolgt ein Ausgleich der veränderten Reflektivität des Spiegels. Eine Korrektur, also eine beabsichtigte Veränderung der LED-5 Leistung bewirkt aber auch ein verändertes Signal in der

Monitor-Diode. Dieses neue Monitor-Signal wird jetzt vom Mikroprozessor anstelle des bisherigen übernommen und dient bis auf weiteres als neue Regelgröße für die LED-Leistung. Ob eine Nachkaiibration des Spiegels 1 notwendig ist, erkennt der Benutzer immer daran, daß bei ganz ausgefedertem Taster die Digitalanzeige z.B. den Wert Z=00.000 mm ausgibt oder nicht, bzw. ob das Meßsignal noch -10.000 V beträgt. Ein kleinerer Wert bedeutet zum Beispiel verringerte Reflektivität, welche einen vergrößerten Abstand zwischen Spiegel und den Lichtwellenleitern suggeriert.

Die Übernahme des neuen Monitor-Signals als Regelgröße kann entweder vom Benutzer mittels eines Schalters am Steuergerät initiiert werden oder es wird bei jeder Initialisierung des Tasters automatisch durchgeführt. Es muß dabei lediglich sichergestellt sein, daß der Taster tatsächlich ganz ausgefedert ist.

Bei Ausführung des Meßtasters für Meßwege von 10 mm, bei dem die individuelle Kennlinie fest dem Taster zugeordnet und dem Mikroprozessor bekannt ist, ist schon bei Verwendung eines handelsüblichen 14-Bit-Analog-Digital-Wandlers in der Steuerelektronik eine Auflösung von etwa 0,2 Mikrometer erreichbar. Diese Auflösung gilt über den gesamten Meßbereich von 10 mm.

Ein Analog-Digital-Wandler mit höherer Bit-Zahl steigert die erreichbare Auflösung nahezu beliebig.

' Da die individuelle Taster-Kennlinie bekannt ist und das Meßsystem mittels der geschilderten Selbst-Kalibration - LED-Leistung, LWL-Verbiegung, Änderung der Reflektivität, Änderung der Umgebungstemperatur - stets auf diese Kennlinie 0 zurückgeführt wird, ist die Nichtlinearität der Kennlinie ohne Bedeutung. Gerade aber die immanente Nichtlinearität bei den bisher verwendeten, induktiven Meßsystemen ist es jedoch, die die absolute Genauigkeit solcher Meßtaster, insbesondere bei Ausnutzung des gesamten Meßweges, stark reduziert. 35

Außer für den im Ausführungsbeispiel beschriebenen Meßtaster ist die erfindungsgemäße Meßeinrichtung auch für andere Meßaufgaben einsetzbar. Sind nicht die hohen Anforderungen wie bei einem Meßtaster gestellt, so ist es auch nicht erforderlich, alle erfindungsgemäßen Einzelmaßnahmen in Kombination vorzusehen.

/eansprüche

Claims (5)

17 eansprüche

1. Positionsmeßsystem, insbesondere Meßtaster zur Längenmessung, der einen geführten, beweglichen Meßbolzen insbesondere zum Abtasten eines Meßobjektes sowie ein Gehäuse mit einer Meßbolzen-Führung und eine mit dem Meßbolzen zusammenwirkende Meßeinrichtung aufweist, die mit einer Meß- und Auswerteeinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung einen mit einem Ende an eine Lichtquelle angeschlossenen Emissions-Lichtwellenleiter (2), einen mit einem Ende an einen

^ Lichtdetektor (5) angeschlossenen Empfangs-

Lichtwellenleiter (3) sowie einen mit dem Meßbolzen (9) oder dergleichen beweglichem Teil verbundenen, den anderen Enden der Lichtwellenleiter zugewandten Reflektor (1) aufweist, daß die Lichtwellenleiter in einem biegsamen Lichtwellenleiter-Kabel (23) zusammengefasst sind und daß in dem Lichtwellenleiter-Kabel (23) als Schleife Monitor-Lichtwellenleiter (24) mitgeführt sind, deren eines Ende an die für den Emissions-Lichtwellenleiter (2) vorgesehene Lichtquelle (4) und deren anderes Ende an einen Monitor-Photodetektor (5a) angekoppelt sind.

2. Positionsmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Monitor-Lichtwellenleiter (24) beim Taster über eine Schleife, ein Prisma (25), einen Spiegel oder dergleichen miteinander verbunden bzw. gekoppelt sind, und daß sich die Verbindungsstelle 0 vorzugsweise innerhalb des tasterseitigen Halters (19) befindet.

3. Positionsmeßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissions- und die Empfangs-5 Lichtwellenleiter (2, 3) sowie die Monitor-Lichtwellenleiter (24) zumindest bezüglich der

nummerischen Apertur, gegebenenfalls auch hinsichtlich geometrischer Abmessungen gleich ausgebildet sind.

4. Positionsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am tasterfernen Ende ein Anschlußstück (21) für die Lichtwellenleiter mit darin befindlicher Lichtquelle (4) und Photodetektor (5, 5a) vorgesehen ist.

5. Positionsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die tasterseitigen Enden der Lichwellenleiter ein mit dem Tastergehäuse (15) verbundener Halter (19) vorgesehen ist, der vorzugsweise in seinem Abstand zum Reflektor verstellbar ist und insbesondere in das Meßtastergehäuse (15) einschraubbar ist.

6. Positionsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtwellenleiter-Kabel 0 (23) mit seinem tasterseitigen Halter (19) und dem am anderen Ende befindlichen Anschlußstück (21) eine Baueinheit bildet.

7. Positionsmeßsystem nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Anschlußstück (21) ein Speicher

(26) zum Abspeichern der Taster-Meßkennlinie vorgesehen ist, vorzugsweise ein EEPROM.

8. Positionsmeßsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 7,

0 dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußstück (21) als Stecker mit elektrischen Steckverbindungen (22) zum Anschließen an die Auswerteeinrichtung (20) ausgebildet ist.

• · ♦ ♦

9. Positionsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an die Auswerteeinrichtung (20) eine Meßwertanzeige (31), vorzugsweise eine

Digitalanzeige angeschlossen bzw. anschließbar ist. 5

10. Positionsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an die Auswerteeinrichtung (20) eine Kalibrations-Vorrichtung (32), vorzugsweise mit einem durch einen Schrittmotor (33) angetriebenen Referenz-Maßstab anschließbar ist.

11. Positionsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, k dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiter {2, 3,

24) etwa axial von der Rückseite des Meßtaster-Gehäuses (15) her zugeführt sind.

12. Positionsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiter (2, 3, 24) insbesondere bei Messung im X-Modus seitlich an das Meßtaster-Gehäuse (15) und quer zur Längsachse des Meßbolzens (9) zugeführt sind, daß der mit dem Meßbolzen verbundene Reflektor eine im Sende-beziehungsweise Empfangslichtkegel angeordnete Kante aufweist und daß der Arbeitshub dieser Kante im Lichkegelbereich liegt.

13. Positionsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Führung (11) für den Meßbolzen (9) eine Gleitführung vorzugsweise mit einer Kunststoff-Führungsbuchse vorgesehen ist.

14. Positionsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Auswerteeinrichtung (20) einen Analogverstärker (27) für das vom Photodetektor gelieferte Meß- oder Detektorsignal, einen dem Analogverstärker nachgeschalteten Analog-

Digital-Wandler {28) sowie gegebenenfalls einen damit verbundenen Mikroprozessor (29) aufweist, der unter Berücksichtigung der jeweiligen, tasterspezifischen Meßkennlinie die Ausgabe der Meßergebnisse steuert. 5

15. Positionsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nachregeleinrichtung für die Lichtquelle vorgesehen ist.

16. Positionsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung {20) zur Auswertung der Detektorsignale rauscharme Elektronikbaugruppen aufweist.

17. Positionsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite des Meßbolzens (9) selbst als Reflektor ausgebildet ist.

18. Positionsmeßsystem (10), nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Emissions- und Empfangslichtwellenleiter (2, 3) fertige Lichtwellenleiterpaare vorgesehen sind.

19. Positionsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 18,

5 dadurch gekennzeichnet, daß die Emissions- und Empfangslichtwellenleiter (2, 3) einen Durchmesser von etwa 50 m bis etwa 3 mm aufweisen.

20. Positionsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 19,

0 dadurch gekennzeichnet, daß für den Reflektor (1) eine vorgegebene Kalibrierposition vorgesehen ist und daß dazu vorzugsweise ein Ausfederanschlag (12) für den Meßbolzen (9) vorgesehen ist.

5 Dr.WoIfgang Weber