Photoelektrische Abtasteinrichtung für die Steuerung von Bearbeitungsmaschinen nach einem vorgegebenen Linienzug Häufig besteht (die Aufgabe, leinen Gegenstand, z. B. ,das Werkzeug einer Bearbeitungsmaschine, ent lang einem vorgegebenen Linienzug zu steuern.
Diese Aufgabe ist schon auf verschiedene Weise :gelöst worden. Fast -allen :bekannten Anordnungen ist ,ein photoelektrischer Abbastkopf ,gemeinsam, der eine Photozelle, ein Linsensystem und meist ein Schwing system enthält, durch das sich ein grösseres Auf lösungsvermögen als bei statisch arbeitenden Abtast systemen erreichen lässt.
In vielen Fällen besteht ,das Schwingsystem .:aus ,einem periodisch schwingen- ,den Spiegel. Der Abtastkopf wird mit konstanter Geschwindigkeit relativ zu ,einer den Linienzug ent haltenden Ebene ,bewegt. Meist ist er hierzu mecha nisch oder elektrisch mit dem Werkzeug so gekop pelt, dass seine Bewegung ein massstabgetreues. - ver kleinertes oder vergrössertes - Abbild der Bewegung dies Werkzeuges ist.
Auch sind ;schon Anlagen be kannt, bei .denen der Abtastkopf und das Werkzeug feststehen und das Werkstück relativ hierzu bewegt wird.
Sobald die Bewebgungsrichtung des Abtastkopfes geringfügig von dem vorgezeichneten Kurs abweicht, wird bei diesen Anlagen ein Steuerbefehl auf einen Stellmotor gegeben, der ,den Abastkopf um ,eine zu der Vorschubbewegung (senkrechte Achse verdreht.
Diese Rotationsbewegung des Abtastkopfes gibt die Bewegungsrichtung des Vorschubes an und ist für alle derartigen Nachführeinrichtungen charakteri stisch und wird entweder auf mechanischem oder elektrischem Wegei ausgewertet. Hierzu kann bei spielsweise mit dem Abtastkopf !der Anker eines bekannten Koordinatenzerlegers gekuppelt wenden, ,dessen Ankerwicklung mit einer Wechselspannung ,gespeist wird.
Der Ständer trägt zwei räumlich um 90 versletzte Wicklungen, mit deren. Ausgangsspan- nungen zwei Vorschubmotoren gesteuert werden, die zwei zueinander :senkrechten Bewegungsrichtungen zugeordnet sind und beispielsweise den Support des Werkzeuges und den damit gekuppelten Abtastkopf antreiben.
Eine andere Möglichkeit, mit Hilfe der Verdre hung des Abtastkopfes die Richtung ,des. Vorschubes zu steuern, besteht darin, mit dem Werkzeug ein Antriebsrad zu kuppeln, das -sich mit konstanter Geschwindigkeit ,dreht und .auf einer festen Bezugs ebene,abstützt, so dass :dadurch das Werkzeug relativ zu dieser Ebene bewegt wird. Das Antriebsrad ist dabei in einem Fuss gelagert, der .ausserdem - ähn lich wie Rolleneines Teewagens - um eine weitere Achse drehbar ,ist, die auf der Radachse meist senk recht steht.
Der Fuss ist jauch mit dem Abtastkopf gekuppelt, so dass seine Verschwenkung jeweils der ,des Abtastkopfeis entspricht.
Eine .derartige Anordnung ist -beispielsweise aus- führlich in der englischen Patentschrift Nr. 885 026 beischrieben.
Nach diesem Prinzip ,arbeiten :auch diejenigen Anordnungen, bei denen sich das Antriebsrad auf einer drehbar gelagerten Walze abstützt, deren Achse parallel zu der einen Bewegungskoordinate (x) ver- läuft. Diese Welle ist tauf feinem Support gelagert, der sich in der anderen Bewegungskoordinate (y-Rich- tung)
gegenüber der Zeichenebene bewegen kann und dessen Antriebsräder mit der Welle gekuppelt (sind. Der Abbastkopf selbst ist .auf dem Support so gelagert, @d.ass er sich relativ zu ihm in der x-Richtung bewegen kann.. Bei Drehung des Antriebsrades ,be wegt sich der Abtastkopf relativ zu der Welle des Supportes und dieser relativ zu der Zeichenebene, wobei die Bewegung ,
des Antriebsrades in zwei Kom ponenten zerlegt wird. Eine solche Einrichtung wurde auch schon mit einer Kugel an Stelle einer Welle gebaut.
Zur Erläuterung der Arbeitsweise des Abtastkop fes solcher Nachführeinrichtungen wird -auf Füg. 1 verwiesen. Die mit 1 bezeichnete Linie ;auf edier bei- spieIsweise feststehenden Zeichenebene Z schreibt den gewünschten Verlauf der Beweggong eines Werk zeuges, z. B. eines Schneidbrenners, vor. Über dieser Linie bewegt sich in Richtung ,der Linie 12 ider - hier nicht gezeichnete - Abtastkopf.
Das Linsensystem im Abtastkopf ist so ausgebil det, dass auf der Photozelle der gerade abgetastete Teil der Zeichenebene Z abgebildet wind, (der mit einen z. B. die Bewegungsrichtung ödes Abtastkopfes an zeigenden Lichtfleck beleuchtet wird. In dem Strah lengang dieser Abbildung liegt ein Schwingspiegel, ,der meist über ein mit der Netzspannung gespeistes Magnetsystem angetrieben wird, so dass er eine peri odische Bewegung, meist eine sinusfärmige Schwin gung, ausführt.
Wenn sich im Betrieb der Abtastkopf zusammen mit dem Werkzeug mit seiner konstanten Vorschubgeschwindigkeit relativ zu der Zeichenebene und dem zu ,bearbeitenden Werkstück entlang Ader Linie 12 bewegt, hat das Bild auf der Photozelle den mit 13 bezeichneten Verlauf. Dieses Bild kreuzt in (den Punkten Al, B1 und A2, B2 die Linie 1. Solange die tatsächliche, durch die Linie 12 wieder- .gegebene Bewegung des Abtastkopfes mit der ge wünschten - hier durch die Linie 1 dargestellten Bewegungsrichtung übereinstimmt, ist der Abstand der Schnittpunkte Al, B1 gleich dem Abstand A2, B2.
Der Abstand dieser Punkte wind jedoch umso geringer, je mehr die tatsächliche Bewegung von der gewünschten -abweicht. Die Richturig der Abweichung ist dabei ,durch die Lage dieser Punkte: in den Halbwellen der Schwingungen des Spiegels bzw. --der Halbwellen der Speisewechselspannung be stimmt.
Zur Illustration hierfür dient in Fig. 1 die Linie 11, ,deren Schnittpunkte mit dien Bild (der Photozelle (Linie 13) mit Cl und Dl bezeichnet sind.
An den Schnittpunkten der Linie 13 mit der Linie 1 bzw. 11 liefert die Photozelle zwei Impulse, nämlich beim Übergang hell/dunkel und ,dunkelhell. Falls das Steuerprogramm nicht (durch einen Linien- zug, sondern durch eine Kontur wiedergegeben ist, liefert diese Photozelle en jedem Schnittpunkt je weils nur einen Impuls,
nämlich beim Übergang hell /dunkel. Diese Impulse, die ein Mass für (die Ab weichung der tatsächlichen Bewegung von der <B>g</B>e wünschten :
sind, werden nach einer geeigneten Aus wertung und Verstärkung als Steilgrösse einem Stell glied, insbesondere einem Stellmotor, zugeführt, durch den der Abtastkopf so weit verdreht wird, dass die Schnittpunkte Al, Bi, A2, B2 wieder in die Nulldurchgänge des sinusförmigen Abbildes 13 oder Photozelle fallen, d. h. gleiche Abstände haben.
Sobald daher die tatsächliche, durch Linie 12 wiedergegebene Bewegung ,des Werkzeuges nur ge- ringfügig von der durch Linie 1 vorgeschriebenen abweicht, wird der Abtastkopf durch die dann auf tretende Regelabweichung so ,lange verdreht, bis der Neigungswinkel der Linie 12 wieder dem der Linie 1 entspricht und die Regelabweichung Null wird.
Alen erwähnten Steuereinrichtungen ist gemein sam, dass Ader die Photozelle, den Schwingspiegel und ,das Linsensystem .enthaltende Abtastkopf ,durch den Stellantrieb verschwenkt wird, wobei diese Ver- schwenkung ein Mass für die Abweichung des Werk- zeuges von dem gewünschten Kurs ist.
Nachteilig ist ,dabei die relativ grosse Masse, die die Regelbeschleu- nigung negativ beeinflusst. Ausserdem müssen die von der Photozelle gelieferten Signale über Schleif ringe aus dem Abtastkopf geführt werden.
Diese Nachteile lassen sich dadurch vermeiden, dass erfindungsgemäss ein optisches, zwischen Zei chenebene und .Photozelle liegendes Durchsichtsystem vorgesehen ist, das eine von zwei .aufeinander senk recht stehenden Dimensionen seitenverkehrt abbil det, von welchem wenigstens ein Teil durch den Stellmotor verschwenkt ward.
Hierzu eignet sich .in (besonderer Weise ein Um- kehrprisrna, wie es beispielsweise von Dove ange geben wurde. Es können aber auch z. B. ,aus drei gegeneinander versetzten Spiegeln oder ;Prismen be- stehende Anordnungen verwendet werden, wobei es genügt, :nur Teile seines solchen Systems :gegenüber den arideren zu verschwenken.
Zwischen das optische System und :die der Koor dinatenzerlegung dienenden Einrichtung wind zweck mässig ein Getriebe gelegt, Idas ein Übersetzungs verhältnis von 2 : 1 besitzt, da einer Verdrehung des optischen Systems um den Winkel a eine Verdrehung des Bildes um den Winkel 2a entspricht.
Dadurch wird erreicht, ;dass die Verdrehung,des mit dem Stell- motor gekuppelten Koordinatenzerlegers der tatsäch- hchen, durch das optische Systembewirkten Verdre- hung des Bildes entspricht.
Es hat sich ,als zweckmässig erwiesen, dem (die Linie 1 beleuchtenden Lichtfleck eine pfeilförmige Gestalt zu geben, die die jeweilige Bewegungsrich tung ,
des Vorschubes angibt. Man kann hierzu m Aden Strahlengang zwischen Lichtquelle und Zeichenebene eine Blende mit pfeilförmiger Öffnung legen und diese Blende mit dem Stellmotor über ein Getriebe kuppeln.
In Fig. 2 ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch der Aufbau einer Abtasteinrichtung darge stellt. Der Abtastkopf, der mechanisch .oder elektrisch, direkt oder über eine Übersetzung mit dem Support einer Biearbietungsmaschine gekuppelt sein kann, ist dort mit 2 bezeichnet und bewegt sich über der durch das Koordinatensystem x, y gebildeten Zeichenebene, in der die #a#bzutastende Kurve dargestellt und mit 1 bezeichnet ist. Der Abtastkopf enthält das optische System 21,
das um eine vertikale Achse @drehbar @ge- lagert und über Zahnräder 212 und 251 mit einen Steilantrieb 25 .gekupp.elt ist.
Das :optische System besteht hier beispielsweise aus einem Umkehrprisma 211 und weiteren, :nicht näher bezeichneten Linsen- systemen, die lediglich der Fokussierung dienen.
Der Abtastkopf enthält weiter einen Schwing spiegel 22, der über ein magnetisches Resonanz system 222 in periodische sinusförmige Schwingungen versetzt wird. Dem Schwingspiegel gegenüber ist eine Photozelle 23 .angeordnet, die hier mit einer der Auswertung der von ihr gelieferten Impulse die nenden Anordnung 27 zusammengefasst ist. Diesle Anordnung liefert über eine Verbindung 28 ein Stellsignal, durch das ein in dem Stellantrieb 25 befindlicher Stellmotor gesteuert wird.
Das Getriebe 25 enthält ausser dem Stellmotor ,einen elektrischen Koordinatenzerleger 253, dessen Ausgänge mit 261 und <B>262</B> bezeichnet sind:, :an die die Steuersätze der den beiden Bewegungskoordina- ten des Vorschubes der Bearbeitungsmaschine zuge ordneten Antriebsmotoren angeschlossen wer den können.
Der Koordinatenzerleger 253 sitzt z. B. mit .dem Zahnrad 251 auf der Welle 252 und wird von (dem Stellmotor angetrieben. Die Zahnräder 251 und 212 sind :so ausgelegt, dass einer Umdrehung das System 21 zwei Uridrehungen des Zahnrades 251 entspre chen.
Der Abstand .des Abtastkopfies 2 von der Zeichen ebene und die Abstände zwischen Odem optischen System 21, dem Schwingspiegel 22 und der Photo zelle 23 sind so gewählt, dass ,auf der Photozelle die Zeichenebene abgebildet wird.
Die Arbeitsweise der Anordnung nach Fig.2 ist nach den vorstehenden Erläuterungen, insbeson- dere im Zusammenhang mit Fig. 1 ohne weiteres verständlich: Sobald .der Abtastkopf 2 - angetrieben ,durch Aden Vorschub der Bearbeitungsmaschine von dem durch die Kurve 1 vorgeschriebenen Kurs abweicht, liefert die Einrichtung 27 über die Leitung 28 ein Steuersignal, durch das durch den Stell antrieb 25 das optische System 21 so lange verdreht wird,
bis die Photozelle - .bei stillstehendem Spiegel - wieder auf die Linie 1 abgebildet wird, d. h. dass die Kurven 1 und 12 in Fig. 1 wieder zusammenfal len.
Bei diesem Regelvorgang wird auch die Lage des Ankers des Koordinatenzerlegers 253 verändert, der u m einen Winkel verdreht wird, der doppelt so gross .ist wie der Verdrehungswinkel :des optischen Systems 21. Dabei werden die beiden der X- und Y-Richtung zugeordneten Antriebsmotoren des Vor schubes der Bearbeitungsmaschine mit den Span nungen der Ausgänge 261 und 262 gesteuert, so dass sich dieser Vorschub zusammen mit dem Abtast kopf 2 immer der vorgeschriebenen Kurve 1 entlang bewegt.