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WO2005109166A1 - Computer kompatibler längenmesstaster - Google Patents

Computer kompatibler längenmesstaster Download PDF

Info

Publication number
WO2005109166A1
WO2005109166A1 PCT/EP2005/004224 EP2005004224W WO2005109166A1 WO 2005109166 A1 WO2005109166 A1 WO 2005109166A1 EP 2005004224 W EP2005004224 W EP 2005004224W WO 2005109166 A1 WO2005109166 A1 WO 2005109166A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
probe
length
computer
measuring
signal
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/004224
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer Ziegenbein
Kai Kammers
Original Assignee
Carl Mahr Holding Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=34967558&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=WO2005109166(A1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Carl Mahr Holding Gmbh filed Critical Carl Mahr Holding Gmbh
Publication of WO2005109166A1 publication Critical patent/WO2005109166A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B3/00—Measuring instruments characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B3/22—Feeler-pin gauges, e.g. dial gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/28—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B7/287—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring contours or curvatures using a plurality of fixed, simultaneously operating transducers

Definitions

  • the invention relates to a length probe and a probe system, which can be used in particular in connection with a computer.
  • inductive length measuring probes with a in a housing can be moved stored probe element known, with which the surface of a workpiece is mechanically scanned.
  • a measuring device arranged in the housing converts the deflection of the probe element into electrical signals.
  • the probe element is rigidly connected to a core made of a ferromagnetic material, which is immersed in a coil arrangement comprising a primary coil and at least one secondary coil.
  • the primary coil is -with analog AC signals are fed, amplitude-modulated AC voltages being continuously induced in the secondary coil depending on the current position of the core. These AC voltages can then be demodulated in order to obtain a DC voltage signal which characterizes the deflection of the pushbutton element.
  • an external measuring device which receives both an oscillator for feeding the primary coil, all the necessary amplifiers, and electronics with rectifiers and filters, which are required for evaluating the measurement signals.
  • the measurement signals received are visualized or stored in order to be evaluated at a later point in time.
  • external measuring devices known as button boxes, which contain a suitable interface for connection to a computer, by means of which the stored measured values can be read out as required.
  • special measuring computers are known from practice which contain hardware with the required electronic components.
  • the measuring values of all probes must be recorded largely synchronously to one another Assign measurement time and link and evaluate it appropriately. Even if modern PCs are equipped with several connections to which different devices can be connected, synchronous use of several measuring probes is not possible insofar as the communication between the computer and the peripheral devices takes place sequentially.
  • USB Universal Serial Bus
  • Another object of the present invention is to provide a probe system with a computer and at least one compatible length probe.
  • a still further object of the invention is to provide a length measuring probe and a measuring probe system which enable a synchronous measurement value acquisition with a plurality of measuring probes which is initiated by a computer.
  • a length measuring probe with the features of claim 1 and a measuring system according to claim 21 are created.
  • the length measuring probe thus has a probe element that can be moved in a probe housing, for example longitudinally displaceably along a measuring axis, with which the workpiece surface can be mechanically (touching) scanned, and a measuring device that is also arranged in the probe housing, connected to the probe element and for this purpose is set up to convert the deflection of the probe element into a corresponding analog measurement signal.
  • the length measuring probe also has a control and processing device connected to the measuring device and a communication device which is set up for communication with a computer.
  • the control device is used to continuously feed the measuring device with an analog control signal, in particular a sinusoidal voltage signal or another suitable feed signal, such as a square-wave signal.
  • the amplitude, phase and / or frequency of the excitation signal is modulated by the measuring device in proportion to the width and as a function of the direction of the deflection of the probe element.
  • the processing device is set up to receive, process, in particular demodulate and digitize this amplitude, phase or frequency modulated measurement signal in order to obtain a digital measurement value which characterizes the momentary deflection of the probe element. If necessary, this measured value can be transmitted to the computer for further evaluation via the communication device.
  • a communication device that is compatible with an interface of a computer and by integrating it and the control and processing device in the probe is a length probe that can be operated easily on a conventional computer. No additional repeaters, external measuring devices or button boxes or other adapters are required between the probe and the computer. As a result of the digitization, a measurement signal in the appropriate value-discrete form is available at the output in order to be transmitted to the computer via the interface.
  • a computer is generally understood to be a computer regardless of its system architecture.
  • This can be a personal computer (PC) or a Macintosh computer.
  • PC personal computer
  • Macintosh computer this includes in particular portable computers, such as laptops or notebooks, and also small and very small computers, as they are nowadays referred to as mini computers, handhelds, palmtops, PDAs or in some other way.
  • portable computers, small and microcomputers advantageously enable mobile operation of the length probe for service, assembly, commissioning and the like.
  • the measuring systems constructed from a conventional computer and a length probe according to the invention are inexpensive and easy to use.
  • the length measuring probe is preferably an inductive measuring probe.
  • the probe element can be rigidly connected to a displaceable core made of ferromagnetic material which interacts inductively with a coil arrangement of the measuring device by changing the inductances of the coils of the measuring device depending on the displacement.
  • the measuring device can be designed in the form of a half bridge with a primary coil to be fed with the analog excitation signal and a secondary coil, in the form of a full bridge or in the form of a differential transformer. In the latter case, the measuring device can have a primary coil, which is arranged between two secondary coils, or it can also be a reverse one Configuration.
  • the ferromagnetic core can, but does not have to, dip into the coil arrangement.
  • the inductive coupling between the primary coil and the at least one secondary coil via the core induces an amplitude-modulated measurement signal on the secondary coil, the amplitude of which signals the deflection of the probe element.
  • the phase or frequency of the control signals can also be modulated depending on the displacement.
  • a capacitive measuring device can also be used, in which the capacitive coupling between at least one transmitting electrode and at least one receiving electrode is changed and can be evaluated when the probe element is displaced.
  • Known from the prior art are both measuring devices with transmitting and receiving electrodes which can be displaced relative to one another, as well as those measuring devices in which these electrodes stand still, while a material measure in the form of a series of counter electrodes is moved together with the probe element.
  • the control signals supplied to the transmitter electrodes are influenced or coded differently by the counter electrodes.
  • Advantageous embodiments of current-saving capacitive measuring devices and control and evaluation circuits therefor, which can be used in connection with the invention are described in DE 100 351 92 Cl or in EP 0 785 415 B1, to which reference is expressly made here.
  • the control and processing device and at least the part of the communication device controlling the communication can be accommodated in the push button housing in order to obtain an integrated solution. Then only a cable leads out of the push button housing, at the end of which a suitable connection means is provided for connection to the computer. Instead, use the probe a transmission / reception unit can also be provided, which exchanges data with a corresponding transmission / reception unit of the computer via radio waves.
  • control and processing device and the communication device in the form of an electronic unit are accommodated in a small housing separate from the push button housing and are connected to the measuring device via a connection or cable.
  • Existing probes can be retrofitted with little effort by merely replacing the line cable with a line cable according to the invention with the electronics unit.
  • the electronics unit is arranged at the end of the cable which is remote from the length measuring probe, its housing can also carry the appropriate connection means for connection to the computer.
  • the devices mentioned can be distributed or arranged as desired along the line cable. Some of them could also be housed in the computer.
  • Line cables of different lengths depending on the application can be provided. It is also possible to provide a plug connection between the line cable and the measuring device in order to enable flexible replacement of the line cable.
  • connection means is, for example, a plug which is designed to be suitable and complementary in shape to an interface connection, for example the socket, of the computer.
  • the interface between the length probe and the computer can be selected as desired. It can be a parallel or a serial interface, if it is possible to read out the digital measuring values of the probe received with the computer.
  • the interface also forms an energy source for supplying the length measuring probe. It has a line via which a direct voltage or a direct current provided by the computer can be supplied via the communication device to the electronic unit in order to operate it. No external energy source or internal battery is required for the length probe. This is particularly advantageous for mobile length probe units.
  • the universal serial bus (USB) interface standardized by the industry is provided as the interface between the length measuring probe and the computer.
  • the communication device thus has a USB plug which leads outwards from the housing and can be plugged into a USB socket on the computer, and a USB interface with the necessary control means which monitor the data exchange with the computer in accordance with the USB protocol and Taxes.
  • the USB interface advantageously provides a high data rate of 1.5 megabits per second, 12 megabits per second or even 480 megabits per second in order to ensure a sufficient transmission speed, even if additional USB devices are connected to the USB ports of the computer.
  • the USB interface has a cable core that provides a DC voltage of +5 V.
  • USB interface Another advantage of using the USB interface is that the length measuring probe can be connected and removed while the computer is running, without causing the computer to crash, data loss or even hardware damage.
  • the connection of the USB length probe is noticed by the operating system of the computer, which automatically activates the corresponding drivers for the data transfer.
  • the length measuring probe can be used at the same time.
  • Another comparable interface can also be used instead of the USB interface.
  • the communication device is set up for wireless communication with the computer. It preferably has an RF radio module, that is to say a transmitter / receiver unit, which can exchange data with a corresponding transmitter / receiver unit of the computer via high-frequency radio waves.
  • a radio network is preferably used for devices with low power consumption and low data rate, as is known under the name Low Rate Wireless Personal Area Network (LR-WPAN).
  • LR-WPAN Low Rate Wireless Personal Area Network
  • This radio network is based on the IEEE standard 802.15.4 and provides the sufficient radio range of usually up to 10 m as well as the option of integrating several devices, including length probes.
  • the length measuring probe according to the invention is set up to passively transmit the data obtained upon a command from the computer or actively at defined times.
  • the length measuring probe can be easily adapted for use in an LR-WPAN.
  • a suitable energy source in particular a battery or an accumulator, is to be integrated in the button.
  • control and processing device in the form of analog circuits.
  • the measurement signal obtained then only has to be digitized in order to be made available to the communication device in the appropriate digital form.
  • control device and the processing device work largely digitally.
  • a microprocessor or microcontroller with a program running on it is advantageously used.
  • the microprocessor contains a generator unit or logic which generates the, for example, sinusoidal excitation signal of a suitable frequency generated. This is then converted into an analog signal by a digital / analog converter and fed to the primary coil of the measuring device.
  • the required oscillator voltage can also be generated by pulse width modulation.
  • the digital / analog converter together with an analog / digital converter, which converts the analog measurement signal originating from the measuring device into a digital intermediate signal, preferably forms a converter unit which is inserted between the microprocessor and the measuring device.
  • the processing device contains a detector unit or logic which implements digital filters in the form of multiplier and summing elements in order to demodulate the digital intermediate signal by linking it to the digital excitation signal to determine the digital measured values.
  • Memory means for example volatile and rewritable RAM memories, are preferably also assigned to the microprocessor in order to be able to temporarily store the measured values. Further information, e.g. Button-specific information, such as button type, button characteristic or sensitivity and correction curves (offsets) can be saved, which can be used by the microprocessor to correct measured values. As a result of the digital processing, an adjustment or calibration of the probe can be carried out fully automatically.
  • a probe system which has a computer and at least one length probe described above.
  • the computer has an executable program for measured value acquisition and processing, in particular a firmware program which makes it possible to read out measured values recorded with the probe, to process them further and to visualize them if necessary.
  • the communication interface used is preferably a USB interface or an LR-WPAN interface, as explained above, or a comparable interface. If several buttons are used, the interface protocol should provide that the computer periodically sends a synchronization signal to all connected devices in the network, which serves to synchronize the device's internal clock generators, but does not trigger any data exchange itself. For example.
  • the specification of the USB protocol provides for the transmission of a special data packet, the so-called start-of-frame (SOF) token, with a maximum time error of ⁇ 500 ns every 1.0 ms.
  • SOF start-of-frame
  • the SOF token initiates a frame that defines the available transmission capacity.
  • a specified network coordinator e.g. the computer, can define a so-called superframe to divide the available transmission capacity, which contains 16 time slots or so-called slots and is initiated by a special signal, the so-called beacon, in the first slot of the superframe.
  • the length measuring probes according to the invention have a special logic or logic elements that detect a special synchronization signal, such as the SOF or beacon, and then cause the current digital measured value to be buffered. This enables largely synchronous acquisition of the measured values with all probes.
  • the logic elements furthermore contain logic which recognizes a request from the computer to transmit the current measured value or measured values and initiates this via the communication device.
  • the logic elements are also set up to assign a time stamp to the currently recorded measured value, which stamps the time of the measured value acquisition.
  • a time stamp to the currently recorded measured value, which stamps the time of the measured value acquisition.
  • the time stamp is a date that is updated regularly by the computer and transmitted together with the synchronization signal.
  • the frame number contained in the start-of-frame token or, in an LR-WPAN, the sequence number contained in the beacon and constantly updated can be recorded and assigned as a time stamp.
  • synchronous length measuring probes can be connected to the computer wirelessly or wired, directly or via distribution means.
  • a USB network for example, up to 127 length measuring probes can be provided for the simultaneous detection of a workpiece surface.
  • a sufficient number of length measuring probes according to the invention can also be integrated into a radio network.
  • Very complex measurement tasks can thus be solved.
  • a maximum permissible number of distribution means and maximum cable length or with the longest possible radio link a synchronization accuracy of the measured value acquisition of less than 1.0 ⁇ s, preferably less than 0.5 ⁇ s, is achieved.
  • very compact mobile probe systems can also be implemented that do not require an external energy supply.
  • FIG. 1 shows a measuring system according to the invention with a length measuring probe and a computer in a partially cut open and partially highly schematic representation
  • FIG. 2 shows the length measuring probe according to the invention according to FIG. 1, in a schematic basic illustration in the form of a circuit diagram
  • FIG. 3 shows an application of the measuring system according to the invention using several length measuring probes in a wired network, in a schematic representation
  • FIG. 4 shows a time diagram which illustrates the synchronization of the measured value recording and the data exchange between the length measuring probe and the computer according to FIGS. 1 to 4;
  • FIG. 5 shows a highly schematic embodiment of a measuring system according to the invention which uses a radio network
  • FIG. 6 shows a time diagram which illustrates the synchronization of the measured value recording in the probe system according to FIG. 5.
  • FIG. 1 illustrates a linear displacement measuring system 1, which includes a length measuring probe 2, with which the surface 3 of a workpiece can be mechanically scanned, and a computer 4.
  • the computer 4 shown here only in a highly schematic manner can be in the form of a conventional PC, a Macintosh computer or another, in particular portable cash computer or small or microcomputer.
  • the computer 4 preferably has a processor means 5 with an operating system program which makes it possible to load and run various user programs.
  • These programs include a firmware program 7, which is usually stored in a memory 8 assigned to the processor, for example a hard disk, and can be loaded into its working memory by the processor in order to further process the measurement values obtained from the probe 2 and visualize it on a screen, for example.
  • the screen and other components of the computer that are not relevant here are omitted in FIG. 1 for the sake of simplicity.
  • the computer has an interface 9, which makes it possible to connect the length measuring probe 2 to the computer 4 in order to be able to establish a communication connection.
  • a controller 11 is provided on the computer side to control this communication.
  • the computer 4 can contain a number of interface connections which the controller 11 operates.
  • the length measuring probe 2 has a probe unit 12, a connection cable 13 and a connection unit 14 which is arranged at the outer end of the connection cable 13 and is used for connection to the computer 4.
  • an inductive button unit 12 is provided with an elongate, tubular housing 16, which has a preferably cylindrical outer surface suitable for clamping.
  • a pin-shaped sensing element 17 Arranged in the cylindrical interior of the housing 16 is a pin-shaped sensing element 17, which is displaceably mounted in its longitudinal direction, the guide direction 18, by a guide device 18, in particular a precise ball guide.
  • An inductive measuring device 21 is provided to detect the displacement of the probe element 17.
  • the probe element 17 carries at its front end a measuring insert 22 which projects outwards from the probe housing 16.
  • a suitably designed, for example spherical probe body is gripped on the measuring insert 22, with which the workpiece surface 3 is scanned.
  • a bellows 23 clamped between the housing and the measuring insert seals the front end of the push button unit 12 from the outside.
  • the rear end of the probe element 17 is rigidly connected to a core 26 of the inductive measuring device 21, which can be displaced together with the probe element 17.
  • the core 26 is rod-shaped and made of a ferromagnetic material. It plunges into a coil arrangement with a primary coil 27 and two secondary coils 29a, 28b, which are arranged coaxially to the core 26 and the probe element 17.
  • the primary coil 27 generates a magnetic field which, depending on the position of the core 26, induces different voltages in the secondary coils 28a, 28b which are characteristic of the deflection of the probe element 2.
  • the coils 27, 28a and 28b are connected via lines of the cable 13 to a control device 29, which supplies analog control signals for the measuring device 21 during operation, and a processing device 30, which digitizes, evaluates and evaluates the voltages or measuring signals generated by the push-button unit 12 Communication device 32 passes.
  • the communication device 32 provided for controlling the communication with the computer 4 forms, together with the devices 29 and 30, the connection or electronics unit 14. This is housed in the interior of a housing 33, from which only a connection means 34 protrudes that matches the interface connection 9 of the computer 4 is trained.
  • the electronics unit 14 is illustrated in detail in FIG. 2 in the form of a simplified block diagram. It has a microprocessor 36, for example a digital signal processor, as well as a converter unit 37 and a clock generator 38 which specifies the system clock for the electronics 14.
  • the transducer unit 37 is connected via a data link 39 to the microprocessor 36 and includes a digital / analog (D / A) andler 41 which converts into an analog drive signal generated by the microprocessor 43, a digital control signal 42, and a Analog / digital (A / D) converter 44, which converts an analog measurement signal 46 generated and filtered by the network device 21 into a digital measurement signal 47.
  • D / A digital / analog
  • a / D Analog / digital
  • the analog drive signal 43 is filtered by a bandpass filter 48 and suitably amplified by means of an amplifier 49 in order to be fed to the primary coil 27 via the connecting cable 13.
  • the measurement signal 52 tapped at the secondary coil 28 or the secondary coils 28a, 28b passes through an amplifier 53 and a low-pass filter 54 before it is fed to the A / D converter 44.
  • the microprocessor 36 forms the central control unit of the electronics 14 and the length probe 2. It has logic elements 45, to which a program code and hardware components of the microprocessor 36 belong and of which the most relevant functional units are shown schematically in FIG.
  • the microprocessor 36 has a detector logic 57 with a rectifier 58 and an integrator 59. The rectifier 58 is used to rectify the digital measurement signal 48 in the correct phase by ses linked with the digital control signal 42 in a suitable manner.
  • the rectifier 58 is essentially formed by a multiplier.
  • the integrator 59 is essentially formed by a summation logic which, for example, forms the arithmetic mean of the previously rectified signal in order to obtain a digital measured value 61 which characterizes the momentary deflection of the probe element 17.
  • the microprocessor 36 exchanges data with the communication device 32 via a data connection 62.
  • the electronics 14 preferably also contain storage means 63 which can be integrated in the microprocessor 36 or formed by external memories and which make it possible to store the measured values 61 and preferably also further data.
  • storage means 63 can be integrated in the microprocessor 36 or formed by external memories and which make it possible to store the measured values 61 and preferably also further data.
  • button-specific information such as characteristic curves, sensitivities and correction values, can be stored in order to automatically calibrate button 2 at the start of operation and to make the necessary corrections when generating the control signal and evaluating the measurement signal.
  • control device 29 formed by the control logic 56 and the downstream components 41, 48 and 49 continuously generates the required feed signal 51 for the primary coil 27 of the inductive measuring device 21. Its secondary coils 28 continuously supply an amplitude-modulated analog signal 52, the amplitude of which The width of the deflection of the sensing element 17 and its sign indicate the direction of the deflection.
  • the signal 52 is amplified, filtered and digitized by the components 53, 54 and 44 of the processing device 30 in order to obtain the corresponding measured values 61 solely by means of digital signal processing by the detector logic 57. If necessary, the measured values 61 are transmitted to the computer via the data connection 62 and the communication device 32. According to the invention, the communication device 32 is struck in the form of a.
  • USB connection has a supply voltage line with a DC voltage of + 5 V, which is made available by the computer and can thus be used via the communication device 32 and a power supply line 64 to supply power to the microprocessor 36 and the converter unit 37. No other external energy source is required.
  • the USB standard enables sequential communication of the USB controller with several connected USB devices. Several length measuring probes 2 can therefore be used simultaneously for corresponding applications, as is illustrated, for example, in FIG. 3.
  • FIG. 3 illustrates in a simplified manner a measurement application in which a test object 66 is accommodated in a holding device 67, which is only shown schematically here.
  • the essentially circular-cylindrical test object 66 has outer sections with a reduced diameter and a central section with an enlarged diameter.
  • the test object 66 is successively rotated about the axis 65 at a defined speed, while the length measuring probes 2a-2z scan the outer surface of the test object 66.
  • the length measuring probes 2a-2z are held by a holding device (not shown in more detail here) and connected to the USB ports 9a, 9b, 9c of the computer 4. closed. Since the computer 4 generally has only a few USB connections 9a, 9b, 9c, depending on the equipment, star distributors (so-called hubs) 68a, 68b with one output and several inputs 9 'are used here. According to the standard, up to 5 hubs can be coupled with each other, so that six levels can be formed in the star-shaped topology of the USB, which enable up to 127 length sensors to be connected.
  • the invention advantageously uses a special property of the USB protocol to ensure synchronization of the measurement value recording.
  • the available transmission capacity is divided into so-called frames 69 for devices with a low data rate or microframes for devices with a high data rate. As shown in FIG.
  • each frame 69 is initiated by the transmission of a special data packet, the so-called start-of-frame token 71 (SOF), which is transmitted to all connected devices.
  • SOF start-of-frame token
  • the specification of the USB protocol provides for the transmission of a SOF with a maximum error of ⁇ 500 ns every 1.0 ms.
  • Devices with a high data rate receive the packet every 125 ⁇ s + 62.5 ns.
  • the SOF signal 71 is typically used by peripheral devices to synchronize their internal clocks.
  • the measuring probes 2 according to the invention have a synchronization logic 70 which uses the SOF signal 71 for the synchronous recording of the measured values.
  • One stroke delays the SOF signal according to standard measured a maximum of 40 ns, a cable of maximum length by a maximum of 30 ns.
  • the start-of-frame token 71 also contains a frame number 72 which the synchronization logic 70 uses to assign a time stamp to the respective measured value 61.
  • frame number 72 is raised only after eight transmitted packets.
  • the frame number 72 is therefore always unique. In the inventive use of an operating range with the lower data rate, enables the 1000 measurements per second, 'off.
  • the communication device 32 receives an SOF signal, it generates an interrupt and transmits the received data packet to the processor 36, whose synchronization logic 70 instantaneously freezes the current measured value 61, for example by temporarily storing it in the memory means 63.
  • the microprocessor 36 also stores the associated frame number 72.
  • the USB controller can sequentially address the individual length measuring probes 2a to 2z individually in order to receive the respective measured values 61 together with the frame number 72 in a suitably packaged form. This is shown as an example in FIG. 4.
  • USB interface another comparable interface can also be used if this makes it possible to reliably exchange data between the probe 2 according to the invention and the computer 4.
  • the interface should also provide a synchronization signal, similar to the SOF signal, which is transmitted to all devices integrated in the network and can be used according to the invention.
  • An example of another suitable network is the radio network known as the Low-Rate Wireless Personal Area Network (LR-WPAN), which is based on the IEEE-802.15.4 standard and is intended for devices with low power consumption and low data rate.
  • LR-WPAN Low-Rate Wireless Personal Area Network
  • 4 shows a modified embodiment of a measuring system 1 according to the invention which is suitable for this purpose.
  • the electronics unit 14 is advantageously integrated into the housing of the length measuring probe 2, although a separate housing 33 as in the embodiment according to FIGS.
  • the length measuring probe 2 has a communication device 32, which is set up for communication with the computer 4 via high-frequency radio waves.
  • the length measuring probe 2 has an antenna 73 serving as a transmitting / receiving unit, while an antenna 74 also serving for transmitting and receiving is provided on the radio interface 9 of the computer 4.
  • the antennas or radio modules 73, 74 are only illustrated symbolically here. They are preferably integrated in the push button housing 16 or the computer 4.
  • a property of the physical layer of the LR-WPAN network is used for the synchronization of the measured value recording.
  • a device for example the computer 4, takes over the task of the network coordinator, who can define a superframe 76, as illustrated in FIG. 6, in order to divide the available transmission capacity.
  • This superframe 76 contains 16 time slots of defined duration, so-called slots 77, and is initiated by a special synchronization signal 79, the so-called network beacon, in the first slot of the superframe 76.
  • the length of a superframe can be determined by the network coordinator.
  • the first slot as a beacon extension also contains a sequence number 79, which is updated by the network coordinator and transmitted with each superframe 76.
  • the length measuring probes according to the invention receive the superframe beacon 78 with a time delay depending on their distance from the computer 4.
  • the maximum time offset results from the maximum distance to the computer (10 m) and the speed of the propagation of the radio waves (approx. 3 x 10 8 m / s) and is therefore less than 33 ns.
  • the repetition precision when transmitting the Beacon 78 depends solely on the network coordinator.
  • the synchronization logic 70 of the length measuring probe 2 uses the superframe beacon 78 to record the measured value 61 in a corresponding manner, as described in connection with the SOF signal 71 in the USB network.
  • the synchronization device 71 has the effect that the current measured value 61 is frozen and the sequence number 79 is added to it as a time stamp for the time assignment.
  • the data 78, 79 are stored in the Cache means 63 buffered.
  • the computer 4 can then directly address the respective measuring probes 2a-2z as a network coordinator and request them to transmit the data.
  • the LR-WPAN length probe can therefore be purely passive.
  • the LR-WPAN network also enables devices to actively transmit data to the network coordinator by themselves.
  • the individual length measuring probes 2a-2z can therefore transmit their measured values, time stamps and other data to the computer by themselves at defined times assigned to them during the remaining slots 2 to 16.
  • the electronics unit 14 can always be integrated in the push button unit 12 or be arranged at any point on the connecting cable 16.
  • the phase can also be influenced by the measuring device instead of the amplitude, or a capacitive measuring device can be used, in particular for energy-saving applications.
  • the control device 29 and processing device 30 operate largely digitally here, they could also be set up to generate or process analog signals, so that they would only have to be digitized for storing and for transmitting the measured values.
  • the embodiment illustrated in FIG. 2 is preferred because of the cost-effective implementation which enables flexible adaptation.
  • commercially available audio codecs can be used for the converter unit 37, which already contain an A / D converter and a D / A converter in a single module.
  • a length measuring probe 2 has a probe element 17 for mechanically scanning a workpiece surface 3 and an inductive measuring device 21 which is connected to the probe element 17 is connected and its deflection is converted into a corresponding analog measurement signal. Furthermore, the length measuring probe 2 has a communication device 32 for communication with a computer 4 and a control and processing device 29, 30 inserted between the measuring device 21 and the communication device 32.
  • the control device 29 is used to generate an analog control signal for the measuring device 21 by means of digital means 36 and analog / digital conversion.
  • the processing device 30 receives the analog measurement signal originating from the measurement device 21, digitizes it and determines a digital measurement value characterizing the respective deflection of the probe element solely by means of digital signal processing.
  • the length probe 2 can be set up together with the computer 4 to form a linear position measuring system 1 via a suitable network connection, for example via a USB interface or an LR-WPAN radio network.
  • a synchronizing device 70 is integrated in the length measuring probe 2, which, in the case of static and dynamic measurements with a plurality of length measuring probes 2, enables sequential readout of measured values of all length measuring probes 2 recorded approximately synchronously.

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Abstract

Ein Längenmesstaster weist ein Tastelement zur mechanischen Abtastung einer Werkstückoberfläche und eine induktiven Messeinrichtung auf, die mit dem Tastelement verbunden ist und dessen Auslenkung in ein entsprechendes analoges Messsignal umsetzt. Ferner weist der Längenmesstaster eine Kommunikationseinrichtung zur Kommunikation mit einem Computer und eine zwischen der Messeinrichtung und der Kommunikationseinrichtung eingefügte Ansteuerungs- und Verarbeitungseinrichtung auf. Die Ansteuerungseinrichtung dient dazu, ein analoges Ansteuerungssignal für die Messeinrichtung mittels digitaler Mittel und Analog/Digital-Wandlung zu erzeugen. Die Verarbeitungseinrichtung erhält das von der Messeinrichtung herrührende analoge Messsignal, digitalisiert dieses und bestimmt allein mittels digitaler Signalverarbeitung einen die jeweilige Auslenkung des Tastelementes kennzeichnenden digitalen Messwert. Der Längenmesstaster kann über eine geeignete Netzwerkverbindung, bspw. über eine USB-Schnittstelle oder ein LR-WPAN-Funknetzwerk, gemeinesam mit dem Computer zu einem linearen Wegmesssystem aufgebaut werden. In dem Längenmesstaster ist eine Synchronisiereinrichtung integriert, die bei statischen und dynamischen Messungen mit mehreren Längenmesstastern eine sequentielle Auslesung annähernd synchron aufgenommener Messwerte aller Längenmesstaster ermöglicht.

Description

COMPUTER KOMPATIBLER LÄNGENMESSTASTER
Die Erfindung betrifft einen Längenmesstaster und ein Messtastersystem, die insbesondere in Verbindung mit einem Computer einsetzbar sind.
Aus den Patentschriften DE 199 31 226 Bl, DE 199 37 204 Bl und DE 199 37 205 Bl und der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2004 017 992.1, die auf die Anmelderin der vorliegenden Anmeldung lauten, sind induktive Längenmesstaster mit einem in einem Gehäuse verschiebbar gelagerten Tastelement bekannt, mit dem die Oberfläche eines Werkstücks mechanisch abgetastet wird. Eine in dem Gehäuse angeordnete Messeinrichtung setzt die Auslenkung des Tastelementes in elektrische Signale um. Hierzu ist das Tastelement mit einem Kern aus einem ferromagnetischen Material starr verbunden, das in eine Spulenanordnung aus einer Primärspule und wenigstens einer Sekundärspule eintaucht. Die Primärspule wird -mit analogen Wechselspannungssignalen gespeist, wobei in der Sekundärspule kontinuierlich in Abhängigkeit von der aktuellen Position des Kerns amplitudenmodulierte Wechselspannungen induziert werden. Diese Wechselspannungen können anschließend demoduliert werden, um ein die Auslenkung des Tasterelementes kennzeichnendes Gleichspannungssignal zu erhalten.
Bei den bekannten Tastsystemen ist ein externes Messgerät vorgesehen, das sowohl einen Oszillator zur Speisung der Primärspule, alle erforderlichen Verstärker als auch eine Elektronik mit Gleichrichtern und Filtern erhält, die zur Auswertung der Messsignale erforderlich sind. Die erhaltenen Messsignale werden visualisiert oder abgespeichert, um zu einem späteren Zeitpunkt ausgewertet zu werden. Es sind a,uch solche als Tasterboxen bezeichneten externen Messgeräte bekannt, die eine geeignete Schnittstelle zum Anschluss an einen Computer enthalten, durch den die abgespeicherten Messwerte bedarfsweise ausgelesen werden können. Außerdem sind aus der Praxis spezielle Messrechner bekannt, die eine Hardware mit den erforderlichen Elektronikbauteilen enthalten.
Es wird als nachteilig empfunden, dass gesonderte Messgeräte oder speziell konfigurierte Rechner verwendet werden müssen, die viele Anwendungen der Längenmessung aufwendig und kostspielig machen. Mit dem Aufkommen kostengünstiger PCs und anderer, bspw. auch tragbarer Computer, kommt der Wunsch auf, die Längenmesstaster mit diesen Computern ohne Zwischenschaltung von Messgeräten und ohne zusätzliche Hardware einfach betreiben zu können.
Des Weiteren werden bei vielen Anwendungen mehrere Längenmesstaster gleichzeitig eingesetzt, um durch Verknüpfung einzelner Messwerte charakterisierende Merkmale eines Prüfobjektes oder Werkstückes zu erfassen. Zu diesen Merkmalen gehören die Dicke eines Prüfobjektes, Rechtwinkligkeit, Exzen- trizität etc. Insbesondere auch bei dynamischen Messungen, bei denen bspw. die Koaxialität, die Rundlauf- oder Planlaufabwei- chung und dgl. eines bewegten PrüfObjektes mit mehreren Messtastern gleichzeitig erfasst wird, müssen die Messwerte ailer Taster weitgehend synchron zueinander erfasst werden, um sie einem Messzeitpunkt zuordnen und geeignet verknüpfen und auswerten zu können. Auch wenn moderne PCs mit mehreren Anschlüssen ausgestattet sind, an die unterschiedliche Geräte angeschlossen werden können, ist ein synchroner Einsatz mehrerer Messtaster insofern nicht möglich, als die Kommunikation zwischen dem Computer und den Peripheriegeräten sequentiell erfolgt. Bei der standardmäßigen Universal Serial Bus- (USB-) Schnittstelle, die zum Anschluss einer Tastatur, Maus, eines Scanners und dgl. verwendet wird, erreicht ein Kommando des Computers, Daten zu übermitteln, jeweils nur ein ÜSB-Gerät. Es werden deshalb externe Messgeräte oder Tasterboxen mit mehreren Anschlüssen und einer Elektronik verwendet, die das An- steuersignal für alle Taster erzeugt und alle Messsignale der angeschlossenen Taster verarbeitet.
Davon ausgehend, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Nachteilen der vorangehend erwähnten Längenmesstaster und Tastsysteme abzuhelfen und einen Längenmesstaster zu schaffen, der in Verbindung mit einem herkömmlichen Computer, bspw. einem PC, betrieben werden kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Messtastersystem mit einem Computer und wenigstens einem kompatiblen Längenmesstaster anzugeben.
Eine noch weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Längenmesstaster und ein Messtastersystem zu schaffen, die eine durch einen Computer veranlasste synchrone Messwertaufnahme mit mehreren Messtastern ermöglichen. Zur Lösung der vorgenannten Aufgaben sind ein Längenmesstaster mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Messsystem nach Anspruch 21 geschaffen.
Der erfindungsgemäße Längenmesstaster weist also ein in einem Tastergehäuse bewegbar, bspw. längs einer Messachse längsverschiebbar gelagertes Tastelement, mit dem die Werkstückoberfläche mechanisch (berührend) abgetastet werden kann, sowie eine Messeinrichtung auf, die ebenfalls in dem Tastergehäuse angeordnet, mit dem Tastelement verbunden und dazu eingerichtet ist, die Auslenkung des Tastelementes in ein entsprechendes analoges Messsignal umzusetzen. Erfindungsgemäß weist der Längenmesstaster ferner eine mit der Messeinrichtung verbundene Ansteuerungs- und Verarbeitungseinrichtung sowie eine Kommunikationseinrichtung auf, die zur Kommunikation mit einem Computer eingerichtet ist. Die Ansteuerungseinrichtung dient dazu, die Messeinrichtung mit einem analogen Ansteue- rungssignal, insbesondere einem sinusförmigen Spannungssignal oder einem anderen geeigneten Speisesignal, wie bspw. einem Rechtecksignal, kontinuierlich zu speisen. Durch die Messeinrichtung wird die Amplitude, Phase und/oder Frequenz des Anregungssignals proportional zur Weite und in Abhängigkeit von der Richtung der Auslenkung des Tastelementes moduliert. Die Verarbeitungseinrichtung ist dazu eingerichtet, dieses amplituden-, phasen- oder frequenzmodulierte Messsignal entgegenzunehmen, zu verarbeiten, insbesondere zu demodulieren und zu digitalisieren, um einen digitalen Messwert zu erhalten, der die momentane Auslenkung des Tastelementes kennzeichnet. Dieser Messwert kann über die Kommunikationseinrichtung bedarfsweise zur weiterene Auswertung an den Computer übermittelt werden.
Durch Vorsehen einer Kommunikationseinrichtung, die mit einer Schnittstelle eines Computers kompatibel ist und durch Integration dieser sowie der Ansteuerungs- und Verarbeitungs- einrichtung in den Messtaster ist ein Längenmesstaster geschaffen, der sich auf einfache Weise an einem herkömmlichen Computer betreiben lässt. Zwischen dem Messtaster und dem Computer sind keine zusätzlichen Zwischenverstärker, externe Messgeräte oder Tasterboxen oder sonstige Adapter erforderlich. Durch die Digitalisierung steht am Ausgang ein Messsignal in der geeigneten wertdiskreten Form zur Verfügung, um über die Schnittstelle zu dem Computer übertragen zu werden.
Im Sinne der Anmeldung wird unter einem Computer allgemein ein Rechner unabhängig von dessen Systemarchitektur verstanden. Dies kann ein Personalcomputers (PCs) oder ein Macintosh Computer sein. Weiterhin gehören hierzu insbesondere auch portable Rechner, wie Laptops oder Notebooks, sowie auch Klein- und Kleinstrechner wie sie heutzutage als Minicomputer, Handhelds, Palmtops, PDAs oder auf sonstige Weise bezeichnet werden. Die tragbaren Computer, Klein- und Kleinstrechner ermöglichen vorteilhafterweise einen mobilen Betrieb des Längen- messtasters für Service, Montage, Inbetriebnahme und dgl. Die aus einem herkömmlichen Computer und einem erfindungsgemäßen Längenmesstaster aufgebauten Messsysteme sind kostengünstig und einfach zu handhaben.
Bevorzugterweise ist der Längenmesstaster ein induktiver Messtaster. Das Tastelement kann mit einem verschiebbaren Kern aus ferromagnetischen Material starr verbunden sein, der mit einer Spulenanordnung der Messeinrichtung induktiv zusammenwirkt, indem er je nach Verschiebung die Induktivitäten der Spulen der Messeinrichtung verändert. Die Messeinrichtung kann in Form einer Halbbrücke mit einer mit dem analogen Anregungssignal zu speisenden Primärspule und einer Sekundärspule, in Form einer Vollbrücke oder in Form eines Differenzialtrans- formators ausgebildet sein. Im letzteren Fall kann die Messeinrichtung eine Primärspule aufweisen, die zwischen zwei Sekundärspulen angeordnet ist, oder es kann auch eine umgekehrte Konfiguration verwendet werden. Der ferromagnetische Kern kann, muss aber nicht, in die Spulenanordnung eintauchen. Durch die induktive Kopplung zwischen der Primärspule und der wenigstens einen Sekundärspule über den Kern wird an der Sekundärspule ein amplitudenmoduliertes Messsignal induziert, dessen Amplitude die Auslenkung des Tastelementes kennzeichnet. Es kann auch die Phase oder Frequenz der Ansteuerungs- signale verschiebungsabhängig moduliert werden.
Ferner kann auch eine kapazitive Messeinrichtung verwendet werden, bei der die kapazitive Kopplung zwischen wenigstens einer Sendeelektrode und wenigstens einer Empfangselektrode bei Verschiebung des Tastelementes verändert wird und ausgewertet werden kann. Aus dem Stand der Technik sind sowohl Messeinrichtungen mit relativ zueinander verschiebbaren Sende- und Empfangselektroden als auch solche Messeinrichtungen bekannt, bei denen diese Elektroden stillstehen, während eine Maßverkörperung in Form eine Reihe von Gegenelektroden gemeinsam mit dem Tastelement verschoben wird. Je nach Grad der Überdeckung werden die den Sendeelektroden zugeführten Ansteu- ersignale durch die Gegenelektroden unterschiedlich beein- flusst oder kodiert. Vorteilhafte Ausführungsformen stromsparender kapazitiver Messeinrichtungen sowie Ansteuer- und Auswerteschaltungen hierfür, die in Verbindung mit der Erfindung verwendbar sind, sind in der DE 100 351 92 Cl oder in der EP 0 785 415 Bl beschrieben, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird.
Die Ansteuerungs- und Verarbeitungseinrichtung und wenigstens der die Kommunikation steuernde Teil der Kommunikationseinrichtung können in dem Tastergehäuse untergebracht sein, um eine integrierte Lösung zu erhalten. Aus dem Tastergehäuse führt dann lediglich ein Leitungskabel hinaus, an dessen Ende ein passendes Anschlussmittel zum Anschluss an den Computer vorgesehen ist. Statt dessen kann an dem Messtaster auch eine Sende-/Empfangseinheit vorgesehen sein, die mit einer entsprechenden Sende-/Empfangseinheit des Computers über Funkwellen Daten austauscht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Ansteuerungs- und Verarbeitungseinrichtung sowie die Kommunikationseinrichtung in Form einer Elektronikeinheit in einem von dem Tastergehäuse gesonderten kleinen Gehäuse untergebracht und über ein Anschluss- oder Leitungskabel mit der Messeinrichtung verbunden. Bereits bestehende Messtaster können aufwandsarm nachgerüstet werden, indem lediglich das Leitungskabel gegen ein erfindungsgemäßes Leitungskabel mit der Elektronikeinheit ausgetauscht wird. Wenn die Elektronikeinheit an dem von dem Längenmesstaster entfernten Ende des Leitungskabels angeordnet ist, kann deren Gehäuse auch das passende Anschlussmittel zum Anschluss an den Computer tragen. Die genannten Einrichtungen können aber längs des Leitungskabels beliebig verteilt oder angeordnet werden. Ein Teil von ihnen könnte ferner auch in dem Computer untergebracht sein.
Es können Leitungskabel mit je nach Anwendung unterschiedlicher Länge vorgesehen sein. Es ist auch möglich, eine Steckverbindung zwischen dem Leitungskabel und der Messeinrichtung vorzusehen, um einen flexiblen Austausch des Leitungskabels zu ermöglichen.
Wenn die Kommunikationseinrichtung zur drahtgebundenen Kommunikation mit dem Computer eingerichtet ist, ist das Anschlussmittel bspw. ein Stecker, der passend und der Form nach komplementär zu einem Schnittstellenanschluss, bspw. der Buchse, des Computers ausgebildet ist.
Die Schnittstelle zwischen dem Längenmesstaster und dem Computer ist prinzipiell beliebig wählbar. Sie kann eine parallele oder eine serielle Schnittstelle sein, wenn sie es er- möglicht, mit dem Computer die erhaltenen digitalen Messwerte des Messtasters auszulesen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform bildet die Schnittstelle auch eine Energiequelle zur Versorgung des Längenmesstasters . Sie weist eine Leitung auf, über die eine von dem Computer bereitgestellte Gleichspannung oder ein Gleichstrom über die Kommunikationseinrichtung der Elektronikeinheit zugeführt werden kann, um diese zu betreiben. Es ist dann keine externe Energiequelle oder interne Batterie für den Längenmesstaster erforderlich. Dies ist insbesondere für mobile Längenmesstastereinheiten vorteilhaft.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist als Schnittstelle zwischen dem Längenmesstaster und dem Computer die von der Industrie standardisierte Universal Serial Bus- (USB-) Schnittstelle vorgesehen. Die Kommunikationseinrichtung weist also einen aus dem Gehäuse nach außen geführten USB-Stecker, der in eine USB-Buchse des Computers einsteckbar ist, sowie eine USB-Schnittstelle mit den erforderlichen Steuerungsmitteln auf, die den Datenaustausch mit dem Computer entsprechend dem USB-Protokoll überwachen und steuern. Vorteilhafterweise stellt die USB-Schnittstelle eine hohe Datenrate von 1,5 Megabit pro Sekunde, 12 Megabit pro Sekunde oder sogar 480 Megabit pro Sekunde, um eine ausreichende Übertragungsgeschwindigkeit sicherzustellen, selbst wenn weitere USB-Geräte an den USB-Anschlüssen des Computers angeschlossen sind. Die USB-Schnittstelle besitzt eine Leitungsader, die eine Gleichspannung von +5 V zur Verfügung stellt. Ein Vorteil bei der Verwendung der USB-Schnittstelle liegt auch darin, dass der Längenmesstaster bei laufendem Computer angeschlossen und entfernt werden kann, ohne dass dies zu einem Absturz des Computers, zu Datenverlusten oder gar Hardwareschäden führt. Der Anschluss des USB-Längenmesstasters wird von dem Betriebssystem des Computers bemerkt, der die entsprechenden Treiber für die Datenübergabe automatisch aktiviert. Der Längenmesstaster kann zugleich benutzt werden. Statt der USB-Schnittstelle kann auch eine andere vergleichbare Schnittstelle verwendet werden.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Kommunikationseinrichtung zur drahtlosen Kommunikation mit dem Computer eingerichtet. Sie weist vorzugsweise ein HF-Funkmodul, also eine Sende~/Empfangseinheit auf, die über hochfrequente Funkwellen mit einer entsprechenden Sende-/ Empfangseinheit des Computers Daten austauschen kann. Erfindungsgemäß wird bevorzugterweise ein Funknetzwerk für Geräte mit geringer Leistungsaufnahme und geringer Datenrate verwendet, wie es unter dem Namen Low Rate Wireless Personal Area Network (LR-WPAN) bekannt ist. Dieses Funknetzwerk basiert auf dem IEEE-Standard 802.15.4 und stellt die ausreichende Funkreichweite von gewöhnlich bis zu 10 m sowie die Möglichkeit zur Verfügung, mehrere Geräte, also auch Längenmesstaster einzubinden. Der erfindungsgemäße Längenmesstaster ist dazu eingerichtet, die gewonnenen Daten auf ein Kommando des Computers hin passiv oder auch zu definierten Zeitpunkten aktiv zu übermitteln. Eine Anpassung des Längenmesstasters zur Verwendung in einem LR-WPAN ist problemlos möglich. In dem Taster ist eine geeignete Energiequelle, insbesondere für mobilen Betrieb eine Batterie oder ein Akkumulator, zu integrieren.
Prinzipiell ist es möglich, die Ansteuerungs- und Verarbeitungseinrichtung in Form analoger Schaltungen auszuführen. Das erhaltene Messsignal muss dann lediglich digitalisiert werden, um der Kommunkationseinrichtung in der passenden digitalen Form zur Verfügung gestellt zu werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform arbeiten die Ansteuerungseinrich- tung und die Verarbeitungseinrichtung aber weitgehend digital. Hierzu wird vorteilhafterweise ein Mikroprozessor oder Mikro- controller mit einem darauf ablaufenden Programm verwendet. Der Mikroprozessor enthält eine Generatoreinheit oder -logik, die das bspw. sinusförmige Anregungssignal geeigneter Frequenz erzeugt. Dieses wird dann durch einen Digital-/Analog-Wandler in ein analoges Signal gewandelt und der Primärspule der Messeinrichtung zugeführt. Die erforderliche Oszillatorspannung kann aber auch durch Pulsweitenmodulation erzeugt werden. Der Digital-/Analog-Wandler bildet vorzugsweise gemeinsam mit einem Analog-/Digital-Wandler, der das von der Messeinrichtung herrührende analoge Messsignal in ein digitales Zwischensignal wandelt, eine Wandlereinheit, die zwischen dem Mikroprozessor und der Messeinrichtung eingefügt ist. Die Verarbeitungseinrichtung enthält eine Detektoreinheit oder -logik, die digitale Filter in Form von Multiplizier- und Summierelementen realisiert, um das digitale Zwischensignal durch Verknüpfung mit dem digitalen Anregungssignal zur Ermittlung der digitalen Messwerte zu demodulieren.
Vorzugsweise sind dem Mikroprozessor auch Speichermittel, bspw. flüchtige und wiederbeschreibbare RAM-Speicher, zugeordnet, um die Messwerte Zwischenspeichern zu können. Es können auch weitere Informationen, z.B. tasterspezifische Informationen, wie Tastertyp, Tasterkennlinie oder Empfindlichkeits- und Korrekturkurven (Offsets) abgespeichert werden, die im Einsatz von dem Mikroprozessor zur Messwertkorrektur verwendet werden können. Infolge der digitalen Verarbeitung kann eine Justierung oder Kalibrierung des Messtasters vollautomatisch erfolgen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Messtastersystem geschaffen, das einen Computer und wenigstens einen voranstehend beschriebenen Längenmesstaster aufweist. Der Computer weist ein ablauffähiges Programm zur Messwerterfassung und -Verarbeitung auf, insbesondere ein Firmware-Programm, das es ermöglicht, mit dem Messtaster er- fasste Messwerte auszulesen, bedarfsweise weiter zu verarbeiten und zu visualisieren. Die verwendete Kommunikationsschnittstelle ist vorzugsweise eine USB-Schnittstelle oder eine LR-WPAN-Schnittstelle, wie sie weiter oben erläutert sind, oder eine vergleichbare Schnittstelle. Für den Einsatz mehrerer Taster sollte das Schnittstellenprotokoll vorsehen, dass von dem Computer an alle angeschlossenen Geräte des Netzwerks periodisch ein Syn- chronisationssignal ausgesandt wird, das dazu dient, interne Taktgeber der Geräte zu synchronisieren, jedoch keinen Datenaustausch selbst auszulösen. Bspw. sieht die Spezifikation des USB-Protokolls alle 1,0 ms die Übertragung eines speziellen Datenpakets, des sog. Start-of-Frame (SOF) Tokens, mit einem maximalen zeitlichen Fehler von ± 500 ns vor. Der SOF-Token leitet einen sog. Frame ein, der die verfügbare Übertragungskapazität festlegt. In einem LR-WPAN kann ein festgelegter Netzwerkkoordinator, z.B. der Computer, zur Aufteilung der verfügbaren Übertragungskapazität einen sogenannten Superframe definieren, der 16 Zeitschlitze oder sog. Slots enthält und durch ein spezielles Signal, den sogenannten Beacon im ersten Slot des Superframes eingeleitet wird.
Die erfindungsgemäßen Längenmesstaster weisen eine spezielle Logik oder Logikelemente auf, die ein spezielles Synchronisationssignal, wie bspw. den SOF oder Beacon, erfassen und daraufhin eine Zwischenspeicherung des aktuellen digitalen Messwertes veranlassen. Dadurch ist eine weitgehend synchrone Erfassung der Messwerte mit allen Messtastern möglich. Die Logikelemente enthalten ferner eine Logik, die eine Anforderung des Computers, den aktuellen Messwert oder Messwerte zu übermitteln, erkennt und dies über die Kommunikationseinrichtung veranlasst.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Logikelemente ferner dazu eingerichtet, dem aktuellen erfass- ten Messwert einen Zeitstempel zuzuordnen, der den Zeitpunkt der Messwerterfassung kennzeichnet. Infolgedessen brauchen die Messwerte nicht in dem Zeitraum zwischen zwei aufeinander folgenden Synchronisationssignalen von dem Computer ausgelesen zu werden, sondern können zusammen mit den jeweiligen Zeitstempeln in der Speichereinrichtung gesammelt und später gemeinsam übermittelt werden. Es ist stets eine zeitliche Zuordnung der Messwerte möglich.
In bevorzugten erfindungsgemäßen Messtastersystemen ist der Zeitstempel ein Datum, das von dem Computer regelmäßig aktualisiert und zusammen mit dem Synchronisationssignal übermittelt wird. Als Zeitstempel kann bspw. die in dem Start-of- Frame-Token enthaltene Frame-Nummer oder in einem LR-WPAN die in dem Beacon enthaltene und ständig aktualisierte Sequenznummer erfasst und zugeordnet werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Konzept können mehrere synchron arbeitende Längenmesstaster drahtlos oder drahtgebunden, unmittelbar oder über Verteilermittel an den Computer angeschlossen werden. Bei einem USB-Netzwerk können bspw. bis zu 127 Längenmesstaster zur gleichzeitigen Erfassung einer Werkstückoberfläche vorgesehen sein. Auch in ein Funknetzwerk kann eine ausreichende Anzahl erfindungsgemäßer Längemesstaster eingebunden werden. Es können somit sehr komplexe Messaufgaben gelöst werden. Bei einer maximal zulässigen Anzahl von Verteilermitteln und maximaler Kabellänge bzw. bei einer längstmöglichen Funkstrecke wird eine Synchronisationsgenauigkeit der Messwerterfassung von weniger als 1,0 μs, vorzugsweise weniger als 0,5 μs erreicht. Vorteilhafterweise lassen sich erfindungsgemäß auch sehr kompakte mobile Messtastersysteme realisieren, die auch ohne externe Energieversorgung auskommen.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus Unteransprüchen, der Zeichnung sowie der zugehörigen Beschreibung. In der Zeichnung ist eine Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Messsystem mit einem Längenmesstaster und einem Computer in einer teilweise aufgeschnittenen und zum Teil stark schematisierten Darstellung;
Fig. 2 den erfindungsgemäßen Längenmesstaster nach Figur 1, in einer schematisierten Prinzipdarstellung in Form eines Schaltbilds;
Fig. 3 eine Anwendung des erfindungsgemäßen Messsystems unter Verwendung mehrerer Längenmesstaster in einem drahtgebundenen Netzwerk, in einer schematisierten Darstellung;
Fig. 4 ein zeitliches Diagramm, das die Synchronisierung der Messwertaufnahme und den Datenaustausch zwischen dem Längenmesstaster und dem Computer nach Fig. 1 bis 4 veranschaulicht;
Fig. 5 eine abgewandelte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messsystems, das ein Funknetzwerk verwendet, stark schematisiert; und
Fig. 6 ein zeitliches Diagramm, das die Synchronisierung der Messwertaufnahme bei dem Messtastersystem nach Fig. 5 veranschaulicht .
Figur 1 veranschaulicht ein lineares Wegmesssystem 1, zu dem ein Längenmesstaster 2, mit dem die Oberfläche 3 eines Werkstücks mechanisch abgetastet werden kann, sowie ein Computer 4 gehören. Der hier lediglich stark schematisiert dargestellte Computer 4 kann in Form eines herkömmlichen PCs, eines Macintosh Computers oder eines sonstigen, insbesondere trag- baren Computers oder Klein- bzw. Kleinstrechners ausgebildet sein. Der Computer 4 weist vorzugsweise ein Prozessormittel 5 mit einem Betriebssystemprogramm auf, das es ermöglicht, diverse Anwenderprogramme zu laden und ablaufen zu lassen. Zu diesen Programmen gehört hier ein Firmware-Programm 7, das gewöhnlich in einem dem Prozessor zugeordneten Speicher 8, bspw. einer Festplatte, abgelegt ist und von dem Prozessor in seinen Arbeitsspeicher geladen werden kann, um die von dem Messtaster 2 gewonnenen Messwerte weiter zu verarbeiten und bspw. auf einem Bildschirm zu visualisieren. Der Bildschirm sowie weitere, hier wenig relevante Komponenten des Computers sind in Figur 1 der Einfachheit wegen weggelassen.
Wie zu erkennen, weist der Computer eine Schnittstelle 9 auf, die es ermöglicht, den Längenmesstaster 2 an den Computer 4 anzuschließen, um eine Kommunikationsverbindung herstellen zu können. Zur Steuerung dieser Kommunikation ist computersei- tig ein Controller 11 vorgesehen. Wie durch den gestrichelt eingezeichneten Block 9b angedeutet, kann der Computer 4 mehrere Schnittstellenanschlüsse enthalten, die der Controller 11 bedien .
Der Längenmesstaster 2 weist eine Tastereinheit 12, ein Anschlusskabel 13, sowie eine an dem äußeren Ende des Anschlusskabels 13 angeordnete Anschlusseinheit 14, die zum Anschluss an den Computer 4 dient. Im vorliegenden Fall ist eine induktive Tastereinheit 12 mit einem länglichen, rohrförmigen Gehäuse 16 vorgesehen, die eine zum Einspannen geeignete, vorzugsweise zylindrische Außenfläche aufweist. In dem zylindrischem Innenraum des Gehäuses 16 ist ein stiftförmiges Tastelement 17 angeordnet, das durch eine Führungseinrichtung 18, insbesondere eine präzise Kugelführung, in seiner Längsrichtung, der Führungsrichtung 18, verschiebbar gelagert ist. Eine induktive Messeinrichtung 21 ist dazu vorgesehen, die Verschiebung des Tastelementes 17 zu erfassen. Das Tastelement 17 trägt an seinem vorderen Ende einen Messeinsatz 22, der aus dem Tastergehäuse 16 nach außen ragt. An dem Messeinsatz 22 ist ein geeignet gestalteter, bspw. kugelförmiger Tastkörper gefasst, mit dem die Werkstückoberfläche 3 abgetastet wird. Ein zwischen dem Gehäuse und dem Messeinsatz eingespannter Faltenbalg 23 dichtet das vordere Ende der Tastereinheit 12 nach außen ab. An dem in den Innenraum des Tastergehäuses 16 ragenden hinteren Ende des Tastelementes 17 stützt sich eine konische Druckfeder 21 ab, die das Tastelement in Richtung auf die Werkstückoberfläche 3 vorgespannt.
Ferner ist das hintere Ende des Tastelementes 17 mit einem Kern 26 der induktiven Messeinrichtung 21 starr verbunden, der mit dem Tastelement 17 gemeinsam verschiebbar ist. Der Kern 26 ist stabförmig und aus einem ferromagnetischen Material ausgebildet. Er taucht in eine Spulenanordnung mit einer Primärspule 27 und zwei Sekundärspulen 29a, 28b ein, die koaxial zu dem Kern 26 und dem Tastelement 17 angeordnet sind. Die Primärspule 27 erzeugt im Betrieb ein magnetisches Feld, das in Abhängigkeit von der Position des Kerns 26 unterschiedliche Spannungen in den Sekundärspulen 28a, 28b induziert, die für die Auslenkung des Tastelementes 2 kennzeichnend sind.
Die Spulen 27, 28a und 28b sind über Leitungen des Kabels 13 mit einer Ansteuerungseinrichtung 29, die im Betrieb analoge Ansteuerungssignale für die Messeinrichtung 21 liefert, und einer Verarbeitungseinrichtung 30 verbunden, die die durch die Tastereinheit 12 erzeugten Spannungen oder Messsignale digitalisiert, auswertet und einer Kommunikationseinrichtung 32 übergibt. Die zur Steuerung der Kommunikation mit dem Computer 4 vorgesehene Kommunikationseinrichtung 32 bildet gemeinsam mit den Einrichtungen 29 und 30 die Anschluss- oder Elektronikeinheit 14. Diese ist in dem Innenraum eines Gehäuses 33 untergebracht, aus dem lediglich ein Anschlussmittel 34 ragt, das passend zu dem Schnittstellenanschluss 9 des Computers 4 ausgebildet ist.
Die Elektronikeinheit 14 ist im Einzelnen in Figur 2 in Form eines vereinfachten Blockdiagramms veranschaulicht. Sie weist einen Mikroprozessor 36, bspw. einen digitalen Signalprozessor, sowie ferner eine Wandlereinheit 37 und einen Taktgeber 38 auf, der den Systemtakt für die Elektronik 14 vorgibt.' Die Wandlereinheit 37 ist über eine Datenverbindung 39 mit dem Mikroprozessor 36 verbunden und weist einen Digital/ Analog- (D/A-) andler 41, der ein von dem Mikroprozessor erzeugtes digitales Ansteuersignal 42 in ein analoges Ansteuer- signal 43 wandelt, sowie einen Analog/Digital- (A/D-) Wandler 44, der ein von der Netzeinrichtung 21 erzeugtes und gefiltertes analoges Messsignal 46 in ein digitales Messsignal 47 umsetzt. Das analoge Ansteuersignal 43 wird durch ein Bandpassfilter 48 gefiltert und mittels eines Verstärkers 49 geeignet verstärkt, um über das Anschlusskabels 13 der Primärspule 27 zugeführt zu werden. Das an der Sekundärspule 28 oder den Se- kundärspulen 28a, 28b abgegriffene Messsignal 52 durchläuft einen Verstärker 53 und ein Tiefpassfilter 54, bevor es dem A/D-Wandler 44 zugeführt wird.
Der Mikroprozessor 36 bildet die zentrale Steuerungseinheit der Elektronik 14 und des Längenmesstasters 2. Er weist Logikelemente 45 auf, zu denen ein Programmcode sowie Hardwarekomponenten des Mikroprozessors 36 gehören und von denen die relevantesten Funktionseinheiten in Figur 2 schematisch dargestellt sind. Hierzu gehört eine Ansteuerungslogik 56, die das digitale Ansteuerungssignal 42, bspw. ein digitalisiertes Sinussignal passender Frequenz, erzeugt und bspw. in Form eines Zählers oder einer in einem Speicher hinterlegten Tabelle verwirklicht werden kann. Ferner weist der Mikroprozessor 36 eine Detektorlogik 57 mit einem Gleichrichter 58 und einem Integrator 59 auf. Der Gleichrichter 58 dient dazu, das digitale Messsignal 48 phaserichtig gleichzurichten, indem er die- ses mit dem digitalen Ansteuersignal 42 in geeigneter Weise verknüpft. In einfachster Ausführung ist der Gleichrichter 58 im Wesentlichen durch einen Multiplizierer gebildet. Der Integrator 59 ist im Wesentlichen durch eine Summierlogik gebildet, die bspw. den arithmetischen Mittelwert des zuvor gleichgerichteten Signals bildet, um einen digitalen Messwert 61 zu erhalten, der die momentane Auslenkung des Tastelementes 17 kennzeichnet. Über eine Datenverbindung 62 tauscht der Mikroprozessor 36 mit der Kommunkationseinrichtung 32 Daten aus.
Die Elektronik 14 enthält vorzugsweise ferner Speichermittel 63, die in dem Mikroprozessor 36 integriert oder durch externe Speicher gebildet sein können und die es ermöglichen, die Messwerte 61 und vorzugsweise auch weitere Daten mit abzuspeichern. Beispielsweise können tasterspezifische Angaben, wie Kennlinien, Empfindlichkeiten und Korrekturwerte, abgespeichert werden, um bei Beginn des Betriebs automatisch eine Kalibrierung des Tasters 2 durchzuführen und die erforderlichen Korrekturen bei der Erzeugung des Ansteuersignais und der Auswertung des Messsignals vorzunehmen.
Im Betrieb erzeugt die durch die Ansteuerungslogik 56 und die nachgeschalteten Komponenten 41, 48 und 49 gebildete An- steuerungseinrichtung 29 kontinuierlich das erforderliche Speisesignal 51 für die Primärspule 27 der induktiven Messeinrichtung 21. Deren Sekundärspulen 28 liefern ständig ein amplitudenmoduliertes analoges Signal 52, dessen Amplitude die Weite der Auslenkung des Tastelementes 17 und dessen Vorzeichen die Richtung der Auslenkung kennzeichnen. Das Signal 52 wird durch die Komponenten 53, 54 und 44 der Verarbeitungseinrichtung 30 verstärkt, gefiltert und digitalisiert, um allein mittels digitaler Signalverarbeitung durch die Detektorlogik 57 die entsprechenden Messwerte 61 zu erhalten. Die Messwerte' 61 werden bedarfsweise über die Datenverbindung 62 und die Kommunikationseinrichtung 32 an den Computer übermittelt. Erfindungsgemäß wirc - .< geschlagen, die Kommunkationsein- richtung 32 in Form einer >. A-Schnittstelle auszubilden. Als Anschlussmittel 33 dient dann ein herkömmlicher USB-Stecker, der in eine USB-Buchse der USB-Schnittstelle 9 eines einen USB-Controller 11 enthaltenden Computers 4 passt. Die Verwendung der normierten USB-Schnittstelle, wie sie heute an einem Computer zum Anschluss von Peripheriegeräten, wie Tastatur, Maus, Scanner und dergleichen weitgehend verbreitet ist, bietet hier zahlreiche Vorteile: Der USB-Anschluss weist eine Versorgungs-Spannungsleitung mit einer Gleichspannung von +5 V auf, die von dem Computer zur Verfügung gestellt wird und somit über die Kommunikationseinrichtung 32 und eine Energieversorgungsleitung 64 zur Energieversorgung des Mikroprozessors 36 und der Wandlereinheit 37 verwendet werden kann. Eine weitere, externe Energiequelle ist nicht erforderlich. Ferner ermöglicht die USB-Norm eine sequentielle Kommunkation des USB-Controllers mit mehreren angeschlossenen USB-Geräten. Es können also für entsprechende Anwendungen mehrere Längenmesstaster 2 gleichzeitig eingesetzt werden, wie dies bspw. in Figur 3 veranschaulicht ist.
Figur 3 veranschaulicht auf vereinfachte Weise eine Messanwendung, bei der ein Prüfobjekt 66 in einer hier lediglich schematisiert dargestellten Aufnahmevorrichtung 67 aufgenommen ist. Das im Wesentlichen kreiszylindrische Prüfobjekt 66 weist äußere Abschnitte mit vermindertem Durchmesser sowie einen mittleren Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser auf. Mit mehreren Langenmesstastern 2a, 2b, .... 2z, die längs der Längsachse 65 des PrüfObjektes 66 angeordnet sind, wird dessen Oberfläche erfasst. Dabei wird das Prüfobjekt 66 mit definierter Geschwindigkeit sukzessive um die Achse 65 gedreht, während die Längenmesstaster 2a-2z die Mantelfläche des PrüfObjektes 66 abtasten. Die Längenmesstaster 2a-2z sind durch eine hier nicht näher veranschaulichte Haltevorrichtung gehalten und an die USB-Anschlüsse 9a, 9b, 9c des Computers 4 an- geschlossen. Da der Computer 4 je nach Ausstattung im Allgemeinen nur wenige USB-Anschlüsse 9a, 9b, 9c aufweist, werden hier Sternverteiler (sog. Hubs) 68a, 68b mit einem Ausgang und mehreren Eingängen 9' verwendet. Es können normgemäß bis zu 5 Hubs miteinander gekoppelt werden, so dass in der sternförmigen Topologie des USB sechs Ebenen gebildet werden können, die einen Anschluss von bis zu 127 Langenmesstastern ermöglichen.
Bei der veranschaulichten Anwendung und insbesondere bei komplexen Messanwendungen, bei denen Merkmale, wie Rundlauf- oder Planlaufabweichung, Koaxialität, Zentrizität, Konizität oder dgl. bestimmt werden, ist es erforderlich, die Messwerte möglichst synchron zu erfassen und sie einem Messzeitpunkt zuordnen zu können, um sie in dem Computer geeignet verknüpfen zu können. Wegen der sequentiellen Kommunikation des USB erreicht aber ein Kommando des Computers zur Aufnahme und Übermittlung eines Wertes jeweils nur einen Längemesstaster 2. Die Erfindung nutzt auf vorteilhafte Weise eine spezielle Eigenschaft des USB-Protokolls, um eine Synchronisation der Messwertaufnahme sicherzustellen. Die verfügbare Übertragungskapazität ist gemäß dem USB-Protokoll in sogenannten Frames 69 bei Geräten mit niedriger Datenrate bzw. Microframes bei Geräten mit hoher Datenrate aufgeteilt. Jeder Frame 69 wird, wie Figur 4 zeigt, durch die Übertragung eines speziellen Datenpakets, des sog. Start-of-Frame Tokens 71 (SOF) , eingeleitet, das an alle angeschlossenen Geräte übermittelt wird. Die Spezifikation des USB-Protokolls sieht alle 1,0 ms die Übertragung eines SOFs mit einem maximalen Fehler von ± 500 ns vor. Geräte mit hoher Datenrate erhalten das Paket alle 125 μs + 62,5 ns .
Das SOF-Signal 71 wird von Peripheriegeräten normalerweise dazu benutzt, ihre inneren Uhren zu synchronisieren. Die erfindungsgemäßen Messtaster 2 weisen aber eine Synchronisierlogik 70 auf, die das SOF-Signal 71 zur synchronen Aufnahme der Messwerte nutzt. Ein Hub verzögert das SOF-Signal normge- maß um maximal 40 ns, ein Kabel maximaler Länge höchstens um 30 ns. Ein von dem USB-Controller ausgesandtes SOF-Signal 71 erreicht also alle Längenmesstaster 2 nahezu ohne Zeitverzögerung, schlechtestenfalls nach 5x40 ns + 6x30 ns = 380 ns . Dadurch kann sichergestellt werden, dass alle einem Zeitpunkt zugeordneten Messwerte mit einem geringerem Zeitversatz als 0,5 Mikrosekunden aufgenommen werden. Der absolute Fehler liegt unterhalb einer Mikrosekunde.
In dem Start-of-Frame Token 71 ist ferner eine Frame-Nummer 72 enthalten, die die Synchronisierlogik 70 verwendet, um dem jeweiligem Messwert 61 einen Zeitstempel zuzuordnen. Obwohl Geräten mit hoher Datenrate acht Mal häufiger 'Microframes erhalten als Geräten mit niedriger Datenrate, wird die im Token 71 enthaltene Frame-Nummer 72 erst nach acht übermittelten Paketen erhöht wird. Die Frame-Nummer 72 ist somit stets eindeutig. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung reicht ein Betrieb mit der niedrigeren Datenrate, die 1000 Messwerte pro Sekunde ermöglicht,' aus. Sobald die Kommunikationseinrichtung 32 ein SOF-Signal empfängt, generiert sie einen Interrupt und übermittelt das empfangene Datenpaket an den Prozessor 36, dessen Synchronisierlogik 70 augenblicklich den aktuellen Messwert 61 einfriert, indem dieser bspw. vorübergehend in dem Speichermittel 63 abgelegt wird. Außerdem speichert der Mikroprozessor 36 auch die zugehörige Frame-Nummer 72 mit ab. In der verbleibenden Zeit des jeweiligen Frames 69 kann der USB- Controller sequenziell die einzelnen Längenmesstaster 2a bis 2z einzeln adressieren, um die jeweiligen Messwerte 61 gemeinsam mit der Framenummer 72 in einer geeignet verpackten Form zu erhalten. Dies ist in Fig. 4 beispielhaft dargestellt.
Statt einer USB-Schnittstelle kann auch eine andere vergleichbare Schnittstelle verwendet werden, wenn diese es ermöglicht, zuverlässig Daten zwischen dem erfindungsgemäßen Messtaster 2 und dem Computer 4 auszutauschen. Insbesondere sollte die Schnittstelle auch ein Synchronisationssignal, ähnlich dem SOF-Signal, zur Verfügung stellen, das an alle in das Netzwerk eingebundene Geräte übermittelt wird und erfindungsgemäß verwendet werden kann. Ein Beispiel für ein weiteres geeignetes Netzwerk ist das als Low-Rate Wireless Personal Area Network (LR-WPAN) bekannte Funknetzwerk, das auf dem IEEE-802.15.4 Standard basiert und für Geräte mit geringer Leistungsaufnahme und geringer Datenrate vorgesehen ist. Fig. 4 zeigt eine hierzu geeignete modifizierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messsystems 1. Wie zu ersehen, ist die Elektronikeinheit 14 hier vorteilhaft in das Gehäuse des Län- genmesstasters 2 integriert, obwohl auch ein separates Gehäuse 33 wie in der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 3 verwendet werden könnte. Der Längenmesstaster 2 weist eine Kommunikationseinrichtung 32 auf, die zur Kommunikation mit dem Computer 4 über hochfrequente Funkwellen eingerichtet ist. Hierzu weist der Längenmesstaster 2 eine als Sende-/Empfangseinheit dienende Antenne 73 auf, während an der Funkschnittstelle 9 des Computers 4 eine ebenfalls zum Senden und Empfangen dienende Antenne 74 vorgesehen ist. Die Antennen oder Funkmodule 73, 74 sind hier lediglich symbolisch veranschaulicht. Sie sind vorzugsweise in dem Tastergehäuse 16 bzw. dem Computer 4 integriert.
Hinsichtlich Einzelheiten zu dem LR-WPAN und dem IEEE- Standard 802.15.4 wird auf die jeweilige Spezifikation verwiesen. Zum Verständnis der vorliegenden Problematik und der erfindungsgemäßen genügt es zu erwähnen, dass innerhalb der Funkreichweite von gewöhnlich bis zu 10 m alle Geräte eines LR-WPAN miteinander kommunizieren können. Die Datenübertragung findet in Paketen statt, die auf unterschiedlichen Frequenzen gesendet werden können. Zu jedem gegebenen Zeitpunkt kann nur ein Gerät ungestört senden. Ein Kommando zur Aufnahme und Übermittlung eines Messwertes erreicht daher nur jeweils einen Längenmesstaster 2a, 2b, ... 2z. Die Zeitspanne zum Ansprechen aller Messtaster kann nicht abgeschätzt werden, da andere Geräte zu beliebigen Zeitpunkten kommunzieren können und so die Übertragung verzögern können.
Zur Synchronisation der Messwertaufnahme wird hier eine Eigenschaft der physikalischen Schicht des LR-WPAN Netzwerks ausgenutzt. In diesem übernimmt ein Gerät, bspw. der Computer 4, die Aufgabe des Netzwerkkoordinators, der zur Aufteilung der verfügbaren Übertragungskapazität einen Superframe 76, wie in Fig. 6 veranschaulicht, definieren kann. Dieser Superframe 76 enthält 16 Zeitschlitze definierter Dauer, sog. Slots 77, und wird durch ein spezielles Synchronisationssignal 79, das sog. Network Beacon in dem ersten Slot des Superframes 76 eingeleitet. Die zeitliche Länge eines Superframes kann vom Netzwerkkoordinator festgelegt werden. Außerdem enthält der erste Slot als Beacon-Erweiterung unter anderem auch eine Sequenznummer 79, die von dem Netzwerkkoordinator aktualisiert und mit jedem Superframe 76 übertragen wird.
Die erfindungsgemäßen Längenmesstaster empfangen den Superframe-Beacon 78 in Abhängigkeit von ihrer Entfernung zu dem Computer 4 zwar zeitversetzt. Der maximale Zeitversatz ergibt sich aber aus der maximalen Entfernung zu dem Computer (10 m) und der Geschwindigkeit der Ausbreitung der Funkwellen (ca. 3 x 108 m/s) und beträgt somit weniger als 33 ns. Die Wiederholpräzision beim Übertragen des Beacon 78 ist alleine vom Netzwerkkoordinator abhängig.
Die Synchronisierlogik 70 der Längenmesstaster 2 nutzt den Superframe-Beacon 78 zur Aufnahme des Messwertes 61 in entsprechender Weise, wie im Zusammenhang mit dem SOF-Signal 71 in dem USB-Netzwerk beschrieben. Die Synchronisiereinrichtung 71 bewirkt, dass der aktuelle Messwert 61 eingefroren und diesem zur zeitlichen Zuordnung die Sequenznummer 79 als Zeitstempel beigefügt wird. Die Daten 78, 79 werden in dem Spei- chermittel 63 zwischengespeichert. Der Computer 4 kann dann als Netzwerkkoordinator die jeweiligen Messtaster 2a-2z direkt adressieren und sie auffordern, die Daten zu übertragen. Der LR-WPAN-Längenmesstaster kann also wie der USB-Längenmesstas- ter rein passiv sein. Vorteilhafterweise ermöglicht das LR- WPAN Netzwerk aber auch, dass Geräte auch von sich aus, aktiv Daten an den Netzwerkkoordinator übermitteln können. Die einzelnen Längenmesstaster 2a-2z können also zu definierten, ihnen jeweils zugewiesenen Zeitpunkten während der verbleibenden Slots 2 bis 16 ihre Messwerte, Zeitstempel und sonstige Daten von sich aus an den Computer übermitteln.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Modifikationen möglich. Beispielsweise kann unabhängig von der Ausführungsform die Elektronikeinheit 14 stets auch in der Tastereinheit 12 integriert oder an einer beliebigen Stelle des Anschlusskabels 16 angeordnet sein. Außerdem kann durch die Messeinrichtung statt der Amplitude auch die Phase beeinflusst werden, oder es kann, insbesondere für stromsparende Anwenduin- gen, eine kapazitive Messeinrichtung verwendet werden. Während ferner hier die Ansteuerungseinrichtung 29 und Verarbeitungseinrichtung 30 weitgehend digital arbeiten, könnten sie auch dazu eingerichtet sein, analoge Signale zu erzeugen bzw. zu verarbeiten, so dass lediglich zur Abspeicherung und zur Übermittlung der Messwerte diese digitalisiert werden müssten. Die in Fig. 2 veranschaulichte Ausführungsform wird aber wegen der kostengünstigen und eine flexible Anpassung ermöglichenden Realisierung vorgezogen. Außerdem können für die Wandlereinheit 37 handelsübliche Audiocodecs verwendet werden, die bereits einen A/D-Wandler und einen D/A-Wandler in einer einzigen Baugruppe enthalten.
Ein Längenmesstaster 2 weist ein Tastelement 17 zur mechanischen Abtastung einer Werkstückoberfläche 3 und eine induktiven Messeinrichtung 21 auf, die mit dem Tastelement 17 verbunden ist und dessen Auslenkung in ein entsprechendes analoges Messsignal umsetzt. Ferner weist der Längenmesstaster 2 eine Kommunikationseinrichtung 32 zur Kommunikation mit einem Computer 4 und eine zwischen der Messeinrichtung 21 und der Kommunikationseinrichtung 32 eingefügte Ansteuerungs- und Verarbeitungseinrichtung 29, 30 auf. Die Ansteuerungseinrichtung 29. dient dazu, ein analoges Ansteuerungssignal für die Messeinrichtung 21 mittels digitaler Mittel 36 und Analog/Digital- Wandlung zu erzeugen. Die Verarbeitungseinrichtung 30 erhält das von der Messeinrichtung 21 herrührende analoge Messsignal, digitalisiert dieses und bestimmt allein mittels digitaler Signalverarbeitung einen die jeweilige Auslenkung des Tastelementes kennzeichnenden digitalen Messwert.
Der Längenmesstaster 2 kann über eine geeignete Netzwerkverbindung, bspw. über eine USB-Schnittstelle oder ein LR- WPAN-Funknetzwerk, gemeinsam mit dem Computer 4 zu einem linearen Wegmesssystem 1 aufgebaut werden. In dem Längenmesstaster 2 ist eine Synchronisiereinrichtung 70 integriert, die bei statischen und dynamischen Messungen mit mehreren Langenmesstastern 2 eine sequentielle Auslesung annähernd synchron aufgenommener Messwerte aller Längenmesstaster 2 ermöglicht.

Claims

Patentansprüche :
1. Längenmesstaster (2) mit einem in einem Tastergehäuse (16) bewegbar gelagerten Tastelement (17) zur mechanischen Abtastung einer Werkstückoberfläche (3) , mit einer Messeinrichtung (21) , die in dem Tastergehäuse
(16) angeordnet und mit dem Tastelement (17) verbunden ist, um dessen Auslenkung in ein entsprechendes analoges Messsignal (52) umzusetzen, mit einer Kommunikationseinrichtung (32), die zur Kommunikation mit einem Computer eingerichtet ist, und mit einer zwischen der Messeinrichtung (21) und der Kommunikationseinrichtung (32) eingefügten Ansteuerungs- und Verarbeitungseinrichtung (29, 30), die dazu dient, ein analoges Ansteuerungssignal (43) zu erzeugen und das von der Messeinrichtung (21) herrührende analoge Messsignal derart zu verarbeiten, um einen die jeweilige Auslenkung des Tastelementes (17) kennzeichnenden digitalen Messwert (61) zu erhalten.
2. Längenmesstaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (21) eine induktive Messeinrichtung ist, die wenigstens eine mit dem Ansteuerungssignal (63) zu speisende Primärspule (27) und wenigstens eine Sekundärspule (28, 28a, 28b) aufweist, die mit der Primärspule (27) induktiv gekoppelt ist.
3. Längenmesstaster nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (21) dazu eingerichtet ist, die Amplitude oder Phase des Ansteuerungssignals (63) abhängig von der Auslenkung des Tastelementes (17) zu beeinflussen.
4. Längenmesstaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (21) eine kapazitive Messeinrichtung ist, die wenigstens eine mit einem Ansteuerungssignal zu speisende Sendeelektrode und wenigstens eine Empfangselektrode aufweist, die je nach Auslenkung des Tastelementes (17) unterschiedlich stark miteinander kapazitiv gekoppelt sind.
5. Längenmesstaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die' Ansteuerungs- und Verarbeitungseinrichtung (29, 30) und die Kommunikationseinrichtung (32) in einem gemeinsamen Gehäuse (33) außerhalb des Tastergehäuses (16) angeordnet und über ein Leitungskabel (13) mit der Messeinrichtung (21) verbunden sind.
6. Längenmesstaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinrichtung (32) zur drahtgebundenen Kommunikation mit dem Computer (4) eingerichtet ist.
7. Längenmesstaster nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinrichtung (32) ein Anschlussmittel (33) aufweist, das passend zu einem Schnittstellenanschluss (9) des Computers (4) ausgebildet ist.
8. Längenmesstaster nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinrichtung (32) dazu eingerichtet ist, den Längenmesstaster (2) mit von dem Computer (4) zur Verfügung gestellter Energie zu versorgen.
9. Längenmesstaster nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinrichtung (32) eine USB- Schnittstelle und einen USB-Stecker aufweist.
10. Längenmesstaster nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinrichtung zur drahtlosen Kommunikation mit dem Computer (4) eingerichtet ist und ein Funkmodul (73) aufweist.
11. Längenmesstaster nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinrichtung (32) zur Einbindung in ein Funknetzwerk eingerichtet ist, das auf dem IEEE 802.15.4 Standard oder einem vergleichbaren Standard basiert.
12. Längenmesstaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerungs- und Verarbeitungseinrichtung (29, 30) in Form einer Elektronik (14) ausgebildet ist, die einen Mikroprozessor, vorzugsweise einen digitalen Signalprozessor aufweist.
13. Längenmesstaster nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerungseinrichtung (29) einen Generator (56) , der ein digitales Ansteuerungssignal erzeugt, und einen Digital/Analog-Wandler (41) enthält, um das digitale Ansteuerungssignal (42) in ein analoges Signal umzuwandeln.
14. Längenmesstaster nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung einen Analog/Digi- tal-Wandler (44), der das analoge Messsignal der Messeinrichtung (21) in ein digitales Zwischensignal wandelt, und eine Detektoreinrichtung (57) aufweist, die aus dem Zwischensignal die digitalen Messwerte (61) ermittelt.
15. Längenmesstaster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung (30) Speichermittel (63) aufweist, um wenigstens den momentanen Messwert (61) zwischenzuspeichern.
16. Längenmesstaster nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichermittel (63) ferner dazu vorgesehen sind, tasterspezifische Daten, insbesondere Linearitäts-, Empfindlichkeits- und/oder Korrekturwerte aufzunehmen, um diese bedarfsweise zur Kompensation bei der Auswertung und beim Einmessen des Längenmesstasters zu verwenden.
17. Längenmesstaster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerungs- und Verarbeitungseinrichtung (29, 30) Logikelemente (70) aufweist, die dazu dienen, ein von dem Computer (4) herrührendes Synchronisationssignal (71, 78) zu erfassen und daraufhin eine Abspeicherung des momentanen Messwertes (61) zu veranlassen.
18. Längenmesstaster nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikelemente (70) ferner dazu eingerichtet sind, dem Messwert (61) einen Zeitstempel (72, 79) zuzuordnen, der für den Zeitpunkt der Messwerterfassung kennzeichnend ist.
19. Längenmesstaster nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitstempel (72, 79) ein fortwährend aktualisiertes Datum ist, das von dem Computer (4) zusammen mit dem Synchronisationssignal (71, 78) in im Wesentlichen regelmäßigen zeitlichen Abständen übermittelt wird.
20. Längenmesstaster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikelemente (70) ferner dazu eingerichtet sind, eine Anforderung des Computers (4), Daten, einschließlich des Messwerts (61), zu dem Computer zu senden, zu erfassen und daraufhin eine Datenübermittlung zu veranlassen.
21. Messtastersystem (1) mit einem Längenmesstaster (2) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einem Computer (4) , das ein ablauffähiges Programm zur Messwerterfassung und -Verarbeitung sowie eine Kommunikationsschnittstelle (9, 11) zur Anbindung unterschiedlicher Peripheriegeräte, einschließlich des Längenmesstasters (2), an den Computer (4) aufweist, um eine Kommunikation mit diesem zu ermöglichen.
22. Messtastersystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass es als mobile Einheit betrieben werden kann, die ohne eine externe Energieversorgung auskommt.
23. Messtastersystem nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass es mehrere mit dem Computer (4) in Kommunikationsverbindung stehende Längenmesstaster (2) aufweist.
24. Messtastersystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte (61) der in das System integrierten Längemesstaster (2) synchron aufgenommen werden.
25. Messtastersystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass es ein drahtgebundenes System bildet.
26. Messtastersystem nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass es ein drahtloses Funksystem bildet.
27. Messtastersystem nach Anspruch 25 oder 26, wobei die Kommunikationsschnittstelle (9, 11) einem Standardprotokoll, vorzugsweise dem USB-Standard, dem IEEE 801.15.4 Standard oder einem vergleichbaren Protokoll entspricht, das eine periodische Übertragung eines Synchronisationssignals (71, 78) sowie vorzugsweise eines den Zeitverlauf kennzeichnenden Signals (72, 79) vorsieht.
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