Mechanisch -elektrisches Kurvenabtastsystem Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mechanisch-elektrisches Kurvenabtastsystem, umfas send einen Fühler mit einem Tastorgan, dessen Trä ger unter Einwirkung eines servomotorischen An triebssystems bewegt wird, wobei der Fühler eine Fehlerspannung zur Steuerung des Antriebssystems erzeugt, wenn sein an einer Schablonenkurve anlie gendes Tastorgan aus einer Sollage ausgelenkt wird.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein solches System so zu verbessern, dass es in der Lage ist, beliebig verlaufende, auch geschlossene Kurven ab zutasten, und zwar ohne prinzipiellen Nachlauffehler.
Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäss vorge sehen, dass der Träger des Fühlers unter der Wir kung von zwei zugeordneten, servomotorischen An triebssystemen in zwei Koordinatenrichtungen ver schiebbar sowie unter Wirkung eines servomotori- schen Drehsystems um eine zur gemeinsamen Ebene der Koordinatenrichtungen senkrechte Welle dreh bar ist, deren Achse mindestens annähernd im Berüh rungspunkt des Tastorgans mit der Schablonenkurve die Verschiebungsebene durchsticht, wobei der ge nannte Träger auch einen zweiten Fühler trägt,
des sen Tastorgan neben dem ersten Tastorgan an der Schablonenkurve anliegt und dieser Fühler bei Rich tungsänderungen der Schablonenkurve relativ zur resultierenden Vorschubbewegung des Fühlerträgers eine Fehlerspannung zur Steuerung des servomoto- rischen Drehsystems für die Trägerwelle erzeugt, von welcher auch ein trigonometrischer Rechner angetrie ben wird, der eine die lineare Vorschubgeschwindig keit bestimmende, einstellbare Eingangsspannung V und die Fehlerspannung f des ersten Fühlers in Be- wegungsgrössen Bx = V cos a + f sin a By = -V sin a + f cos a in Funktion des momentanen Winkels zwischen der Kurvenrichtung und einer Bezugsrichtung umrech net,
welche Bewegungsgrössen den servomotorischen Antriebssystemen als Steuerspannungen zugeleitet werden.
Die Zeichnung dient zur Erläuterung des Erfin dungsgedankens und der Möglichkeit zu dessen prak tischer Realisierung.
Es zeigen Fig. 1-3 eine Fühleranordnung im Längsschnitt (Fig. 1), im Querschnitt (Fig. 2) nach der Linie II¼II von Fig. 1 und im Grundriss (Fig. 3) nach der Linie III¼III von Fig. 1 ; Fig. 4 eine Schaltungsanordnung für die Gewin nung einer Fehlerspannung f, bzw. für die mit Hilfe eines Fühlers nach den Fig. 1-3 ; Fig. 5 verschiedene mögliche Lagen der beweg lichen Tastorgane einer Fühleranordnung nach den Fig. 1-3 längs einer abgewinkelten Schablonenfläche ; Fig. 6 eine Variante zu Fig. 5 ; Fig. 7 eine weitere Variante zu Fig. 5 ; Fig. 8 eine Kurvenlinie mit Fühler F und aus gelenktem Tastorgan F' in einem XY-Feld zur Ab leitung der Bestimmungsgleichungen für die Bewe gungskomponenten des Tastorganes ; Fig. 9 eine schematisch gezeichnete Ausführungs form eines vollständigen Kurvenabtastsystems.
Gemäss den Fig. 1-3 ist in einer Schlittenplatte 1, welche vorzugsweise als in zwei Koordinatenrich tungen XY unabhängig voneinander verschiebbarer Kreuzkopfschlitten ausgebildet ist, eine zur Ebene der beiden Verschiebungsrichtungen X, Y senkrechte Welle 2 gelagert, die durch ein in diesen Figuren nicht dargestelltes servomotorisches Drehsystem ver dreht werden kann.
Die Welle 2 trägt in drehfester Verbindung un ter der Schlittenplatte 1 eine Fühler-Trägerplatte 3, an welcher zwei Fühlergehäuse 41, 42 befestigt sind. In zwei an der Trägerplatte 3 befestigten, vertikalen Schenkelplatten 31, 32 sitzt eine senkrecht zur Achse der Welle 2 orientierte, diese schneidende Lager welle 30, auf welcher zwei winkelförmig ausgebildete Tastorgane 51, 52 drehbar gelagert sind.
Die beiden nebeneinander liegenden Vertikal schenkel der winkelförmigen Tastorgane 51, 52 lie gen unter Federkraft an einer Schablonenfläche 50 einer Schablonenplatte 5 an, welche Schablonenplatte 5 in einer zu X-Y-Verschiebungsebene der Schlit tenplatte 1 parallelen Ebene feststehend montiert ist. Die anderen Enden der winkelförmigen Tastorgane 51, 52 wirken verschiebend auf Verstellstifte 61, 62 von an sich bekannten mechanisch-induktiven Wand lern in den Gehäusen 41, 42 ein. Jeder dieser Ver stellstifte trägt einen aus ferromagnetischem Mate rial bestehenden Plattenanker 63, der im Luftspalt zwischen zwei ferromagnetischen Haubenkörpern 64, 65 auf und ab beweglich ist.
In den Haubenkörpern 64 bzw. 65 sind Spulenwicklungen 66 bzw. 67 un tergebracht, die gemäss Fig. 4 mit einer eine Mittel anzapfung aufweisenden Sekundärwicklung 72 eines Übertragers 70 verbunden sind, dessen Primarwick lung 71 an einen Wechselstromgenerator 8 ange schlossen ist.
Die Induktivitäten der Spulen 66 und 67 bilden also zusammen mit den beiden Teilinduktivitäten der Wicklung 72 eine Wechselspannungsbrücke, deren Ausgangsspannung an den Verstärker 9 geführt wird, um von diesem verstärkt zu werden.
Wenn die Ankerplatte 63 der Wandlersysteme symmetrisch im Luftspalt zwischen den zugeordneten Haubenkörpern 64, 65 liegt, sind die Induktivitäten der Spulen 66, 67 gleich, so dass die Brückenschal tung von Fig. 4 abgeglichen ist und dem Verstärker 9 keine Spannung zugeführt wird. Wenn aber unter Wirkung einer Drehung einer der Tastorgane 51, 52 um die Lagerwelle 30 einer der Verstellstifte 61, 62 relativ zum Fühlergehäuse 41, 42 aus der gezeich neten mittleren Sollage ausgelenkt wird, so nimmt die Induktivität einer der Spulen 66, 67 zu (Ver- engerung ihres Arbeitsluftspaltes), während die an dere dieser Induktivitäten kleiner wird (Vergrösse- rung ihres Arbeitsluftspaltes).
Damit wird die Brük- kenschaltung nach Fig. 4 entsprechend verstimmt, und es entsteht am Brückenausgang eine Fehler spannung, die im Verstärker 9 zu einem Fehler signal f bzw.<I>f a</I> verstärkt wird. Es soll noch bemerkt werden, dass in den Fig. 1-3 die Rückstellfedern zur Erzwingung des Anliegens der Tastwinkel 51, 52 an der Schablonenfläche 50 zwecks Vereinfachung der Zeichnung nicht eingezeichnet sind. Weiterhin soll noch bemerkt werden, dass solche mechanisch-elek trische Fühler an sich in mancherlei Varianten, z. B.
auch als Differentialkondensatoren oder als Differen tialpotentiometer bekannt sind, die alle ohne Schwie rigkeiten an Stelle der Spulen 66, 67 in eine Brük- kenschaltung nach Fig. 4 eingeschaltet werden können. Im folgenden sollen solche Fühlereinheiten, die irgendwelcher Art sein können, als Ganzes mit F bzw. Fa bezeichnet werden. Sie umfassen stets ein verschiebbares oder verdrehbares Tastorgan F' bzw. F'a und ein elektrisches Differentialwandlersystem.
Es ist nun wesentlich, dass an einem Träger 3, der in zwei Koordinatenrichtungen verschiebbar ist, stets mindestens zwei Fühler mit Tastorganen F', F'a festsitzen, und dass dieser gemeinsame Träger 3 um die Achse einer Welle 2 drehbar ist, welche die X-, Y-Ebene senkrecht schneidet und annähernd durch den Berührungspunkt des einen Tastorganes F' mit der Kurvenfläche 50 verläuft.
Grundsätzlich wird nun der Träger 3 gegenüber der Schablonenplatte 5 so verschoben, dass das Tast organ F'a voraus und das Tastorgan F' hinterher der Schablonenfläche 50 entlang bewegt werden. Die Vorschubbewegungen V setzen sich dabei gemäss Fig. 5 je aus den Vorschubkomponenten Vx = Vcos a und Vy = ¼Vsin a in den beiden Bewegungsrich tungen X und Y des Fühlersystems zusammen, wenn mit V die gewünschte Vorschubbewegung längs der Schablonenfläche 50 und mit a der Winkel zwischen der Vorschubbewegung V und der positiven X-Achse bezeichnet wird (siehe Fig. 5). Vorläufig sei ange nommen, dass diese Voraussetzungen fehlerfrei ein gehalten seien, solange die Schablonenfläche ihre Richtung im X-, Y-Feld nicht ändert. In Fig. 5 sind nun auch zwei Richtungsänderungen der Schablonen fläche eingezeichnet.
Wenn das vorausgehende Tast organ F'a an der ersten dieser Abbiegungen an kommt, wird es, weil es an der Kurve 50 unter Federkraft anliegt, nach rechts in bezug auf die vor herige Vorschubbewegung V2 abgelenkt. Dadurch wird im zugeordneten Fühler Fa eine Fehlerspan nung f a erzeugt, welche in später genauer zu be schreibender Weise einem servomotorischen Dreh system für die Trägerwelle 2 des Fühlersystems 3 als Steuerspannung zugeführt wird. Vorläufig soll nur bemerkt werden, dass unter der Wirkung dieser Fehlerspannung fa das an der Trägerplatte 3 befe stigte System mit den Fühlern F und Fa eine Drehung in Richtung des Pfeiles Va, um die Achse der Welle 2 ausführt, welche eine Verminderung der Fehler spannung f a bewirkt.
Die Vorschubrichtung wird da durch entsprechend mitgedreht.
So bewegt sich also in Fig. 5 das Fühlersystem mit den Fühlerorganen F' und F'a mit dem Vor schubvektor V 1 längs der Schablonenfläche 50, wo bei die Bewegungskomponenten die Grössen Vx1 = V1 ³ cos a und Vy1 = -V1 ³ sin a haben.
Wenn das Tastorgan F'a in der Biegung der Schablonenfläche nach rechts ankommt, wird es nach rechts abgelenkt und die im Fühler Fa erzeugte Feh lerspannung fal veranlasst eine Drehung des Systems und des Vorschubvektors V2 im Sinne des Pfeiles Vag.
Wenn nachher das Tastorgan F'a an der Bie gung der Schablonenfläche nach oben (nach links) ankommt, wird es nach links ausgelenkt, und die ent sprechende Fehlerspannung Fa2 aus dem Fühler Fa bewirkt eine Drehung des Fühlersystems und des Vorschubvektors V3 im Sinne des Pfeiles Va3, so dass nachher die Lage der Tastorgane F' und F'a am Bewegungsvektor V,4 entsteht.
Bei einer Anord nung nach den Fig. 1-3 und 5 ist es notwendig, dass einspringende Winkelflächen der Schablonenfläche in einem Kreisradius ineinander übergehen, der etwa von der Grössenordnung der Distanz zwischen den Achsen der beiden Tastorgane F' und F'a ist.
Dies ist bei der Variante nach Fig. 6 nicht not wendig, weil dort das Tastorgan F'a unter 45 schräg zum Tastorgan F' angeordnet ist. Wenn es in einer Ecke anstösst, so erzeugt es im zugeordneten Mess- system eine Fehlerspannung<B>f a,</B> welche die Träger platte 3 um die Achse der Welle 2, welche durch den Berührungspunkt des Tastorgans F' an der Scha blonenfläche 50 geht, dreht.
Nach der Variante von Fig. 7 ist im System 3 neben der Drehwelle 2 eine weitere, dazu parallele Drehachse 53 vorgesehen, um welche ein dreischenk- liger Fühlerhebel 54 drehbar ist, welcher mit zwei Schenkeln beidseitig vom Tastorgan F' an der Steuer fläche 50 anliegt und mit seinem dritten Schenkel das Tastorgan F'a des Fühlers Fa betätigt. Ein System nach dieser Variante erlaubt, die Vorschub richtung beliebig umzukehren.
In Fig. 8 ist dargestellt, wie eine Korrektur der eingestellten Vorschubbewegung bei Auslenkung des Tastorgans F' aus der Sollage zustande kommt.
Zu diesem Zweck ist - in übertriebenem Masse -die Welle 2, die dem Sollort des Tastorgans F' und dem Istort des Fühlers F enspricht, um den Fehlervektor f neben der Schablonenfläche 50 ge zeichnet, während das Tastorgan F' der Schablonen fläche 50 voraussetzungsgemäss anliegt. Die Fehl lage der Welle 2 hat also die Komponenten f x = f sin a und fy = f cos a.
Da anderseits sich das Fühlersystem entlang der Tangentenrichtung, d. h. in Richtung des Geschwin digkeitsvektors V bewegen sollte, wozu in der näch sten Zeiteinheit dem Fühlersystem die Bewegungs komponenten
EMI0003.0005
Vx <SEP> = <SEP> V <SEP> cos <SEP> a <SEP> und
<tb> Vy <SEP> = <SEP> V <SEP> sin <SEP> a erteilt werden müssen, ergeben sich für die Kompo nenten Bx und By der Bewegungsgrösse B, der das Fühlersystem folgen muss, folgende Bedingungen
EMI0003.0006
Bx <SEP> = <SEP> V <SEP> cos <SEP> a <SEP> + <SEP> f <SEP> sin <SEP> a
<tb> By <SEP> = <SEP> V <SEP> sin <SEP> a <SEP> + <SEP> f <SEP> cos <SEP> a In Fig. 9 ist halbschematisch ein vollständiges Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Kur- venabtastsystemes dargestellt.
Der an der Drehwelle 2 befestigte, im Kreuzkopfschlitten 1 drehbar gela gerte Träger 3 für die Fühler F und Fa kann da durch in an sich bekannter Weise in beiden zur Achse der Welle 2 und zueinander senkrechten Koor dinatenrichtungen X und Y verschoben werden, dass er durch eine Leitspindel 10 x in der X-Richtung innerhalb eines weiteren, nicht gezeichneten Schlittens verschoben wird, welcher zweite Schlitten in einer ihm zugeordneten Führungsbahn in der Y-Richtung mittels einer Leitspindel 10y verschiebbar ist. Den Leitspindeln 10x und 10y sowie der Drehwelle 2 sind je tachometrisch gegengekoppelte Antriebs- Systeme mit den Servomotoren My, Mx, Ma und den auf denselben Wellen sitzenden Tachometergenera toren Gx.
Gy, Ga sowie den Steuerverstärkern 9x, 9y, 9a zugeordnet. Auf der Welle 2 sitzt weiterhin ein an sich bekannter trigonometrischer Rechner R mit den Eingangsklemmen e1, e2 und den Ausgangs klemmen a1, a2. Er verknüpft die ihm an den Ein gangsklemmen zugeführten Wechselspannungen zu folgenden Ausgangswechselspannungen an den Aus gangsklemmen
EMI0003.0013
Ua1 <SEP> = <SEP> Ue1 <SEP> cos <SEP> a <SEP> + <SEP> Ue2 <SEP> sin <SEP> a
<tb> Ua2 <SEP> = <SEP> ¼Ue1 <SEP> sin <SEP> a <SEP> + <SEP> Ue2 <SEP> cos <SEP> a An die Eingangsklemme e1 des Rechners R wird eine aus einem Wechselspannungsgenerator 8 ge wonnene, an einem Potentiometer 11 auf einen ge wünschten Amplitudenwert V einstellbare Wechsel spannung angelegt,
und an der Eingangsklemme e2 des Rechners liegt die aus dem Fühler F bei Aus lenkung seines Fühlerorgans F' gelieferte Fehlerspan nung f.
Demgemäss hat die Steuerspannung Bx für den Verstärker 9x ohne Berücksichtigung der Gegen kopplungsspannung x den Wert Bx = V - cos a + f sin a und die Steuerspannung By für den Verstärker 9y hat ohne Berücksichtigung der Gegenkopplungs spannung y den Wert By = V sin a + f cos a.
d. h. diese Steuerspannungen entsprechen den oben aufgestellten Bedingungen für die Bewegungskompo nenten des Schlittens 3. Am Eingang des Steuer verstärkers 9a liegt die Fehlerspannung fa aus dem Fühler Fa und die Gegenkopplungsspannung a aus dem Generator Ga.
Während einer Drehbewegung y der Welle 2, d. h. wenn das Fühlersystem F, Fa an einer Biegung der Schablonenfläche 50 lanliegt, kann am Potentio- meter 11 die eingestellte tangentiale Vorschub geschwindigkeit bestimmende Eingangsspannung V des Rechners dadurch reduziert werden, dass die Wechselspannung a aus dem Tachometer-Generator f a in einem Gleichrichter 13 gleichgerichtet und die gleichgerichtete Spannung a in einem Modulator 12 phasengerecht mit der Ausgangsspannung des Wech- selspannungsgenerators 8 moduliert wird,
wobei die Wechselspannung V (ä) entsteht, die von der Aus gangsspannung des Generators 8 subtrahiert wird.
Die Wechselspannung ä am Ausgang des Tacho- metergenerators Ga oder ein Teil davon kann mit Vorteil auch zur Fehlerspannung f addiert werden. Es kann dadurch erreicht werden, dass beim Drehen des Trägers 3 eine entsprechende Korrektur der Vor schubrichtung erfolgt, ohne dass zuerst das Tastorgan F' eine Fehllage einnehmen muss. Kurvenabtastsystem der beschriebenen Art ge statten es, beliebig verlaufende Schablonenflächen auch geschlossener Form mit gewünschter Vorschub geschwindigkeit praktisch ohne Nachlauffehler abzu tasten.
Selbstverständlich können mit Hilfe bekannter Fernübertragungssysteme die Drehstellungen der Wellen 2, 10x und 10y fortlaufend zur entsprechen den Steuerung der Bewegung eines spanabhebenden Werkzeuges, eines Schweissbrenners oder irgend eines anderen Organs benützt werden.