Durch Schrittschaltmotore gesteuerte Profilkopiervorrichtung Gegenstand vorliegender Erfindung ist eine durch Schrittschaltmotore gesteuerte Profilkopiervorrichtung.
Erfindungsgemäss besitzt besagte Vorrichtung einen Abtastkopf mit einem das zu kopierende Profil abtastenden Abtaster und Mittel zur Bestimmung der Komponenten der Abtasterbewegungen in mindestens zwei Richtungen, ferner Mittel zum Verwandeln der Abtastkopfbewegungen in einer jeden Richtung in eine einachsig gerichtete Bewegung sowie zur Bestimmung dieser letzteren, wobei ein Winkelstellungs- und Servo- generatormechanismus mit einem Koordinatenwandler zum Berechnen der Komponenten der Bewegungsge schwindigkeiten in den beiden genannten Richtungen mit Bezug auf die durch den Abtastkopf bestimmten Verschiebungen vorgesehen sind, sowie Impulsgenera toren veränderlicher Frequenz zum Erzeugen von Impulsen, deren Frequenz der durch den genannten Mechanismus berechneten Geschwindigkeiten ent spricht,
welche Impulse Schrittschaltmotore steuern, die sie mit der gewünschten Geschwindigkeit unter dem Einfluss der vom Generator abgegebenen Impulse in- Drehung versetzen.
Die anliegende Zeichnung zeigt Ausführungsbei spiele des Erfindungsgegenstandes und Schemata zu des sen Erklärung.
Die Fig. 1 ist ein Längsschnitt,durch den Abtastkopf mit Abtaster.
Die Fig.2 zeigt schematisch wie die Bewegungen des Abtasters in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen auf Differentialtransformatoren wirken.
Die Fig. 3 dient zur Erklärung der mathematischen Verhältnisse der Abtasterbewegungen.
Die Fig.4 ist eine der Fig.2 ähnliche Darstellung. Die Fig.5 -und 6 sind elektrische Schaltungs schema.
Die Fig.6 ist ein Schema der gesamten Vorrich tung.
Die Fig.7 ist ein Längsschnitt, welcher die Mon tage des Abtastkopfes mit Abtaster zeigt. Die Fig. 8 ist eine weitere Darstellung eines Sche mas wie dasjenige der vorangehenden Fig. 6.
Der Abtaster gemäss Fig. 1 besteht aus einem Ge häuse 1, aus welchem der eigentliche Abtaster 2 hin ausragt. Letzterer weist einen sphärischen Wulst 3 auf, welcher im entsprechenden Sitz 5 des genannten Ge häuses dreht. Der Abtaster kann somit um den Mittel punkt 6 nach allen Richtungen hin verschwenkt wer den. Der Sitz 5 ist derart ausgebildet, dass er im Ge häuse 1 axial verschiebbar ist, also lotrecht mit Bezug auf die Zeichnung. Eine Kugel 7 liegt ferner zwischen einem Sitz 4 des inneren freien Endes des Abtasters 2 und einem gegenüberliegenden Sitz B. Letzterer unter liegt dem Druck einer Feder 9 die ihn gegen die Kugel in Richtung des Abtasters drückt, derart dass der Ab taster 2 das Bestreben hat sich nach vorn zu bewegen.
Ein Axial-Differentialtransformator 10, mit einer Win dung 11 und einem Kern 12 liegt am Sitz 8 derart an, dass sich der Kern 12 axial mit diesem letzteren und somit mit dem Abtaster 2 bewegt. Durch Benützung eines derartigen Abtastkopfes ist es möglich, die der Z-Achse gemäss gerichtete Komponente einer beliebi gen Bewegung des Abtasters 2 mit Hilfe des Axial-Dif- ferentialtransformators 10 in eine Spannung umzuwan deln.
Die Lageveränderung e des Kernes 12, wenn eine Bewegung x, y, z in Richtung X, Y und Z vom Eich- punkt aus stattfindet ist
EMI0001.0011
Im vorliegenden Fall soll der Eichpunkt des Ab tastkopfes in einem Punkt liegen, welcher durch Heben des Abtasters 2 um das Eichmass e, über die darge stellte Ausgangslage festgesetzt wird. In diesem Punkt wird die Ausgabe des Differentialtransformators 10 gleich Mull gemacht.
Die Spannung dieses Transforma tors, die gleich ist der Differenz e-e, zwischen der Bewegungsgrösse e des Kernes 12 des Differential- transformators 10 vom Nullpunkt der Fig. 1 aus ge messen und des betreffenden Eichwertes a0 kann unmittelbar benützt werden.
Wie es die Fig.1 und 2 zeigen, fügt sich ein zwei ter radialer Differentialtransformator 13 in der X-Achse und ein dritter 14 in der Y-Achse hinzu. Diese beiden Achsen liegen senkrecht zueinander. So können einzeln die Bewegungen des Abtasters gemäss den Richtungen X und Y ermittelt werden.
Nun wird angenommen, dass der Abtaster 2 den äusseren Umfang eines Modellei MO mit gleichbleiben- der Tangentialgeschwindigkeit VTbeschreibt. Wird das Modell MO aus der Lage der Fig. 3 aus mit Bezug auf den Abtaster positiv bewegt, so geschieht dies in Rich tung des Radius am Kontaktpunkt des Modellei und des Abtasters (eine Richtung, die mit der X-Richtung einen Winkel 0 macht).
Soll eine Profilierung statt finden können indem das Modell MO mit dem Abta ster 2 in Berührung gehalten wird, so ist es nötig, dass eine normalgerichtete Geschwindigkeit VN dem Modell erteilt wird, die proportional ist dem Unterschied F-a0 zwischen der Verschiebung des Abtasters in normaler Richtung s und dem Eichwert so und dem Zeichen nach umgekehrt zum Wert 8-8". Mit anderen Worten gesagt, kann eine Profilierung einer erwünsch ten tangentialen Geschwindigkeit entsprechend dadurch stattfinden, dass man dem Modell MO die zusammen gesetzte Geschwindigkeit (V=VT+VN) aus der tangen tialen Geschwindigkeit VT und der normalen Geschwin digkeit VN erteilt.
Wird der Abtaster um einen Wert 8 aus seiner Ausgangslage hinaus (in Vollstrich dargestellt) in der X-Y Ebene der Fig. 4 bewegt, so sind die Komponen ten 8x der X-Achse und aY der Y-Achse gleich: EX=acos0 aY = 8 sin 0 Somit sind die Ausgabespannungen des Differen tialtransformators VDX der X-Achse und VDY der Y-Achse je proportional zu cose und sin0.
Um es zu gestatten, die das Profilieren mit kon stanter tangentialer Geschwindigkeit VT vorzunehmen und den Abtaster 2 mit dem Model MO in Fig. 3 in Berührung zu halten, ist es notwendig, dem Abtaster 2 eine Geschwindigkeit VN zu erteilen, die proportional ist dem Wert :der Abweichung 8-8o des Abtasters 2 und von entgegengesetzter Richtung.
Wenn der Anreisser des Anreisskopfes das Profil zeichnet, so sind die Komponenten VX in Richtung der X-Achse (Geschwindigkeit der Maschine in Richtung der X-Achse) und: VY in Richtung der Y-Achse (Ge schwindigkeit der Maschine in Richtung der Y-Achse) der Profilierungsgeschwindigkeit V gleich: VX=VTX+VNX VY = VTY + VNY worin:
VT = tangentiale Geschwindigkeit (konstant) VTX = X-gerichtete Komponente von VT VTY = Y-gerichtete Komponente von VT VN = normale Geschwindigkeit entgegengesetzt zu 8 VNX = X-gerichtete Komponente von VN VNY = Y-gerichtete Komponente von VN V = zu VT und VN entgegengesetzte zusammen- gesetzte Geschwindigkeit Da:
VTX = VT sm 0, VTY = VTY = VT cos 0 VNX = K (E-E0) cos VNY = K (E-80) sin worin VX = VT sin + K (E so) cos 0 (1) VY = VT cos + K (a-e0) sin 0 (2) Die Werte VX und VY werden aus den Gleichungen (1) und (2) erhalten und es werden die Pulsmotore der X-Achse und Y-Achse in Drehung versetzt.
Die oben bezeichneten Gleichungen werden augen blicklich durch den Koordinatenwandler der Fig. 4 und 5 berechnet. Die Fig.4 illustriert das Prinzip dieses Koordinatenwandlers.
Werden Wechselspannungen I1 = a sin 0 und 1, = 8 cos 0 dem Stator der Fig. 5 angelegt und weist der Rotor eine Ablenkung gleich dem Winkel ss dem Stator gegenüber auf, so sind .die ausgegebenen Spannungen 0<B>,</B> und 02 an den Rotor klemmen gleich: Ol = a sin 0 sin ss + a cos 0 cos ss = a cos (0-ss) (3) 02 = e sin 0 cos ss - e cos 0 sin ss = a sin (0 ss) (4) Die Gleichung (4) zeigt, dass der Rotor um einen Winkel 0 gedreht wird, bis die Klemmenspannung O konstant 0 bleibt.
Das Prinzip dieses Koordinatenwandlers benüt zend, benützt die Vorrichtung ein Servosystem, das einen Winkel mittels zwei Koordinatenwandlern R1 und R2 bestimmt, mit Hilfe eines Servoverstärkers SA, eines Servomotors SM und einer Zahnradübertragung G, zur Ausgabe eines Spannungssignals VY und VX in den obigen Gleichungen (1) und (2) entspricht.
Es werden namentlich wechselweise Spannungssignale durch die Differentialtransformer 13 und 14 aus VDX und VDY entnommen und in den Stator des Koordinatenwand- lers R1 der Fig. 4 gesandt, wobei die Ausgabe der Rotorseite durch den Servoverstärker SA verstärkt wird und der Rotor dies Koordinatenwandlers R2 vom Ser vomotor SM aus über die Zahnräder G in Drehung versetzt wird, bis die Ausgabe besagten Koordinaten wandl.ers konktant gleich 0 wird. Stehen die Drehwinkel der Rotore der Koordinatenwandler R1 und R2 im Ver hältnis 1:1, so ist es möglich, den Rotor des Koordina- tenwandlers R2 genau um den Winkel 0 zu drehen.
Anderenfalls werden ein Wechselspannungssignal ent sprechend der vorbestimmten tangentialen Gschwindig- keit VT und. ein Wechselspannungssignal K (a-a0) proportional der Verschiebung,des D-Achse Differential transformators 8-8o dem Stator des Koordinaten wandlers R2 übergeben. Hat der Rotor des Koordina- tenwandlers R2 um einen Winkel 0 gedreht, infolge des soeben geschilderten Vorganges,
so werden die Ausgaben der beiden Rotore VT cos 0 - K (e-e0) sin 0 = VY und VT sin O + K (e-e0) cos O = VX So erhält man die der X-Achse und Y-Achse entspre chenden Komponenten VX und VY der Schneidege schwindigkeit V des Profiles.
Nun soll die Ausführungsform des Erfindungsge genstandes gemäss Fig.6 beschrieben werden. M ist die Maschine, z. B. der Tisch einer Fräsmaschine, auf welcher das Werkstück W und das Modell MO befe stigt sind. Der Abtastkopf T ist über Arm A mit dem Schneidekopf C verbunden. Im dreidimensionalen rechteckigen Koordinatensystem der Achsen X, Y, Z kann die. Maschine in Richtung der X-Achse und, der Y-Achse mittels von an sich bekannten Schrittschaltmo toren PMX und PMY bewegt werden, und der Schnei dekopf T mit Schneidwerkzeug C in Richtung der Z-Achse durch den Schrittschaltmotor PMZ.
Im Beispiel der Fig. 6 soll das Modell in der Ebene X-Y über 360 profiliert werden. Durch die Schalttafel CP, der Kon- trollstromkreis CD, der Impulsgenerator VOSC 3 ver- änderlicher Frequenz, einem Ausgabetor G und einer Antriebseinheit PMD eines Schrittschaltmotors wird ein gewünschter Schrittschaltmotor, z. B. der X-Achse Schrittschaltmotor PMX in negativer Richtung so in Drehung versetzt, dass die Maschine M in negativer Richtung der X-Achse (nach links in Fig. 6) bewegt wird, so dass der Anreisser 2 des Anreisskopfes T mit dem Modell MO in Berührung kommt und in der X-Y-Ebene bewegt wird.
Die Komponenten dieser Bewegung in, Richtung der X-Achse und der Y-Achse werden in Amplituden ex und eY der durch die Differen tialtransformatoren 13 und 14 ausgegebenen Wechsel stromspannungen umgewandelt und wirken auf den winkligen Servo-Generator, bestehend aus dem Koor- dinatenwandler R1, dem Servomotor SM und dem Koordinatenwandler R. über die Verstärker AMX bzw. AMY.
Andererseits wird eine Bewegung des An- reissers 2 in Richtung der D-Achse e-e0 durch den D-Achse Differentialtransformator 10 festgestellt und mittels Verstärker AMD verstärkt und es wird eine Wechselspannung K (e-e0) proportional zu dieser Bewegung dem Stator des Koordiantenwandlers R. zugeführt. Ferner wird ein Wechselstromspannungssi gnal, welches der vorbeschriebenen tangentialen Ge schwindigkeit VT entspricht, an den Stator des Koordi- natenwandlers R. gelegt, so dass die X und Y gerich teten Komponenten VX und VY der Profilierungsge schwindigkeit V aus ex und eY, K (e-e0) und VT berechnet werden kann.
Die VX und, VY Komponenten der Profilierungs geschwindigkeit V werden durch die Gleichrichtschal- tungen RE, bzw. RE, gleichgerichtet und die Genera toren VOSC 1 und VOSC 2 zur Abgabe von Impulsen veränderlicher Frequenz senden proportional zu V- und VY bemessene Impulse aus, die .den gewünschten Schrittschaltmotor antreiben, z. B. Schrittschaltmotor PMX und PMY in der erwünschten Drehrichtung über die Tore G, die selbst unter der Kontrolle der Detek torschaltungen PH, und PH, liegen, d. h. in derjeni gen Richtung dank welcher die Verschiebung von 2 in der D-Achse Richtung gleich Null wird.
Wie Fig. 7 zeigt, besitzt der Sitz 5 des Kopfes T den Z-Achse Differentialtransformator 15, wodurch es möglich wird, die Verschiebung von 2 in Richtung der Z-Achse für sich festzustellen, so dass eine dreidimensio- nale Profilierung vorgenommen werden kann. Wird die Spitze des Abtasters 2 des Kopfes der Fig. 7 gleichzei tig in der X -Y Ebene und in Richtung er Z-Achse be wegt, so ist die Verschiebung des D-Achse Differential transformers 10 wie oben angegeben:
EMI0003.0025
und die Ausgabe dieses D-Achse Differentialtransformers entspricht dieser Verschiebung. Eine dreidimensionale Profilierung kann dadurch erhalten werden, dass man die Profilierung in der Z-Achse Richtung derart vor nimmt, dass z in der obigen Gleichung gleich null ge macht wird, wobei man gleichzeitig die Z-Achse Profilie rung kontrolliert und diejenigen in der X-Y Ebene über 360 .
Der Z-Achse Differentialtransformator 15 ist so vor eingestellt, dass die der Differenz z-z0 zwischen dem Ausgangswert z0 und der momentanen Verschiebung z in der Z-Achse entsprechende Ausgabe verfügbar ist und ein genügend kleiner Wert als z0 gewählt wird, so dass der Z-Achse Schrittschaltmotor PMZ über Pulsgenerator VOSC4 so in Drehung versetzt wird, dass er Impulse ausgibt, die proportional der Spannung z-z0 in der Richtung wo, z-z0 = 0 wird.
Ist eine derartige Kontrolle vollendet, so ist die Verschiebung des D-Achse Differentialtransformatores gleich
EMI0003.0031
und es sind die Bedingungen für eine dreidimensionale Profilierung erfüllt, wenn man
EMI0003.0034
in den folgenden Formeln einsetzt, die den Bedingun gen für das zweidimensionale Profilieren entsprechen:
EMI0003.0035
in welcher Vx die Antriebsgeschwindigkeit in der X-Achse Richtung isst, Vy in der Y-Achse und
EMI0003.0036
Macht man z0 genügend klein in den erhaltenen Formeln, so kann die dreidimensionale Profilierung vorgenommen werden, indem gleichzeitig zweidimen sional profiliert wird.
Die Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Erfin dungsgegenstandes für die dreidimensionale Profilie rung. Findet eine Verschiebung in der Z-Achse Richtung beim Profilieren in der X-Y Ebene, so ermittelt der Z-Achse Differentialtransformator 15 ein Spannungssi gnal das proportional ist der Differenz z-z0 zwischen der Verschiebung z in Richtung der Z-Achse und dem Ausgangswert zay und wird über Verstärker AMZ und Gleichrichterschaltung RE, dem ImpulsgeneratorVOSC4 veränderlicher Frequenz zugeführt.
Der Impulsgenerator VOSC4 gibt Impulse aus, deren Frequenz proportional ist der erhaltenen Spannung und setzt den Schrittschalt- motor PMZ über Tor G in der gewünschten Richtung in Bewegung und die Schrittschaltmotor-Antriebsein heit PMDX so, dass,der Abtaster in derjenigen Richt- tung bewegt wird, in welcher 7--z, in der Z-Achse Rich tung gleich Null wird.
Wie oben beschrieben wurde, werden die Kompo nenten der Geschwindigkeit in den Antriebsrichtungen mittels eines einfachen, die Winkelstellung gebenden Servo- und Funktionsgenerator berechnet, welcher einen Koordinatenwandler einbegreift und es wird der der Bewegungsrichtung entsprechende Schrittschaltmo tor durch einen Pulsgenerator veränderlicher Frequenz angetrieben, :derart, dass die zweidimensionale Profilie- rung durch sehr einfache Kontrollmittel vorgenommen werden kann.
Der Abtastkopf der Kontrollvorrichtung weist auch Mittel auf, um die Verschiebung in Rich- tung der Z-Achse (Profilierungsachse) zu bestimmen, so dass es auch möglich ist, in Richtung der Z-Achse zu profilieren, z. B. durch Kontrolle des Profiles in der X-Y Ebene.