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Gerät zum Abtasten ebener Kurven Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein Gerät zum Abtasten ebener Kurven mit vorgegebener Tangentialgeschwindigkeit
unter Verwendung eines in zwei Koordinatenrichtungen servomotorisch verschiebbaren
und durch ein Servo-Schwenksystem um eine zur Kurvenebene senkrechte Achse schwenkbaren
Tastkopfes mit Vorzugsorientierung in der Kurvenebene, wobei der Tastkopf eine das
Servo-Schwenksystem steuernde elektrische Fehlerspannung in Funktion der momentanen
Fehlorientierung des Tastkopfes zur Kurventangente erzeugt, während eine die vorgegebene
Tangential-Vorschubgeschwindigkeit bestimmende elektrische Spannung durch ein von
der Schwenkachse des Tastkopfes verstelltes Rechenorgan in zwei die Koordinatenverschiebung
steuernde Vorschubkomponenten zerlegt wird.
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Ein bekanntes Gerät dieser Art ist dazu bestimmt, gezeichnete Funktionskurven
abzutasten, und arbeitet mit zwei Lichtpunkten, die im Abstand der Kurvenliniendicke
beiderseits der Kurvenlinie auf deren Ränder projiziert werden und von einer Fotozelle
beobachtet werden, welche in Funktion einer sich infolge fehlerhafter Orientierung
des Tastkopfes beim Vorschub in dieser fehlerhaften Richtung ergebenden Seitwärtsverschiebung
der Tastkopfachse neben die Kurvenlinienmitte eine elektrische Fehlerspannung zur
Korrekturverschwenkung des Tastkopfes erzeugt. Ein derartiges nur die Vorschubrichtung
steuerndes, nicht aber auch die momentanen Seitenabweichungen des Tastkopfzentrums
von der abzutastenden Kurvenlinie berücksichtigendes Gerät ist weder in der Lage,
ohne prinzipiellen Nachlauffehler der Kurve zu folgen, noch beispielsweise scharfe
Knicke im Kurvenverlauf zu überwinden.
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Auch ein anderes bekanntes Kurvenabtastgerät ähnlicher Art, bei dem
die Vorzugsrichtung des drehbaren Tastkopfes bzw. die Verbindungslinie der beiden
Lichtpunkte in Richtung der Kurventangente verläuft, vermag in dieser Hinsicht den
Anforderungen an eine fehlerfrei genaue Kurvenabtastung nicht zu genügen. Die vorliegende
Erfindung schafft aber die Voraussetzungen zu wesentlichen Verbesserungen in dieser
Hinsicht.
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Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß derTastkopf einen
an sich bekannten elektromagnetischen Differentialfühler umfaßt, dessen Taster unter
Federkraft im Durchstichpunkt der Tastkopfdrehwelle durch die Kurvenebene der Steuerfläche
einer ebenen Schablonenplatte anliegt, während der Taster eines zweiten auf dem
Tastkopf montierten gleichartigen Differentialfühlers vor oder hinter dem ersten
Taster der Steuerfläche anliegt, wobei die Fehlerspannung des zweiten Fühlers die
Schwenkbewegung des Tastkopfes steuert und die Fehlerspannung des ersten Fühlers
zusammen mit der Vorschubspannung durch einen trigonometrischen Rechner in die beiden
Vorschubkomponenten dy= f sina-V-cosa und d x = f cos a -1-- V - sin a zerlegt
wird.
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Mit besonderem Vorteil wird der Nachlauffehler des ersten Fühlers
bei schnellen Drehungen des Tastkopfes um seine Achse kompensiert, indem die Spannung
eines auf der Drehwelle des Tastkopfes befindlichen Tachometergenerators zur Fehlerspannung
am Eingang des trigonometrischen Rechners addiert wird.
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Weiterhin mag es vorteilhaft sein, die Vorschubspannung im Maße der
Drehgeschwindigkeit der Tastkopfdrehwelle zu verringern.
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Durch diese zusätzlichen Maßnahmen ist es möglich, die erforderliche
Abtastgenauigkeit auch bei scharfwinkligen Richtungsänderungen der Kurve noch zu
gewährleisten.
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Die Zeichnung dient zur Erläuterung des Erfindungsgedankens und der
Möglichkeiten zu dessen praktischer Realisierung. Es zeigen Fig.1 bis 3 einen Abtastkopf
im Längsschnitt (Fig.1), im Querschnitt (Fig. 2) und im Grundriß (Fig. 3) nach der
Linie III-III von Fig. 1, Fig.4 eine Schaltungsanordnung für die Gewinnung einer
Fehlerspannung mit Hilfe eines Abtastkopfes nach den Fig. 1 bis 3, Fig.5 verschiedene
Lagen der Taster eines Abtastkopfes nach den Fig. 1 bis 3 längs der Steuerfläche
einer Schablonenplatte, Fig. 6 und ? Abwandlungen zur Fig. 5, Fig. 8 eine Kurvenlinie
mit Fühler in einer X-Y-Ebene
zur Ableitung der Bestimmungsgleichungen
für die Bewegungskomponenten des Fühlers und Fig. 9 eine schematisch gezeichnete
Ausführungsform eines vollständigen Kurvenabtastsystems.
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Nach den Fig. 1 bis 3 ist in einer Schlittenplatte 1, welche vorzugsweise
als in zwei KoordinatenrichtungenX, Y unabhängig voneinander verschiebbarer Kreuzkopfschlitten
ausgebildet ist, eine zur Ebene der beiden Verschiebungsrichtungen X, Y senkrechte
Drehwelle 2 gelagert, die durch ein nicht dargestelltes servomotorisches Drehsystem
verdreht wird.
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Die Welle 2 trägt in drehfester Verbindung unter der Schlittenplatte
1 eine Fühler-Trägerplatte 3, an welcher zwei Fühlergehäuse 41, 42 befestigt sind.
In zwei an der Trägerplatte 3 befestigten Vertikalschenkeln 31, 32 sitzt eine quer
zur Welle 2 orientierte, diese schneidende Lagerwelle 30, auf welcher zwei
winkelförmig ausgebildete Taster 51, 52 drehbar gelagert sind.
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Die beiden nebeneinanderliegenden Vertikalschenkel 31, 32 der winkelförmigen
Taster 51, 52 sind dazu bestimmt, unter Federkraft an einer Steuerfläche 50 einer
Schablonenplatte 5 anzuliegen. Die Schablonenplatte 5 ist in einer zur X-Y-Ebene,
in welcher die Schlittenplatte 1 verschiebbar ist, parallelen Lage feststehend montiert.
Ihre anderen Enden wirken verschiebend auf Verstellstifte 61, 62 von an sich bekannten
mechanischinduktiven Wandlern in den Gehäusen 41, 42 ein. Jeder dieser aus ferromagnetischem
Material bestehenden Verstellstifte trägt eine als Ringflansch ausgebildete Ankerplatte
63, die als beweglicher Anker im Luftspalt zwischen zwei ferromagnetischen Topfkernen
64, 65 auf und ab beweglich ist. In den Topfkernen 64 bzw. 65 sind Spulenwicklungen
66 bzw. 67 untergebracht, die nach Fig. 4 mit einer in der Mitte abgegriffenen Sekundärwicklung
72 eines Übertragers 70 verbunden sind, dessen Primärwicklung 71 an den Ausgang
einer Wechselspannungsquelle 8 mit konstanter Spannung angeschlossen ist.
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Die Induktivitäten der Spulen 66 und 67 bilden also zusammen mit den
beiden Teilen der Wicklung 72 eine Brücke, deren Ausgang mit dem Verstärker 9 verbunden
Ist.
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Wenn die Ankerplatte 63 der Wandlersysteme symmetrisch im Luftspalt
zwischen den Topfkernen 64, 65 liegt, sind die Induktivitäten der Spulen 66, 67
gleich, so daß die Brückenschaltung von Fig. 4 abgeglichen ist und dem Verstärker
9 keine Spannung zugeführt wird. Wenn aber infolge der Drehung eines der Taster
51, 52 eine der Ankerplatten 63 aus der gezeichneten Mittellage ausgelenkt wird,
nimmt die Induktivität einer der Spulen 66, 67 durch Verengung des Luftspaltes zu,
während die andere dieser Induktivitäten durch entsprechende Vergrößerung des Luftspaltes
kleiner wird. Damit wird die Brückenschaltung nach Fig. 4 verstimmt, und es entsteht
am Brückenausgang eine Fehlerspannung f, die im Verstärker 9 verstärkt wird. In
den Fig. 1 bis 3 sind die Rückstelifedern zur Erzwingung des Anpressens der Taster
51, 52 an die Steuerfläche 50 zwecks Vereinfachung der Zeichnung nicht eingezeichnet.
Diese mechanisch-elektrischen Fühler können in mancherlei Abwandlungen, z. B. als
Differential-Kondensatoren und -Potentiometer, ohne weiteres an Stelle der Spulen
66, 67 in eine Brückenschaltung nach Fig.4 eingeschaltet werden.
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Nachstehend ist eine Fühlereinheit, die in irgendwelcher Art ausgeführt
sein kann, als Ganzes mit F bezeichnet. Sie umfaßt stets einen verschiebbaren oder
verdrehbaren Taster 51 bzw. 52 und ein elektrisches Differentialwandlersystem.
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Es ist wesentlich, daß an einer Trägerplatte 3, die in zwei Koordinatenrichtungen
verschiebbar ist, stets -mindestens zwei Fühler F mit Tastern 51, 52 angeordnet
sind und daß diese gemeinsame Trägerplatte 3 um die Achse der Welle 2 drehbar ist,
welche die X-Y-Ebene senkrecht schneidet und annähernd durch den Soll-Berührungspunkt
des einen Tasters 51 mit der Steuerfläche 50 verläuft, solange die Ankerplatte 63
des zugehörigen Fühlers F sich in der Mittelstellung befindet.
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Grundsätzlich wird der Abtastkopf gegenüber der Schablonenplatte 5
so verschoben, daß der Taster 52 jeweils vor dem Taster 51 entlang der Steuerfläche
50 bewegt wird, wobei sich die Tangentialbewegungen je aus den beiden Komponenten
Vx = V- cosa und Vy = V# sing in der X- bzw. Y-Richtung zusammensetzen, wenn
mit a der Winkel zwischen dem Geschwindigkeitssektor V und der positiven X-Achse
bezeichnet ist. Zunächst ist angenommen, daß diese Voraussetzungen fehlerfrei eingehalten
werden, solange die Steuerfläche 50 ihre Richtung im X-Y-Feld nicht ändert. In Fig.
5 sind zwei Richtungsänderungen der Steuerfläche 50 eingezeichnet. Wenn der Taster
52 an einer solchen Abbiegung ankommt, wird er, weil er unter Federkraft der Steuerfläche
50 anliegt, dieser Biegung folgen. Dadurch wird im zugeordneten Brücken-Meßsystem
(Fg.4) eine Fehlerspannung fa erzeugt, welche in später genauer zu beschreibender
Weise einem servomotorischen Drehsystem für die Welle 2 des Tastkopfes als Steuerspannung
zugeführt wird. Vorläufig soll nur bemerkt werden, daß unter Wirkung dieser Fehlerspannung
fa der Tastkopf eine Drehung um die Achse 2 ausführt, welche eine Verminderung dieser
Fehlerspannung fa bewirkt. Die Vorschubrichtung wird dadurch entsprechend mitverdreht
(s. Fig. 5).
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Der Taster 51 folgt dauernd genau der Steuerfläche 50, weil er dieser
unter Federkraft anliegt und eine Steuerspannung f erzeugt, welche in ebenfalls
später zu beschreibender Weise in Abhängigkeit vom Augenblickswert des Winkels a
in Korrekturkomponenten für die servomotorischen Antriebe in der X- bzw. Y-Richtung
umgerechnet wird. Bei einer Anordnung nach den Fig. 1 bis 3 und 5 ist es notwendig,
daß einspringende Winkelflächen der Steuerfläche 50 in einem Kreisradius ineinander
übergehen, der etwa von der Größenordnung der Distanz zwischen den Tastpunkten der
beiden Taster 51 und 52 ist.
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Dies ist bei der Variante nach Fig. 6 nicht notwendig, weil dort der
Taster 52 unter 45° schräg zum Taster 51 angeordnet ist. Wenn er in der Ecke anstößt,
so erzeugt er im zugeordneten Meßsystem eine Fehlerspannung fa, die ihn um die Welle
2 im Tastpunkt des Tasters 51 drehen läßt.
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Nach der Variante von Fig. 7 ist im Tastkopf neben der Drehwelle 2
eine weitere, dazu parallele Drehwelle 53 vorgesehen um welche ein dreischenkliges
Tastorgan 54 drehbar ist, welches mit zwei Schenkeln beidseitig vom Fühler F an
der Steuerfläche 50 anliegt und mit seinem dritten Schenkel den Taster 52 des Fühlers
Fa betätigt. Ein Tastkopf nach dieser Variante erlaubt, die Vorschubrichtung beliebig
umzukehren.
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Aus Fig. 8 ergibt sich die Berechnung der notwendigen Bewegungskomponenten
eines Fühlers F, der in der X- Y- Ebene an der Steuerfläche 50 anliegend eingezeichnet
ist. Es sei aber infolge einer Fehleinstellung des Abtastkopfes der Taster 51 aus
der durch die Welle 2 angedeuteten Sollage ausgewandert, so daß sich eine Fehlerspannung
f in dem dem Taster 51 zugeordneten Meßsytsem (Fig. 4) ergibt.
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Die entsprechenden X- und Y-Komponenten der Fehlerspannung f haben
dann die Werte fx= fcosa fy= fsina,
die zu den Vorschubgeschwindigkeitskomponenten
Vx=Vsina -Vy=Vcosa addiert werden müssen. Daraus ergeben sich die Werte
d y = f sin a - Vcos a
dx = f cos a -f- Vsin a,
welche die Steuergrößen- für die servomotorischen Verstellantriebe der Trägerplatte
3 bilden.
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Unter diesen Voraussetzungen ist nachstehend ein vollständiges Ausführungsbeispiel
einer Schablonenabtasteinrichtung nach Fig. 9 beschrieben.
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Es ist hier angenommen, daß die an der Drehwelle 2 befestigte, in
der Schlittenplatte 1 drehbar gelagerte Trägerplatte 3 dadurch in seinen beiden
Bewegungsrichtungen X und Y bewegt werden kann, daß die Schlittenplatte
1 durch eine Leitspindel 10x in X-Richtung innerhalb eines weiteren, nicht gezeichneten
Schlittens bewegt wird, welcher zweite Schlitten in einer ihm zugeordneten Führungsbahn
in der Y-Richtung durch eine Leitspindel 10y verschoben wird.
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Den Leitspindeln 10x und 10y und der Drehwelle 2 der Trägerplatte
3 sind je tachometrisch gegengekoppelte Antriebssysteme mit den Servomotoren Mx,
My und Ma,
den auf denselben Wellen sitzenden Tachometergeneratoren Gx bzw.
Gy bzw. Ga sowie den Steuerverstärkern 9x, 9y bzw. 9a zugeordnet. Die Tachometergeneratoren
erzeugen Spannungen
Auf der Welle 2 sitzt weiterhin ein an sich bekannter trigonometrischer Rechner
in der Form eines Transformationsachtpols R. Die eine Eingangsspannung des Rechners
R wird durch die am Spannungsteiler 11 einstellbare Teilspannung V der von der Wechselspannungsquelle
8 gelieferten Spannung gebildet. Als andere Eingangsspannung des Rechners R dient
grundsätzlich die Fehlerspannung f aus dem Fühler F. Die Ausgangsspannungen des
Rechners R haben dann die Werte 4 x und d y gemäß vorstehenden Formeln, welche
den in bekannter Weise tachometrisch gegengekoppelten Antriebseinheiten der Leitspindeln
10x und 10y zugeführt werden.
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Die Fehlerspannung f a aus dem Fühler Fa wird dem Drehsystem der Welle
2 zugeführt. Die Tachometerspannung
aus dem Tachometergenerator Ga wird nicht nur zur Gegenkopplung an den Verstärker
9a, sondern auch an diejenige Eingangsklemme des Rechners R geführt, an welcher
auch die Fehlerspannung f liegt. Auf diese Weise kann erreicht werden, daß beim
Drehen der Trägerplatte 3 eine entsprechende Korrektur der Vorschubrichtung erreicht
wird, ohne daß zuerst der Taster 51 eine Fehllage einnehmen muß.
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Um überhaupt während Drehungen der Welle 2, d. h. beim Abtasten einer
stark gewinkelten Schablonenplatte, eine Verminderung der Vorschubgeschwindigkeit
V zu erreichen, wird die Spannung a aus dem Tachometergenerator Ga in einer
Gleichrichteranordnung 13 gleichgerichtet und über einen Modulator 12 als entsprechend
große subtraktiv wirkende Wechselspannung - V (a) zum Spannungsteiler 11 geführt.
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Das in Fig. 9 dargestellte Abtastsystem stellt grundsätzlich einen
elektrischen Wechselstrom-Analogierechner dar. Die aus der Spannungsquelle 8 (z.
B. 400 Hz) bezogene Wechselspannung wird im Spannungsteiler 11 proportional zur
gewünschten Tangential -Vorschubgeschwindigkeit Vverändert. Die FühlerF und Fa liefern
gemäß Fig. 4 Wechselspannungen f bzw. f a, deren Amplituden den betreffenden
Fehlergrößen proportional sind. Die Tachometergeneratoren Gx, Gy und Ga liefern
Ausgangsspannungen x, y und a, deren Werte den Drehgeschwindigkeiten der betreffenden
Motorwellen proportional sind. Der Rechner R beeinflußt seine Eingangsspannungen
V und f + a gemäß den Gleichungen für d x und A y.
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Kurvenabtastsysteme der beschriebenen Art geben die Möglichkeit, beliebig
verlaufende Schablonenplatten auch geschlossener Form mit gewünschter Vorschubgeschwindigkeit
praktisch ohne Nachlauffehler abzutasten. Selbstverständlich können mit Hilfe bekannter
Fernübertragungssysteme die Drehstellungen der Wellen 2, 10x und 10y fortlaufend
zur entsprechenden Steuerung der Bewegung eines spanabhebenden Werkzeuges, eines
Schweißbrenners oder irgendeines anderen Organs benutzt werden.