JPH0153723B2 - - Google Patents

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JPH0153723B2
JPH0153723B2 JP57189363A JP18936382A JPH0153723B2 JP H0153723 B2 JPH0153723 B2 JP H0153723B2 JP 57189363 A JP57189363 A JP 57189363A JP 18936382 A JP18936382 A JP 18936382A JP H0153723 B2 JPH0153723 B2 JP H0153723B2
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JP
Japan
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pulse
counter
time
measurement
pulses
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JP57189363A
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JPS5885104A (ja
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Shunaidaa Otsutoo
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MAAKU TSUAANREEDAA UNTO MASHIINEN AG
Original Assignee
MAAKU TSUAANREEDAA UNTO MASHIINEN AG
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Publication date
Application filed by MAAKU TSUAANREEDAA UNTO MASHIINEN AG filed Critical MAAKU TSUAANREEDAA UNTO MASHIINEN AG
Publication of JPS5885104A publication Critical patent/JPS5885104A/ja
Publication of JPH0153723B2 publication Critical patent/JPH0153723B2/ja
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B17/00—Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23D—PLANING; SLOTTING; SHEARING; BROACHING; SAWING; FILING; SCRAPING; LIKE OPERATIONS FOR WORKING METAL BY REMOVING MATERIAL, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23D36/00—Control arrangements specially adapted for machines for shearing or similar cutting, or for sawing, stock which the latter is travelling otherwise than in the direction of the cut
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S367/00—Communications, electrical: acoustic wave systems and devices
    • Y10S367/902—Speed of sound compensation

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、例えば工作機械で用いられているよ
うな超音波測距装置（超音波距離もしくは行程測
定装置）からの信号を評価処理する方法および装
置に関する。
このような超音波測距装置は、例えば米国特許
第3898555号明細書から知られている。この測距
装置においては、発振器が、トリガ・パルス（レ
リーズ・パルス）を発生する。このトリガ・パル
スは、磁歪性導体に対して特定的に定まり、かつ
導体の長さに依存する周波数を有している。その
場合周波数は、短導体での8000Hzと長導体での
2000Hzとの間を変動する。この固定のトリガ・パ
ルス・クロツクは、所定の測定スループツトを確
定してしまいそれを大きくすることができないと
言う点で不利である。エコーパルスがトリガ・パ
ルスの直後に現われる場合でも、測定ヘツドが測
定系の受信器から短い離間距離で存在するので、
次続のトリガ・パルスで新しい測定を開始する前
に、発振器のクロツク周波数によつて決定される
時間だけ待たなければならない。さらに、この公
知の超音波測距装置の分解能は測距発振器の周波
数によつて決定され、１つの走行時間パルスの持
続期間中に計数される測距発振器パルスの数が大
きければ大きいほど、分解能も大きくなる。した
がつて非常に高い分解能を達成しようとすれば、
測距発振器の周波数は、処理が不可能なほどにま
で大きくなつてしまう。最後に、この公知の超音
波測距装置は、静止している測定ヘツドの位置測
定にしか適していないことを述べておく。測定ヘ
ツドが変位すると、超音波エコーパルスの伝搬速
度が有限であること（約2800ｍ／秒）から、高精
度の工作機械例えば大歯車研削盤でのこの種の装
置の使用を不可能にするほどの誤差が生じる。
さらに、超音波を用いて２つの物体の相対位置
の増分的測定を行なう方法および装置が知られて
いる。（西独特許出願公開第2833369号公報参照）、
この装置は、上記の公知の超音波測距装置よりも
高い精度を保証するものであつて、磁歪性導体中
に超音波を発生するための交流電圧と、超音波に
よつて受信器に誘起される交流電圧との間の位相
位置が、送信測距装置に対する受信器の相対位置
を表わす尺度として利用される。したがつて評価
処理方法は、送出されるトリガ・パルスおよび受
信されるエコーパルスの振幅による影響を受けな
い。しかしながら、この方法には、絶対測定が不
可能であると言う欠点がある。
よつて本発明の課題は、高い測定スループツト
を保証しつつ、超音波測距装置の発生するパルス
の評価精度を著しく大きくすると共に、それに加
えて、運動する測定ヘツドに関する他の測定情報
を得ることを可能にし、且つ絶対測定を可能にす
る超音波測距装置の信号の評価処理方法および装
置を提供することにある。
本発明の上記の課題は、特許請求の範囲第１項
および第７項に記載の構成によつて解決される。
公知の超音波測距装置においては、トリガ・パ
ルス発振器が、所定の測定スループツトを確定す
る固定のクロツク周波数で、トリガ・パルスを発
生する。これに対し、本発明の方法においては、
このトリガ・パルスは外部から供給される。これ
によつて、エコーパルスの出現後直ちに、新たに
トリガ・パルスを発生することが可能となる。こ
の場合、本発明による方法および装置は、測距装
置の融通性をもつた駆動が可能となるように、即
ち、固定の測定クロツク（同期）でも、可変の測
定クロツク（非同期）でも作動するように構成さ
れている。本発明のこの方法および装置によれ
ば、測定ヘツドの位置測定値に加えて、ヘツドの
速度および加速度を求めることができる。その理
由は、測距計数器に加えて常に時間計数器が使用
され、この時間計数器は２つの相前後する測定間
に介在する時間、即ち２つのトリガ・パルス間に
介在する時間を測定するからである。装置は、そ
れぞれ１つの測距計数器および時間計数器からな
る２つの計数器群を備えている。１つの計数器群
から他の計数器群への切換は計数器切換論理回路
により強制的に行なわれる。この目的で、計数器
切換論理回路は、トリガ・パルスの外部起動によ
り、またトリガ・パルスに対応するエコーパルス
によつて制御される。本発明による装置および方
法においては、被測定距離区間の分解能は、測距
発振器の周波数により任意に選択可能である（こ
こで、分解能、即ち小さい距離増分は、超音波エ
コーパルスの伝搬速度と測距発振器周波数の商で
ある）。
２つの計数器群から供給される計数器内容は、
測定ヘツドの位置、速度および加速度を計算する
ために、上記計数器切換論理回路の外部起動を行
なう計算機によつて処理される。この計算機はま
た対応の測定結果を出力する。
特許請求の範囲第８項記載の構成によれば、制
御論理回路は、どの計数器群が処理のための測定
データを保持しているかに関する制御情報を計算
機に伝達する。インターフエースは、計算機での
プログラムの実行で測定を開始させ、測定データ
を処理することを可能にする。
１つの測定即ち、１つのトリガ・パルスと次続
のトリガ・パルスとの間の測定後には、測定ヘツ
ドが変位したかどうかおよび測定ヘツドの測定位
置に対する速度補正が必要かどうかを確定するこ
とができない。したがつて、他の計数器群によ
り、２つのトリガ・パルスの間で少なくともさら
に１回測定が実施され、それに基いて、速度補正
された位置測定値が求められる。このようにして
位置測定精度は非常に高められる。
特許請求の範囲第９項記載の本発明の実施態様
によれば、各測定後に割込論理回路が計算機にお
けるプログラムの実行を中断し、それにより計算
機は測定データの評価処理を行なうと同時に直ち
に新たな測定を実行することができるので、測定
スループツトのダイナミズムを改善することがで
きる。
超音波パルスが磁歪性導体上の或る特定区間を
進むのに必要とする時間は、該導体の強磁性体と
しての特性（例えば厚さ、温度係数、弾性率、透
磁率）に依存する。これらの特性量は、導体毎に
また１つの導体でも場所毎に変動し得る。
したがつて、特許請求の範囲第２項記載の本発
明の構成においては、測定ヘツドの測定位置はさ
らに、磁歪性導体のこのような非線形量を考慮し
た線形補正値によつて補正され、それにより精度
はさらに改善される。この場合、線形補正値は、
被測定物と関連して、即ち最終的に測距装置が組
込まれた状態で求められる。例えば、被測定物、
例えば歯車研削盤で、より正確な測距装置、例え
ばレーザ干渉計を用いて装置の校正が行なわれ
る。
特許請求の範囲第３項記載の本発明の実施態様
においては、測定ヘツドの位置はさらに温度補償
値を用いて補正される。これにより、測定装置を
温度変化の大きい環境内に設置した場合でも測定
精度は改善される。
さらに、特許請求の範囲第４項記載の本発明の
実施態様においては、測定ヘツドの位置は、被測
定物および測定装置の零点の差異に関して補正さ
れ、終局的には、被測定物の零点に関する位置測
定値が出力される。即ち、例えば歯車研削盤の場
合には、砥石車キヤリツジに連結された測定ヘツ
ドの研削盤零点に関する正確な位置が出力され
る。
従つて特許請求の範囲第５項記載の本発明の実
施態様においては、測定環境の温度、測定中の測
定ヘツドの速度、磁歪性導体の非線形性および測
距装置と被測定物との間の零点の差異に関して補
正されている位置測定値が出力される。
特許請求の範囲第６項記載の本発明の実施態様
によれば、別の情報として測定ヘツドの加速度が
求められる。この情報は、位置情報および速度情
報と共に、測定ヘツドが、例えば位置制御すべき
キヤリツジに接続されているフイードバツク制御
系において、帰還量として有利に用いることがで
きる。この種のフイード・バツク制御系において
は考慮される帰還量が多ければ多いほど制御過程
はそれだけ安定になる。
以下添付図面を参照し本発明の実施例について
詳細に説明する。
第１図を参照するに、信号の処理および評価装
置は参照数字10で総括的に示されている。この装
置１０は、公知の超音波測距装置１２と組み合せ
て設けられている。このような超音波測距装置の
動作原理は、特定の強磁性材料における磁歪に基
いている。この場合測定量は、磁歪性導体１４上
の２点間における超音波パルスの走行時間であ
る。磁歪性導体１４は図示を簡略にするために棒
で示されている。導体１４の一端には、電子送信
器（図示せず）および電子受信器Ｅが設けられて
いる。測定ヘツド１６が導体１４に沿つて摺動可
能に設けられており、この測定ヘツド１６は永久
磁石を有している。導体１４を介して送信器から
トリガ・パルスが送出されると、このトリガ・パ
ルスと共に円形の磁界が導体に沿つて移動する。
この磁界は永久磁石の縦軸方向の磁界と出合う。
それにより、トリガ・パルスの持続時間中は、導
体内に捩れ作用が生じ、その結果超音波パルスが
発生して、受信器Ｅによりエコーパルスとして受
信される。トリガ・パルスの送信とエコーパルス
の受信との間の時間を測定すれば、この時間は永
久磁石と受信器Ｅとの間の距離の尺度となる。ア
ナログ信号を出力するためには、距離に比例した
時間間隔を所定の大きさの直流電圧に変換するこ
とができる。他方、デイジタル信号を得るために
は、トリガ・パルスとエコーパルス間の時間中に
測距発振器２０が発生するパルスを計数して、数
値表示（図示せず）に変換することができる。
装置１０は、高いクロツク周波数（例えば
125MHz）でパルスを発生する測距発振器２０を
有しており、このパルスは第１の測距計数器２２
および第２の測距計数器２４に供給される。さら
に装置１０は、同じく高いクロツク周波数でパル
スを発生する時間発信器２６を備えており、この
パルスは第１の時間計数器２８および第２の時間
計数器３０に供給される。これら４つの計数器は
計数器切換論理回路３２に接続されており、切換
論理回路３２は、計数器を次のように制御する。
すなわち、常に１つの計数器群例えば第１の測距
計数器２２および第２の時間計数器３０が測距発
振器パルスおよび時間発振器パルスを計数し、そ
の間他の計数器群、すなわち第１の時間計数器２
８および第２の測距計数器２４は停止し、またそ
の逆に、第２の計数器群がパルスを計数し、他方
その間、第１の計数器群が停止しているように制
御する。計数器切換論理回路３２は制御論理回路
３４に接続されており、該制御論理回路３４はイ
ンターフエース３６およびシステムバス３８を介
して、計算機４０から、各々１回の測定過程を惹
起するトリガ・パルスを受ける。そして、この制
御論理回路３４は、トリガ・パルスを計数器切換
論理回路に供給すると共に、導体５０を介して、
測距装置１２の入力段１８および該入力段１８に
設けられているフリツプ・フロツプ４２にもトリ
ガ・パルスを印加する。帰還導体４４が、測距装
置１２から、フリツプ・フロツプ４２を介して、
計数器切換論理回路３２および制御論理回路３４
に延びている。フリツプ・フロツプ４２は、各ト
リガ・パルスによつてセツトされ、また各トリ
ガ・パルスに対応し、受信器Ｅで受信されるエコ
ーパルスによりリセツトされる。それにより該フ
リツプ・フロツプ４２は、１つの走行時間パルス
を発生する。このパルスは、トリガ・パルスで立
ち上がりそしてエコーパルスで終末する。この走
行時間パルスはまた、次のように計数器切換論理
回路３２を制御する。すなわち、各走行時間パル
スの立ち上がりに１つの計数器群を作動接続し、
他方の計数器群の時間計数器を停止するように制
御する。他方の計数器群の測距計数器は、走行時
間パルスの終端すなわちエコーパルスによつて停
止する。
このように時間計数器と測距計数器をそれぞれ
２つ設け、時間計数器と測距計数器を対にして、
２組で駆動させることにより次のような利点が得
られる。すなわち測定ヘツドの位置測定値に加え
て、ヘツドの速度および加速度を求めることがで
きる。なぜなら、測距計数器に加えて常に時間計
数器が使用され、この時間計数器は２つの相前後
する測定間に介在する時間、即ち２つのトリガ・
パルス間に介在する時間を測定するからである。
このようにして測定ヘツドの位置測定精度が非常
に高められ、本発明においては測定ヘツドが運動
しても他の測定情報を得ることができる。また測
定開始タイミングに関係なく、２つの位置測定間
における平均速度を計算することが可能となる。
なお測距発振器と測距計数器はトリガ・パルスと
エコーパルス間、即ち走行時間パルス間のクロツ
クを計数して永久磁石と基準点との間の距離を測
定するために用い、時間発振器と時間計数器はト
リガ・パルス間の時間を測定するのに用いるもの
である。
フリツプ・フロツプ４２の出力側には、帰還導
体４４によつて割込論理回路４６も接続されてい
る。この割込論理回路４６は、インターフエース
３６およびシステムバス３８を介して、後述する
仕方で計算機４０に作用する。さらに、２つの時
間計数器２８，３０と制御論理回路３４ならびに
インターフエース３６との間に接続が設けられて
おり、これらの接続は、追つて詳細に述べるよう
に、装置の同期駆動に関与する。
装置１０は、固有の測距装置を備えた１つの測
定チヤンネルである。従つて、第１図に１点鎖線
で示したように、各々１つの測距装置を有し、同
じ計算機で動作する別のチヤンネルを設けること
ができる。この場合優先順位を予め定めておけ
ば、各チヤンネルが供給する測定データの重要性
に応じて、個々の測定チヤンネルは、計算機４０
によつて制御される。
測定データは、デイジタル信号として、システ
ムバス３８を介して、直接送出することができ
る。アナログ形態の出力信号が都合の良い場合
は、測定信号Ｘ（測定ヘツド位置）、Ｖ（測定ヘツ
ド速度）およびＡ（測定ヘツドの加速度）を発生
するＤ／Ａ（デイジタル／アナログ）変換器４８
を設ければよい。
フリツプ・フロツプ４２を有する入力段１８
は、測距装置１２の極く近くに配設し、入力段１
８と測距装置１２との間には無視し得る長さの導
体しか存在しないようにする。入力段１８と装置
１０との間には、導体４４および５０のGTで示
す箇所で、誘動型結合器、例えば変圧器による電
気絶縁を行い、２つの線路間で導電的接続のない
ように分離する。このようにすれば、走行時間パ
ルス長に影響を及ぼすことなく、50ｍまたは150
ｍのケーブル長を介して装置１０を入力段１８に
接続することが可能となる。
第１図に示した装置全体の動作態様に関し、第
２図に示したパルス波形図を参照して詳細に説明
する。制御論理回路が、または本実施例の場合の
ように外部トリガ源としての計算機が、導体５０
を介して、トリガ・パルスをフリツプ・フロツプ
４２および測距装置１２に供給する（時点ho-3）
と、同時に計数器切換論理回路も作動し、この切
換論理回路は、（第２図に示した例の場合）、第２
の時間計数器を作動接続して、第１の時間計数器
を停止する。さらに導体５０を介してフリツプ・
フロツプ４２がセツトされ、その結果走行時間も
しくはパルスが立ち上がり、その正の縁は導体４
４を介して第１の測距計数器を作動接続する。測
定ヘツド１６から送り返されるパルスが出現する
と、フリツプ・フロツプ４２はリセツトされ、走
行時間パルスの持続期間中に測距発振器２０から
のパルスを計数していた第１の測距計数器は停止
する。他方、第２の時間計数器は次のトリガ・パ
ルスが現れる（時点to-2）まで計数し続ける。
第２のトリガ・パルスが現れると、第２の時間
計数器は停止する。そして、第１の時間計数器、
ならびにフリツプ・フロツプ４２に到る往復導体
を介して第２の測距計数器が作動接続され、これ
ら計数器は、次のエコーパルスが現れるまで測距
発振器パルスを計数し、また第３のトリガ・パル
スが現れる（時点to-1）まで時間発振器パルスを
計数する。
第３のトリガ・パルスが現れると、再び第１の
時間計数器が停止し、第２の時間計数器、ならび
にフリツプ・フロツプ４２に到る往復導体を介し
て第１の測距計数器が作動接続される。
こうして、第３の走行時間パルスの持続期間中
に、第１の測距計数器は、次のエコーパルスの出
現まで測距発振器パルスを計数し、他方第２の時
間計数器は第４のトリガ・パルスの出現（時点
to）まで時間発振器パルスを計数する。以下同様
の動作を繰返し行なうことができる。
この方法によれば、測定開始タイミングに関係
なく、２つの位置測定間における平均速度を計算
することが可能となる。
速度計算結果は、測定情報として、例えばフイ
ードバツク制御系において付加的な帰還量として
用いることができる。また、本実施例の場合のよ
うに移動する測定ヘツドが採用されている事例で
は重要なことであるが、位置測定の速度補正に利
用することもできる。
計算機４０は位置測定から次式に従つて測定ヘ
ツドの位置を算出する。
XGo＝NXo・Δx ここで、 ｎ＝複数の走行時間パルスのうちの何番目である
かを示す数、 XGo＝ｎ番目の走行時間パルス後に測定した測定
ヘツドの位置値、 NXo＝ｎ番目の走行時間パルス内の測定計数パ
ルスの数、 Δx＝距離増分（１測距パルスで超音波の進む距
離） ＝Vu／fW ＝超音波伝搬速度／測距発振器周波数、であ
る。
次いで計算機は２つの位置測定から、測定ヘツ
ドの移動速度を求める。すなわち、２回の距離測
定の間で測定ヘツドの移動した速度を、第３図に
例として示した上側の２つの線図ｘ（ｔ）および
ｖ（ｔ）に従い次式より求める。
Vo＝Δx・（NXo−NXo-1）／Δt・NTo ここで、 Vo＝ｎ番目の走行時間パルス後の測定ヘツドの
移動速度、 Δt＝時間増分（１時間計数パルスの周期時間）＝
１／fT＝１／時間発振器周波数、 NTo＝（ｎ−１）番目のトリガ・パルスとｎ番
目のトリガ・パルスとの間における時間計数パ
ルスの数、である。
従つて上式中、分子の意味するものは２つトリ
ガ・パルス間で測定ヘツドの移動した距離であ
り、分母の意味するものは２つのトリガ・パルス
間の時間である。
上に算出した速度Voが零でない場合、すなわ
ちNXo≠NXo-1の場合は測定ヘツドが移動した
ことを意味する。従つて算出した測定ヘツドの位
置を補正量によつて補正する必要がある。この補
正は次式に従つて行われる。
XV＝Vo・TLo＝Vo・NXo／fW ここで、 TLo＝ｎ番目の走行時間パルスの持続時間、であ
る。
従つてXVは当該走行時間パルス中の測定ヘツ
ドの移動距離を表わす。
評価結果として、計数機４０から補正された測
定ヘツドの位置XA＝XG＋XVが出力される。付
加的にまたは代替として、算出した平均測定ヘツ
ド速度Ｖを出力し、これを例えばフイードバツク
制御系において帰還量として利用することができ
る。なお、このことに関しては第５図を参照し追
つて詳述する。
また、測定ヘツドの算出した位置XGoを、磁歪
性導体の非線形性を考慮した線形補正量で補正す
る。さらに、温度補償および、測定ヘツド１６が
接続されている機械等の零点と測定系の零点との
間の偏差に関する補正が行われる。
以下に述べるこれらの補正では、下に定義する
量が用いられる。
Ｎ：計数パルスの数 NX：測距計数パルスの数 NT：時間計数パルスの数 Δx：距離増分（１測定計数パルスで超音波の進
む距離） Δt：時間増分（１時間計数パルスの周期時間） XG：測定された位置の値 XV：速度に依存する補正位置値 XL：線形度に依存する補正位置値 XO：測定物の零位置と測距装置の零位置との間
の差による位置値の偏差 XA：位置出力値 VA：速度出力値 AA：加速度出力値 fT：時間発振器の周波数 fW：測距発振器の周波数 VU：超音波の伝搬速度 TL：走行時間パルスの持続時間 ※ 距離増分Δxの求め方 厳密に物理学的に言えば、距離増分は次式で与
えられる。
Δx＝VU／fW しかし、異なつた測距装置における伝搬速度は
正確に等しくはないので、距離増分は第４ａ図に
図解した方法で求められる。つまり、測距装置お
よび評価装置を用いて、導体始端XAおよび導体
終端XEで複数回（ｉ回）の測定が行われる。
レーザ干渉計を用いて、導体始端と導体終端と
の間の区間距離XREFを正確に測定する。
ここで、距離増分は次のように定義される。こ
の式は実際値を求めるものであるから上の理論式
とは異なる。
ここで、分母左辺は導体終端XEに超音波の達
するまでの平均パルス数であり、右辺は導体始端
XAに超音波の達するまでの平均パルス数である
から、当然分母は超音波が距離XREFを経過するの
に要する測距パルス数である。従つてΔxは実際
の距離増分（１測距パルスで超音波の進む距離）
を表わす。
値NXEおよびNXAは、線形補正値を求めるの
にも用いられる。この線形補正は第４ｂ図に示し
たグラフに従つて行われる。第４ｂ図において、
曲線ａは超音波測距装置および評価装置を用いた
測定で得られ、他方曲線ｂはレーザ干渉計を用い
た測定によつて得られる。
XAおよびXE間の固定の間隔で、超音波測定装
置および評価装置ならびにレーザ干渉計を用いて
測定が行われる。測定点Poに関連する補正位置
値XL(o)は次式によつて求めることができる。
XL(o)＝（NX(o)・Δx）−XREF(o)＋（NXA・Δx） ここで、XAまでの区間距離NXA・Δxを“物さ
しの零点”としており、 XREF(o)＝測定点Poにおけるレーザ干渉計により得
られた区間距離、 NX(o)・Δx＝測定点Poにおける超音波測距装置に
より得られた区間距離、である。
従つて理想例として、超音波測距装置とレーザ
干渉計との間に誤差がなければNX(o)・Δx＝
XREF(o)となる。測定装置を取り付けた状態で線形
補正値を求めることが重要である。
超音波装置が発生する走行時間パルスは、温度
依存性を有する。したがつて、温度変動の大きな
環境で測定装置を用いる場合には、温度補償が行
なわれる。この温度補償は次式に従つて求められ
る。
XGo＝NXo・△ｘ・TFX. 温度が上昇すると、超音波の伝搬速度は増加
し、エコーパルスの走行時間は減少する。温度の
関数としての温度補償係数TFXの変化は測定に
よつて求めることができる（第４ｃ図参照）。こ
こで下記の定義が妥当する。
TFX(T)＝NX（20℃）／NX(T) および TFX （20℃）＝１ 実際には、TFXは△ｘと共に予め算出されて
おり、したがつて計算機における計算ルーチーン
の作業時間は影響を受けない。温度測定は、（図
示しない測定センサを用いて）磁歪性の導体１４
自体で行なわれる。
上に定義した修正値を考慮すると、装置の測定
ヘツド補正位置XAは次式で与えられる。
XA＝XG・TFX＋XV＋XL＋XO さらにここに述べた構成によれば、３つの位置
測定に基いて、測定ヘツドの加速度を第３図に示
したグラフに従い次式により計算できる。
Ao＝２・Vo−Vo-1／（NTo＋NTo-1）△ｔ このようにして評価装置は、測距計数器および
時間計数器による測定で得られたデータを基にし
て、測定ヘツドの位置（必要により測定ヘツドの
速度を考慮して修正された位置または修正されて
いない位置）、測定ヘツドの速度および加速度を
計算し出力することができる。
評価装置が発生する結果は、例えば第５図に示
すような仕方でフイードバツク制御系で利用する
ことができる。一般に、制御系の特性は、付加的
な状態量を帰還結合することにより大きく改善さ
れる。多くの場合制御区間における、この付加的
な状態量の測定は不可能であり、それ故にこのよ
うな量は推定されるかまたはモデルを用いて求め
なければならない。しかしそれには大きな費用を
要する。これに対して、ここで述べた評価処理装
置は、位置情報の帰還結合を簡単な仕方で可能に
するばかりでなく、速度および加速度状態量の帰
還結合をも可能にする。第５図に示されている実
施例は、制御区間として、増幅器Ｖと、増幅器に
よつて給電されるモータＭと、モータにより駆動
されるスピンドルSPと、スピンドルにより位置
調節されるキヤリツジＳと、キヤリツジと接続さ
れている測定ヘツド１６を備えている。第１図と
関連して述べたように、計算機４０は、測定デー
タを受けて、この測定データから位置、速度およ
び加速度を計算し、これら量を帰還結合係数r1、
r2およびr3で校正する。校正後、これら量は加算
素子で１つの実測値に合成、この実測値は比較器
で、やはり計算機から供給される目標値S1と比較
される。その結果得られる差は、制御量を表わ
し、この量はＤ／Ａ変換器４８を介して制御区間
に与えられる。
第２図に示されている制御論理回路３４は、計
算機４０から得られた信号を用いて計数器切換論
理回路を制御するばかりではなく、計算機に動作
状態信号を伝達する働きをもなす。これら動作状
態信号１２、例えば、（複数の測定チヤンネルが
計算機に接続されている場合）どの測定チヤンネ
ルの計数器群が測定データの処理を要求している
かを表わす。さらに付加的に設けられている割込
論理回路４６は、各測定後計算機におけるプログ
ラムの実行を中断し、それにより計算機が、装置
１０の発生した信号を直ちに処理することを可能
にする。このようにして測定スループツトのダイ
ナミズムを著しく増大することができる。と言う
のは、走行時間パルスを相応に短くすれば、それ
に対応して早く測定データを処理することがで
き、直ちに新しいトリガ・パルスを導体１４を介
して供給することができるからである。ソフトウ
エアは、装置１０と計算機との間におけるデー
タ・フローを管理し、その場合、割込（中断）を
伴なう、または伴なわない同期測定動作を可能に
し、また割込を伴なう、または伴なわない非同期
測定動作を可能にするように作成される。これら
２つの動作モードにおいて、装置１０により供給
される測定データは、計算機によつて連続的に処
理される。
装置が同期モード即ち実時間で動作する場合に
は、計算機は固定のクロツクパルスを発生し、し
たがつて等間隔のトリガ・パルスが発生する。そ
の場合、評価は非常に簡単になる。と言うのは時
間計数器データを計算機に取り込む必要はないか
らである。この場合には、測定トリガ・パルス間
の固定のタイミングで、一定の時間情報が得られ
る。
非同期モードにおいては、割込論理回路４６の
使用が非常に大きな意味を有する。その理由は、
この場合、トリガ・パルスは異なつた間隔で導体
１４を介して供給されるからである。或る測定で
短い走行時間パルスが生じた場合には、次続の測
定は相応に早期に開始することになる。これを最
適化するために、割込論理回路４６が用いられる
のである。
計算機が主プログラムで何らかの処理の実行に
携わつているものとする。そこで１つの測定が終
結すると、割込論理回路４６は主プログラムの実
行を中断し、プログラム計数器は直ちに超音波デ
ータ処理ルーチーンにジヤンプし、このルーチー
ンでは、新たに１つの測定が開始され、供給され
るデータの処理が行なわれる。それに続いて、主
プログラムのジヤンプが行なわれた個所へ戻り跳
躍が行なわれる。
全べての測定チヤンネルは割込論理回路４６に
接続されている。複数の測定チヤンネルの処理シ
ーケンスは、計算機を介して割込論理回路に設定
される優先順位によつて、任意に選択することが
でき、かつまた随時変更することができる。
複数の測定系が設けられている場合には、混合
動作モードの選択も可能である。
自明なように、割込論理回路を用いなくとも処
理は可能である。なぜなら計算機は、装置１０の
状態を制御論理回路３４を介して取込むことがで
きるからである。制御論理回路３４は、時間計数
器２８および３０と（第１図に示すように）直接
接続されているので、どの測定チヤンネルのどの
計数器群が測定データを保持しているかを表示す
る状態状報が、常に与えられている。勿論この場
合には測定スループツトは減少する。と言うの
は、主プログラムにおいて時々、状態情報の取込
みを行なわなければならないからである。
第３図には、１つの例として、個々の離散値の
計算を示すために、直線加速度運動ａ（ｔ）のシ
ーケンスが示されている。
便宜上、標本化速度（トリガ・パルス速度）を
一定としている。このことは、実際に、短かい時
間においては、無視し得る誤差で、非同期動作に
当嵌まる。
第３図に示されている曲線から明らかなよう
に、算出値の精度は標本化時間が短くなればなる
ほど良好になる。
標本化時間をより短くすると言う要件は、非同
期動作においては、割込論理回路４６を用いるこ
とによつて満たされる。この場合標本化時間は、
測定タイミングが固定である場合と比較して、平
均約70％も短縮される。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による装置のブロツク・ダイヤ
グラム、第２図は第１図に示した装置の動作を説
明するためのパルス・ダイヤグラム、第３図は計
算方法を図解するグラフを示す図、第４ａ図ない
し第４ｃ図は線形補正項および温度補償係数の求
め方を図解するグラフ、そして第５図は第１図に
示した装置をフイードバツク制御系で使用する場
合の一例を示す略図である。 １０……評価装置、１２……超音波測距装置、
１４，５０……導体、１６……測定ヘツド、１８
……入力段、２０……測距発振器、２２，２４…
…測距計数器、２６……時間発振器、２８，３０
……時間計数器、３２……計数器切換論理回路、
３４……制御論理回路、３６……インターフエー
ス、３８……システムバス、４０……計算機、４
２……フリツプ・フロツプ、４４……帰還導体、
４６……割込論理回路、４８……Ｄ／Ａ変換器、
Ｍ……モータ、Ｖ……増幅器、SP……スピンド
ル、Ｓ……キヤリツジ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 磁歪性の導体を用い、該導体に沿つて永久磁
    石を有する測定ヘツドを変位可能に設けると共に
    該導体を介してトリガ・パルスを送り、該トリ
    ガ・パルスでフリツプ・フロツプをセツトすると
    共に前記永久磁石でエコーパルスを発生し、該エ
    コーパルスで前記フリツプ・フロツプをリセツト
    し且つ該エコーパルスを測距装置に設けられてい
    る位置固定の受信器で受信し、１つの信号経過時
    間（以後走行時間パルスと称する）内に、すなわ
    ち各トリガ・パルスと受信エコーパルスとの間の
    時間内に、前記永久磁石と位置固定の基準点との
    間の距離区間の尺度として、測距発振器の発生す
    るパルスを測距計数器で計数する形式の、超音波
    測距装置からの信号を処理評価するための方法に
    おいて、 (a) 前記トリガ・パルスを外部的に発生し、 (b) １つの走行時間パルスの持続期間中に計数さ
    れる測距発振器パルスに加えて、第１および第
    ２のトリガ・パルス間で時間発振器器のパルス
    を時間計数器により計数し、 (c) 次続の走行時間パルスの持続期間中に、測距
    発振器のパルスを別の測距計数器で計数すると
    共に、第２および第３のトリガ・パルス間で時
    間発振器のパルスを別の時間計数器により計数
    し、 (d) 得られた計数器状態から、 (イ) 前記測定ヘツドの位置を、式 XGo＝NXo・Δx 上式中、 ｎ＝複数の走行時間パルスのうちの何番目の
    パルスであるかを示す数、 XGo＝ｎ番目の走行時間パルス後に測定した
    測定ヘツドの位置値、 NXo＝ｎ番目の走行時間パルスにおける、
    導体始端と導体終端との間の測定計数パル
    スの数、 Δx＝距離増分＝VU／fW＝
    超音波伝搬速度／測距発振器周波数 に従つて計算し、 (ロ) 前記測定ヘツドの速度を、式 Vo＝Δx・（NXo−NXo−１）／Δt・NTo 上式中、 Vo＝ｎ番目の走行時間パルス後の測定ヘツ
    ドの移動速度、 Δt＝時間増分＝１／fT＝１／時間発振器周波数、 NTo＝（ｎ−１）番目のトリガ・パルスと
    ｎ番目のトリガ・パルスとの間における時
    間計数パルスの数、 に従つて計算し、そして (ハ) ステツプ(イ)で算出した前記測定ヘツドの位
    置XGoに対する速度補正値を、式 XV＝Vo・TLo＝Vo・NXo／fW 上式中、 TLo＝ｎ番目の走行時間パルスの持続時間 に従つて計算し、但し、イ、ロ、ハは計算ス
    テツプを表わす記号そして (e) 評価結果として速度補正された測定ヘツド位
    置XA＝XG＋XVおよび／または平均測定ヘツ
    ド速度Ｖを出力することを特徴とする超音波測
    距装置からの信号の評価処理方法。 ２ 測定ヘツドの位置XGoを、次式で表わされる
    磁歪性導体の非線形性を考慮した線形補正値、 XL(o)＝（NX(o)・Δx）−XREF(o)＋（NXA・Δx） 但し 上式中、 XL(o)＝測定点Poにおけるレーザ干渉計での測定
    と超音波測定装置での測定との間の距離の差、 XA＝磁歪性導体の始端、 XE＝磁歪性導体の終端 XREF＝レーザ干渉計で測定した区間距離XA〜XE NXE(i)＝導体終端におけるｉ番目の測定での測距
    計数パルスの数、 NXA(i)＝導体始端におけるｉ番目の測定での測距
    計数パルスの数、 NX(o)＝始端XAと終端XEとの間の測定点Poにお
    ける超音波測定装置により測定した測距計数パ
    ルスの数、 XREF(o)＝レーザ干渉計により、測定点Poにおける
    測定で得られた区間距離 によつて補正するようにした特許請求の範囲第１
    項記載の超音波測距装置からの信号の評価処理方
    法。 ３ 測定ヘツドの位置XGoを、次式 TFX(T)＝NX（20℃）／NX(T) で表わされる温度補償係数で補正し、この場合該
    温度補償係数は20℃で値「１」をとるものとし、
    そして他の温度での複数回の測定により当該温度
    補償係数を前以つて算出しておくようにした特許
    請求の範囲第１項記載の超音波測距装置からの信
    号の評価処理方法。 ４ 測定ヘツドの位置XGoを、該測定ヘツドの零
    位置と受信器の零位置との間の偏差を考慮した補
    正値XOで補正するようにした特許請求の範囲第
    １項記載の超音波測距装置からの信号の評価処理
    方法。 ５ 測定ヘツドの補正された位置XAとして、次
    式 XA＝XG・TFX＋XV＋XL＋XO で表わされる量を出力する特許請求の範囲第１項
    から第４項までのいずれか１項に記載の超音波測
    距装置からの信号の評価処理方法。 ６ ステツプ(c)に続いてステツプ(b)と同様のパル
    ス計数を行い、そして３つの計数期間で得られる
    計数器状態から、式 Ao＝２・Vo−Vo-1／（NTo＋NTo-1）Δt に基づき測定ヘツドの加速度を算出するようにし
    た特許請求の範囲第１項から第５項までのいずれ
    か１項に記載の超音波測距装置からの信号の評価
    処理方法。 ７ 磁歪性の導体を用い、該導体に沿つて永久磁
    石を有する測定ヘツドを変位可能に設けると共に
    該導体を介してトリガ・パルスを送り、該トリ
    ガ・パルスでフリツプ・フロツプをセツトすると
    共に前記永久磁石でエコーパルスを発生し、該エ
    コーパルスで前記フリツプ・フロツプをリセツト
    し且つ該エコーパルスを測距装置に設けられてい
    る位置固定の受信器で受信し、１つの信号経過時
    間（以後走行時間パルスと称する）内に、すなわ
    ち各トリガ・パルスと受信エコーパルスとの間の
    時間内に、前記永久磁石と位置固定の基準点との
    間の距離区間の尺度として、測距発振器の発生す
    るパルスを測距計数器で計数する形式の、超音波
    測距装置からの信号の処理評価するための装置に
    おいて、測距発振器２０に接続された測距計数器
    ２２および時間発振器２６に接続された時間計数
    器３０から成る計数器群と、測距発振器２０に接
    続された別の測距計数器２４および時間発振器２
    ６に接続された別の時間計数器２８から成る別の
    計数器群とを有し、また測距装置１２に接続され
    且つトリガ・パルスおよびエコーパルスによつて
    制御される計数器切換論理回路３２を有して、こ
    の回路３２は各走行時間パルス毎に１つの計数器
    群を作動接続し、関連のエコーパルスで該群の測
    距計数器を停止し、次続のトリガ・パルスで該群
    の時間計数器を停止し、同時に他の計数器群を作
    動接続するようになつており、さらに、前記計数
    器切換論理回路３２および前記計数器群に接続さ
    れた計算機４０を有し、この計算機４０が、前記
    トリガ・パルスを発生し、前記計数器切換論理回
    路３２を制御し、且つ計数器状態を評価すること
    を特徴とする超音波測距装置からの信号を評価処
    理するための装置。 ８ 計数器切換論理回路３２に、インターフエー
    ス３６を介して計算機４０と共に接続されて、該
    計算機４０に、測定データを既に保持している計
    数器群の状態情報を供給する制御論理回路３４を
    備えている特許請求の範囲第７項記載の超音波測
    定装置からの信号を評価処理する装置。 ９ 制御論理回路３４に加えて、評価処理を待期
    している測定データが在る場合に、計算機４０に
    おけるプログラムの実行を中断するための割込論
    理回路４６を設けた特許請求の範囲第８項記載の
    超音波測距装置からの信号を評価処理する装置。
JP57189363A 1981-10-30 1982-10-29 超音波測距装置からの信号の評価処理方法および装置 Granted JPS5885104A (ja)

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