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Vorrichtung zum fotoelektrischen Abtasten von Kurven oder Konturen
mit einem Abtastkopf Die Erfindung bezieht sich auf eine automatische Kurvennachlaufeinrichtung,
wie sie z. B. für die Kopiereinrichtung eines Sauerstoffschneidbrenners oder allgemein
für einen automatischen Kurvenzeiger verwendet werden kann.
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Es sind Kurvenabtaster mit einem Abtastkopf bekannt, der nur von einem
Stellmotor nachgeführt wird. Derartige Kurvenabtaster werden für harmonische Analysatoren
und Integriereinrichtungen benutzt. Bei Werkzeugmaschinen ist jedoch, auch das Abtasten
geschlossener Kurvenzüge erforderlich; dazu muß die Fotozellenstenerung des Abtastkopfes
auf beide Koordinatenrichtungen einwirken können. Es sind für den angegebenen Zweck
deshalb mindestens zwei Stellmotoren notwendig.
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Es sind auch Vorrichtungen zum fotoelektrischen Abtasten von Kurven
oder Konturen mit Hilfe eines Abtastkopfes bekanntgeworden, bei denen der Abtastkopf
in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen parallel zur Kurvenebene verschiebbar
und mittels eines fotoelektrisch gesteuerten Nachlaufmotors um eine Achse senkrecht
zur Kurvenebene drehbar ist. Das Ausmaß der Verdrehung des Abtastkopfes steuert
gleichzeitig seine Verschiebung in den zwei zur Kurvenebene parallelen Richtungen.
Bei diesen bekannten Einrichtungen werden insgesamt drei Servomotoren verwendet.
Ein Motor dient der Drehung des Abtastkopfes, die zwei anderen verschieben den Abtastkopf
jeweils in einer Koordinatenrichtung.
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Das Koordinatenverschiebungsgerät der obengenannten Einrichtungen
wird allein von einem festen Verhältnis zwischen dem Verdrehungswinkel des Abtastkopfes
und der Tangente der abzutastenden Kurve gesteuert. Dadurch wird die Genauigkeit
der Abtastung von der ursprünglich eingestellten Lage des Abtastkopfes zur Kurventangente
abhängig. Es ist bei den bekannten Einrichtungen möglich, daß der Abtastkopf vom
nachzuzeichnenden Kurvenzug erheblich abirrt, bevor die Stelleinrichtung diesen
Fehler korrigiert.
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Die angeführten Mängel sollen mit Hilfe der Erfindung behoben werden.
Sie bezieht sich auf eine Vorrichtung zum fotoelektrischen Abtasten von sich durch
ihren Helligkeitswert vom Untergrund abhebenden Kurven oder Konturen mit einem Abtastkopf,
der in zwei vorzugsweise aufeinander senkrecht stehenden Richtungen parallel zur
Kurvenebene verschiebbar und mittels eines fotoelektrisch gesteuerten Nachlaufmotors
um eine Achse senkrecht zur Kurvenebene drehbar ist und bei dem das Ausmaß seiner
Verdrehung über einen mechanisch mit dem Abtastkopf gekuppelten Spannungsgeber für
zwei Steuerspannungskomponenten zur Steuerung zweier Stellmotoren seine Verschiebung
in den zwei kurvenebenenparallelen Richtungen steuert. Ihr kennzeichnendes Merkmal
besteht darin, daß die Koord'inatenverschiebung des Abtastkopfes zusätzlich mit
Hilfe eines in der Drehachse des Abtastkopfes liegenden fotoelektrischen Elementes
gesteuert wird, dessen Signalspannung über einen Verteiler in eine X- und
Y-Komponente aufgespalten und ebenfalls den Stellmotoren zugeführt wird.
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Diese zusätzliche Steuereinrichtung verbessert die Einstellgeschwindigkeit
und Einstellgenauigkeit der Abtasteinrichtung. Die nach der Erfindung auf die Verschiebung
des Abtastkopfes zusätzlich einwirkenden Steuerimpulse bewirken einen Effekt, der
vergleichsweise als Rückführung bezeichnet werden kann.
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Im Abtastkopf kann bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein
fotoelektrisches Element als Bezugsspannungsquelle angebracht sein. Von zwei anderen
durch die abzutastende Kurve oder Kontur bzw. deren Abbild teilweise verdunkelten
fotoelektrischen Abtastelernenten kann eines koaxial zur Drehachse des Abtastkopfes
und das andere außermittig in Richtung der resultierenden Verschiebung des Abtastkopfes
angeordnet sein.
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Unter der Voraussetzung; daß alle drei fotoelektrischen Elemente die
gleiche Empfindlichkeit haben, wird sichergestellt, daß Schwankungen des Beleuchtungspegels
die
Größe der Steuerimpulse nicht beeinträchtigen.
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Das als Bezugselement bezeichnete fotoelektrische Element, welches
die Bezugsspannung liefert, kann zur Hälfte seiner wirksamen Einstrahlungsfläche
durch eine Blende abgedeckt sein.
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Schließlich können alle verwendeten fotoelektrischen Elemente vom
Typ der P-N-Flächendiode sein.
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Eine eingehendere Beschreibung der Erfindung erfolgt an Hand von fünf
Figuren. Sie geht von den im Ausführungsbeispiel verwendeten P-N-Flächendioden und
deren Eigenschaften aus.
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Fig. 1 zeigt die Spannungsverteilung an den Flächendioden abhängig
von dem die Dioden treffenden Licht; in Fig. 2 ist schematisch die Abtastung eines
Kurvenstückes durch den Abtastkopf mit drei Flächendioden gezeigt; Fig. 3 stellt
ein Blockschaltbild der Steheinrichtung zur Verdrehung des Abtastkopfes dar; Fig.
4 zeigt die zur Verschiebung des Abtastkopfes in der X- und Y-Richtung dienende
Stelleinrichtung, ebenfalls in Blockdarstellung; in Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel
des in Fig. 3 nur angedeuteten Abtastkopfes mit seiner Stelleinrichtung dargestellt.
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Es ist bekannt, daß eine von Lichtstrahlen beleuchtete P-N-Flächendiode
ihre Ausgangsspannung ändert. Diese Ausgangsspannung ist ihrer Größe nach dem von
den Strahlen beleuchteten Teil der wirksamen Oberfläche der Diode proportional.
Infolgedessen wird, vorausgesetzt. daß zwei Dioden sonst gleichen konstanten Beleuchtungsbedingungen
unterworfen sind, eine Änderung der ausgeleuchteten Fläche einer der Dioden eine
Differenz zwischen den Ausgangsspannungen beider Dioden erzeugen.
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Dieser Zusammenhang wird in Fig.1 erläutert. Hier bedeutet 1 eine
P-N-Flächendiode, deren halbe wirksame Oberfläche durch eine Blende abgedeckt ist.
Sie wird als Referenz- oder Bezugsdiode verwendet. Die Größe ihrer Ausgangsspannung
wird mit hs benannt. Eine zweite P-'-\T-Flächendiode 2 wird von einfallenden Strahlen
auf ihrer ganzen wirksamen Fläche beleuchtet, während eine dritte P-1\T-Flächendiode
3 von den einfallenden Strahlen nicht beleuchtet ist. Die Dioden 2 und 3 haben eine
Ausgangsspannung V oder -lF, je nachdem, ob zu der Ausgangsspannung lss der Referenzdiode
als Bezugsspannung die Spannung 1L' hinzukommt oder davon abgezogen wird.
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Dementsprechend kann _IV oder -JV als Spannungsdifferenz zwischen
der Bezugsdiode 1 und einer der anderen beiden Dioden 2 bzw. 3 erfaßt werden und
dazu dienen. eine Abtastvorrichtung zu steuern, wie später näher beschrieben wird..
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Im vorliegenden Falle ist eine optische Einrichtung, in welcher eine
Bezugs-P-N-Flächendiode, deren halbe Oberfläche, wie in Fig. 1 erläutert, abgeblendet
ist, sowie zwei der Abtastung dienende, über ihre ganze Oberfläche beleuchtbare
P-N-Flächendioden angeordnet sind, am unteren Ende einer Abtastvorrichtung angebracht.
Die zwischen den beiden Abtastdioden und der Bezugsdiode entstehenden Ausgangsspannungsdifferenzen
werden erfaßt und einer Stelleinricbtung zugeleitet, welche die Stellung der Ahtastvorrichtung
steuert. Auf diese Weise kann ein automatisches Nachlaufen einer Kurve durch den
Abtastkopf erzwungen werden.
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Die abzufahrende Kurve kann z. B. auf einem Papierblatt aufgezeichnet
sein. Zweckmäßigerweise wird dann die optische Einrichtung der Abtastvorrichtung
so angeordnet, daß sie sich über dem Zeichenblatt befindet. In diesem Falle werden
die von der Papieroberfläche reflektierten Strahlen von der optischen Einrichtung
aufgefangen. Sie beleuchten die drei Dioden im Innern der optischen Einrichtung.
Durch eine entsprechend gewählte Ausbildung der optischen Einrichtung und Anordnung
der drei Dioden wird es dem von der Zeichnung reflektierten und in die optische
Einrichtung eingestrahlten Licht ermöglicht, die wirksame Oberfläche der Bezugsdiode
zu beleuchten, und andererseits besteht für die zwei Abtastdioden die Möglichkeit,
das Abbild der auf das Papier gezeichneten Kurve zu erfassen.
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Fig.2 zeigt das Verhalten der Abtastvorrichtung je nach Lage der drei
im Abtastkopf angeordneten P-1\T-Flächendioden in bezug auf die abzutastende Kurve.
Fig. 2 wird zusammen mit Fig. 3 erklärt.
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In einem in Fig.3 angedeuteten und in Fig.5 näher ausgeführten Abtastkopf
4, welcher mit einer optischen Einrichtung ausgerüstet ist, sind eine Abtastdiode
Dl, die konzentrisch zur Drehachse des Abtasktopfes liegt, und eine andere Abtastdiode
D, sowie eine Referenzdiode DS, deren halbe wirksame Oberfläche abgeblendet ist,
angeordnet. Diode D2 und Bezugsdiode D$ liegen nicht koaxial zur Drehachse des Abtastkopfes,
wie auch aus der Fig. 2 zu erkennen ist. Die beiden Abtastdioden D1 und D2 und die
Bezugsdiode D, sind elektrisch so miteinander verbunden, daß eine Spannungsdifferenz
zwischen der jeweiligen Abtastdiode und der Bezugsdiode abgenommen werden kann.
Die Funktionsweise des Abtastkopfes wird weiter unten erklärt werden.
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In Fig. 2 sind nun die Abtastdioden D1 bzw. D, so angeordnet, daß
ihr beleuchtbarer Flächenteil durch eine abzutastende Kurve 5 zur Hälfte verdeckt
ist. In diesem Fall sind die Ausgangsspannungen der Abtastdioden Dl und D2 und der
Bezugsdiode D5 gleich groß. Der Spannungsunterschied zwischen ihnen ist also @TUIl.
Dann bildet eine Verbindungslinie, a, der zwei Dioden D1 und D2 einen Winkel 0a
mit einer Abszissenachse X. Wenn die Abtastv orrichtung in diesem Stadium von einer
Steheinrichtung, die weiter unten beschrieben wird, geführt wird, bewegt sich die
Abtastv orrichtung mit ihrem Abtastkopf 4 geradewegs in der vom Pfeil angegebenen
Richtung. Wenn der Abtastkopf 4 in eine in der Figur mit DI und D2' bezeichnete
Lage angelangt ist, werden die: beleuchteten Flächenanteile der Abtastdioden D1
bzw. D2 geändert. Als Resultat entsteht eine Spannungsdifferenz zwischen den Abtastdioden
D1 und. D2 und der Refe.-renzdiode D,. Infolgedessen wird die Diode D2 von der Lage
D2' nach D2' gebracht, und zwar durch eine Steheinrichtung, die -gesteuert wird
von der Spannungsdifferenz, welche zwischen der Abtastdiode D2 und der Referenzdiode
D, entstanden ist. Andererseits wird die Spannungsdifferenz zwischen der Abtastdiode
Dl und der Referenzdiode D, die Abtastdiode D1 von der Lage Dt in die Lage D I'
steuern. In diesem Fall bildet die gerade Verbindungslinie zwischen den zwei Dioden
D1 und D2 einen Winkel p b mit der X-Achse, und der Abtastkopf bewegt sich
entlang einer Linie b. Der Abtastkopf 4 tastet sich also vorwärts, indem er immer
solche Lagen einnimmt, in denen eine Hälfte der beleuchteten Fläche jeder der zwei
Abtastdioden von dem Abbild der Kurve 5 verdeckt ist. Auf die beschriebene Weise
folgt der Abtastkopf der aufgezeichneten Kurve 5 automatisch.
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Die Bewegung des Abtastkopfes 4 geschieht durch die gleichzeitige
Verstellung zweier Stellsysterne. Mit
anderen Worten, die Auswanderung
der Diode D1, welche koaxial zur Drehachse des Abtastkopfes angebracht ist, bezüglich
der Kontur der nachzufahrenden Kurve 5 steuert die Verschiebungsbewegung des Abtas.tkopfes
mit Hilfe der Stelleinrichtung eines ersten Systems und damit auch die Bewegung
der gesamten Abtastvorrichtung, deren Bestandteil ja der Abtastkopf 4 ist. Die Auswanderung
der Diode D2 bezüglich der Kontur der nachzufahrenden Kurve 5 steuert die Drehbewegung
des Abtastkopfes, wobei die Drehachse der Stelleinrichtung des zweiten Systems als
zentrale Achse dient.
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Fig. 3 zeigt die oben angeführte Abtastvorrichtung sowie die Stelleinrichtung
des zweiten Systems, welche die Drehung des Abtastkopfes ausführt. Der Abtastkopf
4 ist mit einem Verteiler 6 mechanisch durch eine drehbare Achse verbunden. Der
Abtastkopf ist, wie schon beschrieben, mit drei Dioden ausgerüstet. Die Spannungsdifferenz
zwischen der Referenzdiode D, und der Abtastdiode D1 wird durch eine Leitung 7 dem
Verteiler 6 zugeführt. Die Spannungsdifferenz zwischen der Referenzdiode D, und
der Abtastdiode D2 wird einem Stellmotor 10 über eine Leitung 8 und einen Verstärker
9 zugeführt. Der Stellmotor 10 ist mit der Drehachse durch ein Getriebe 11 verbunden.
Der Verstärker 9, der Stellmotor 10 und das Getriebe 11 bilden zusammen die Stelleinrichtung
des zweiten Systems. Die Spannungsdifferenz zwischen der Referenzdiode D, und der
Abtastdiode D2 steuert dabei den Stellmotor 10, und der Abktastkopf 4 dreht sich
zusammen indt dem Verteiler 6, wobei die Drehachse durch die Mitte des Abtastkopfes
geht. Die Drehrichtung wird dabei vom Vorzeichen der Spannungsdifferenz bestimmt.
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Fig. 4 zeigt die Stelleinrichtung des ersten Systems, welche die Verschiebung
der Abtastvorrichtung und des Verteilers 6 bewirkt. Der Verteiler 6 ist mechanisch
mit dem Abtastkopf 4 verbunden, wie schon bei Fig.3 erläutert wurde. Zusammen mit
dem Abtastkopf 4, dem Stellmotor 10 und dem Verstärker 9 bildet er die Abtastvorrichtung.
Der Verteiler 6 wird mit einer technischen Wechselspannung VB, z. B. von 50 Hz,
von einer Stromquelle 12 aus versorgt. Vom Verteiler 6 aus werden die Steuerspannungen
zwei Stellmotoren 15 und 16 über Leitungen 13 bzw. 14 zugeführt. Im Verteiler wird
die Wechselspannung VB, die von der Stromquelle 12 geliefert wird, in zwei Spannungen
aufgeteilt. Eine davon wirkt in Richtung der X-Achse und die andere in Richtung
der Y-Achse. Die Größen dieser beiden Spannungen werden von dem Auslenkwinkel des
Verteilers 6 aus seiner Normallage, d. h. dem Winkel (der mit (9 bezeichnet
ist), welcher von der Verbindungslinie der zwei Abtastdioden D1 und D2 und der X-Achse
in Fig. 2 gebildet. ist, bestimmt, und zwar nach folgenden Formeln: T@,=hB cos 0,
V,=hB sin O.
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Die Spannungen Tlr und V, für die zwei Richtungen sind Teilspannungen,
die durch Aufspalten gewonnen und den Stellmotoren 15 und 16 über Verstärker 17
und 18 zugeführt werden. Die beiden Stellmotoren 15 und 16 sind wiederum mit zwei
Tachometergeneratoren 19 bzw. 24 und Wechselgetrieben 20 bzw. 25 ausgestattet. Auf
diese Weise werden zwei Stelleinrichtungen gebildet. Diese beiden Steheinrichtungen
ergeben die Gesamt-Stelleinrichtung des ersten obenerwähnten Systems.
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Die erste der beiden Steheinrichtungen des ersten Systems, welche
sich des Stellmotors 15 bedient, bewirkt die Drehung der Welle 21. Sie verursacht
über eine Welle 22 die Bewegung der Abtastvorrichtung 23 entlang der X-Achse. Auf
der anderen Seite bewirkt die zweite Stelleinrichtung des ersten Systems die Drehung
einer Welle 26 und verursacht über die Welle 27 die Bewegung der Ahtastvorrichtung
23 in der Richtung der Y-Achse. Die Abtastvorrichtung 23 setzt sich aus dem Abtastkopf
4, dem Verteiler 6, dein Stellmotor 10 usw. zusammen, welche in Fig. 3 beschrieben
sind.
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DieAbtastvorrichtung23 ist auf der X-Welle22 und der Y-Welle 27 befestigt.
Ihre Verschiebungsbewejung kann von den beiden Stellmotoren 15 und 16 beeinflußt
werden.
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Wenn die beiden Stellmotoren 15 und 16 nur von der Betriebswechselspannung
der Stromquelle 12 allein betätigt werden, bewegt sich die Abtastvorrichtung 23
geradewegs auf der Linie, welche den Winkel O mit der X-Achse bildet. Das Nachfahren
einer beliebigen Kurve durch die Abtastvorrichtung 23 wird mittels Steuerspannungen
verbessert, die von der Spannungsdifferenz Vdif zwischen der Abtastdiode D1 und
der Referenzdiode D, abgeleitet sind. Es wird hierbei auf Fig. 2 verwiesen.
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Die besagte Spannungsdifferenz wird dem Verteiler 6 über die Leitung
7 zugeführt und wird hier wiederum in zwei Spannungen V" und VY für die Richtungen
der X- bzw. I'-Achse aufgeteilt. Die Spannungen L'" und Vs" die den Stellmotoren
15 und 16 zugeführt werden, haben folgende Abhängigkeit vom Verdrehungswinkel O
des Abtastkopfes: T#,=Vaif'sin O,
V,.= Vdif' cos O.
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Zur Nachsteuerung anderer Einrichtungen, welche nicht in der Figur
gezeichnet sind, z. B. eines automatischen Sauerstoffschweißbrenners oder eines
automatischen Kurvenzeigers, wird jede Änderung der Lage der Abtastvorrichtung 23
von Impulswandlern 28 und 29 erfaßt und in elektrische Signale verwandelt. Die beiden
Impulswandler sind zu diesem Zweck mit den zugehörigen Stellmotoren 15 und 16 mechanisch
verbunden, und die von ihnen erzeugte Ausgangsspannung wird mittels Verstärker 30
bzw. 31 verstärkt.
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Fig.5 stellt den Aufriß einer Abtastvorrichtung nach der vorliegenden
Erfindung dar.
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Da der Abtastkopf 4, der Verteiler 6 und der Stellmotor 10 die Hauptteile
der Abtastvorrich.tung darstellen, werden für s,ie die gleichen Bezugszeichen wie
in Fig. 3 benutzt. Das Getriebe, welches die Welle 32 und den Stellmotor 10 miteinander
verbindet und in Fig.3 mit 11 bezeichnet war, ist hier als eine Kombination einer
Anzahl von Zahnrädern dargestellt. Der Verteiler 6 und der Abtastkopf 4 sind miteinander
durch eine Welle 32 verbunden und in einem Trägerteil 33 derart gehaltert, daß freie
Drehbarkeit gewährleistet ist. Der Stellmotor 10 ist andererseits ebenfalls an dem
Trägerteil 33 befestigt und außerdem mit einem Tachogenerator 34 auf der
gleichen Welle ausgerüstet. Das untere Ende des Abtastkopfes 4 ist mit einem Objektiv
36 versehen, welches auf eine Papieroberfläche 35 blickt. Im Innern des Abtastkopfes
4 befindet sich eine Halterung 37 für die P-N-Flächendioden. Der Abtastkopf wird
von einem Kugellager 38 so getragen, daß keine Erschütterung des Trägerteiles 33
möglich ist. Das Objektiv 36 ist zylinderförmig gestaltet und bildet die mit Linsen
39 versehene optische Einrichtung. Die Halterung 37 für die Dioden ist nach Art
eines Rahmens konstruiert. Die Leitungen 7 und 8 gehen von den
P-N-Flächendioden
aus, die an dem Rahmen 37 befestigt sind. Von der Papieroberfläche, auf der eine
Kurve aufgezeichnet ist, werden Lichtstrahlen in den Abtastkopf 4 über das Objektiv
36 geworfen. Die Strahlen werden von den Linsen 39 gesammelt und genau auf die Diodenflächen
im Rahmen geleitet.