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Steuereinrichtung für Bearbeitungsmaschinen, insbesondere für Brennschneidmaschinen
mit einer fotoelektrischen Abtasteinrichtung Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung
für Bearbeitungsmaschinen, insbesondere für Brennschneidmaschinen mit einer fotoelektrischen
Abtasteinrichtung, wobei mit Hilfe eines Vorstrahles starke Änderungen des abzutastenden
Kurvenzuges vorzeitig erfaßt und zur kontinuierlichen Geschwindigkeitsreduzierung
des Vorschubes benutzt werden. Derart ausgebildete Steuereinrichtungen für Bearbeitungsmaschinen
sind bereits bekannt, jedoch wird bei diesen das Kommando des Vorstrahles nur dazu
benutzt, die Geschwindigkeit des Vorschubes so zu reduzieren, daß die Arbeitsmaschine
in der Lage ist, dem vom Hauptstrahl abgetasteten Kurvenzug zu folgen.
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Es hat sich regelungstechnisch als günstig erwiesen, wenn der Abtastpunkt
gegenüber der Drehachse des Abtastkopfes etwas vorläuft. Dadurch wird der Betrieb
auch bei höheren Geschwindigkeiten stabil. Nachteilig ist jedoch, daß bei Richtungsänderungen
sodann eine Abweichung zwischen der abzutastenden und der nachgeformten Kurve eintritt.
Dieser Fehler wird um so größer, je kleiner der Krümmungsradius der nachzuformenden
Kurve ist und je größer die Exzentrizität des Abtastkopfes gewählt wird. Eine Erhöhung
der Vorschubgeschwindigkeit kann daher nur auf Kosten der Nachformgenauigkeit vorgenommen
werden.
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Gemäß der Erfindung kann eine wesentliche Verbesserung hinsichtlich
der Nachformgenauigkeit insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten dadurch erreicht
werden, daß der Demodulationskreis des Hauptstrahles und der des Vorstrahles derart
miteinander gekoppelt sind, daß sich ein theoretischer Abtastpunkt ergibt, dessen
Lage sich in Abhängigkeit von der Größe der Vorschubgeschwindigkeit zwischen dem
Abtastpunkt des Vorstrahles und dem des Hauptstrahles ändert. Die Kopplung der beiden
Demodulationskreise erfolgt im wesentlichen dadurch, daß beide Kreise auf dieselben
Abschlußwiderstände arbeiten.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
Zeichnung, in der zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, an Hand deren die
Erfindung näher erläutert werden soll.
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Zum Verständnis der erfindungsgemäßen Einrichtung sei bemerkt, daß
bei Brennschneidmaschinen im allgemeinen eine starre Verbindung zwischen dem Brennschneidkopf
und dem Abtastkopf vorgesehen ist. Um eine konstante Brennschneidgeschwindigkeit
zu bekommen, läuft ein Vorschubrad auf einer Platte oder Rolle ab und verschiebt
dabei jeweils den Brenn-und Abtastkopf in tangentialer Richtung. Das Vorschubrad
wird hierbei mit einem drehzahlregelbaren Motor angetrieben, um die Vorschubgeschwindigkeit
variieren zu können. Die Vorschubgeschwindigkeit bleibt jedoch bei fester Drehzahl
des Motors unabhängig von der jeweiligen Bewegungsrichtung konstant. Die Nachformung
wird nun so vorgenommen, daß jeweils die Vorschubrichtung des Vorschubrades geändert
wird, bis der Abtastkopf mit dem Linienzug der abzutastenden Zeichnung übereinstimmt.
Zu diesem Zweck wird das Vorschubrad mit einem Verstellmotor versehen, welcher von
einer fotoelektrischen Abtasteinrichtung gesteuert wird.
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In Fig. 1 ist das Prinzip der fotoelektrischen Abtasteinrichtung wiedergegeben.
Im Abtastkopf ist eine Lichtquelle eingebaut, die die abzutastende Kurve auf einer
Zeichnung 1 örtlich beleuchtet. Das von der Zeichnung reflektierte Licht wird über
ein schwingendes Spiegelsystem 5 auf Fotozellen 2 und 3 geworfen, die im Abtastkopf
angeordnet sind. Hierbei ist mit 2' der der Fotozelle 2 zugeordnete Hauptstrahl
und mit 3' der der Fotozelle 3 zugeordnete Vorstrahl bezeichnet. Mit einer strichpunktierten
Linie 4 ist die Drehachse des Abtastkopfes angedeutet. Wie ersichtlich, läuft der
Hauptabtastpunkt 2" etwas gegenüber dem Drehpunkt des Abtastkopfes vor. 3" stellt
den Abtastpunkt des Vorstrahles 3' dar.
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Der mit 5 bezeichnete elektromechanisch betätigte Schwingspiegel besitzt
ein nicht weiter dargestelltes Magnetsystem, das mit einer vorgegebenen Frequenz,
z. B. der Netzfrequenz, erregt wird, so daß der Spiegel um seine Längsachse 6 schwingen
kann.
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Die nachzuformende Kurve wird mit Hilfe der Fotozellen periodisch
abgetastet, wobei der Strom der Fotozellen 2, 3 nach Demodulation und Verstärkung
auf den Stellmotor bzw. Vorschubmotor einwirkt. Hierbei sollen der Demodulationskreis
des Haupt-
Strahles und der des Vorstrahles derart miteinander gekoppelt
sein, daß sich ein theoretischer Abtastpunkt ergibt, dessen Lage sieh in Abhängigkeit
von der Größe der Vorschubgeschwindigkeit ändert.
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Fig. 2 zeigt eine entsprechende Schaltung von zwei miteinander gekoppelten
Demodulationskreisen. Der Demodulationskreis für den Hauptstrahl enthält eine Triode
7, die von der Fotozelle 2 gesteuert wird. Die Triode 7 liegt mit der Kathode an
der Mittelanzapfung der Sekundärwicklung eines Transformators 8, der primärseitig
an dem gleichen Netz wie der elektromagnetische Schwingspiegel s liegt. Die Anode
der Triode 7 ist über einen Widerstand 9 mit den gemeinsamen Enden der beiden untereinander
gleichen Widerstände 10,10' verbunden, die ihrerseits bei a bzw. b über Gleichrichter
11, 11' mit den äußeren Anzapfungen der Primärwicklung des Transformators 8 verbunden
sind. Bei einer Richtungsänderung des abzutastenden Kurvenzuges tritt an den Punkten
a und b
eine Spannungsdifferenz auf, die nach Gleichrichtung über einen
Gegentaktverstärker 12 die Feldwicklung eines Leonardgenerators 13 beeinflußt. Der
Leonardgenerator 13 wird von einem Drehstrommotor 14 angetrieben und speist einen
Gleichstrommotor 18 für die Verstellung des Abtastkopfes.
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Der Fotozelle 3 ist ebenfalls ein Demodulationskreis zugeordnet, der
eine Triode 15 enthält. Der zweite Demodulationskreis arbeitet hierbei auf dieselben
Abschlußwiderstände 10, 10'. Der zweite Demodulationskreis besitzt wie der erste
einen Transformator 16, Dioden 17,17 sowie einen Widerstand 19 im Anodenkreis der
Triode 15. Die an dem Widerstand 19 abfallende Spannung wird nach Gleichrichtung
einem Gegentaktverstärker 20 zugeführt, welcher einen Widerstand 21 zur Einstellung
einer bestimmten Vorschubgeschwindigkeit aufweist. Der Verstärker 20 steuert das
Feld eines von dem Motor 14 angetriebenen Leonardgenerators 22, der den Vorschubmotor
23 speist.
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Mit Hilfe des Widerstandes 9 wird im Demodulationskreis für den Hauptstrahl
eine Zusatzspannung eingefügt. Diese setzt sich aus einer einstellbaren konstanten
Spannung U1, welche über Gleichrichter 24 und einem Widerstand 25 eingespeist wird,
und einer der Ankerspannung des Vorschubmotors 23 proportionalen Spannung U2, welche
mit Hilfe des Wider- ' Standes 26 eingestellt werden kann, zusammen.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist wie folgt: Stimmt die Vorschubrichtung
mit der Richtung des Kurvenzuges überein, so öffnen die Fotozellen 2 und 3 ; im
Spannungsnulldurchgang die Röhren 7 und 15. An den Punkten a, b tritt keine
Spannungsdifferenz auf, so daß in diesem Falle auf den Verstellantrieb 18 des Vorschubrades
kein Signal gegeben wird. Weiter tritt auch am Widerstand 19 kein Spannungsabfall
auf, so daß der Vorschubmotor 23 mit der am Widerstand 21 eingestellten Vorschubgeschwindigkeit
läuft.
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Tritt im Zuge der Abtastung eine Abweichung des Vorstrahles von der
Null-Linie ein, z. B. bei einer Krümmung der abzutastenden Kurve, so fällt am Widerstand
19 eine Spannung ab, die über den Verstärker 20 die Erregung des Generators in schließendem
Sinne beeinflußt. Auf diese Weise wird also die Vorschubgeschwindigkeit reduziert.
Da beide Demodulationskreise die gleichen Abschlußwiderstände besitzen, wird auch
der Demodulationskreis für den Hauptstrahl entsprechend beeinfiußt. Weiter wird
eine Beeinflussung des Demodulationskreises für den Hauptstrahl dadurch vorgenommen,
daß über den Widerstand 9 eine der Ankerspannung des Vorschubmotors proportionale
Spannung U2 eingefügt wird, welcher eine am Widerstand 25 einstellbare Zusatzspannung
Ui entgegengeschaltet ist. Auf diese Weise läßt sich der Wechselspannungshalbwelle
eine Gleichspannung zu- oder absetzen. Werden beispielsweise die beiden Spannungen
U1 und U2 mit Hilfe der Widerstände 25, 26 so eingestellt, daß sie bei einer mittleren
Vorschubgeschwindigkeit einander gleich und somit unwirksam sind, so wird nach Mischung
der Signale aus den Demodulationskreisen für den Vor- und den Hauptstrahl für beide
die gleiche Wirksamkeit erzielt. Das bedeutet, daß der theoretische Abtastpunkt
in der Mitte zwischen den Abtastpunkten 2" und 3" gemäß Fig.1 liegt. Fig. 3 a zeigt
die entsprechende Aussteuerung bei einer bestimmten Abweichung.
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Bei großer Vorschubgeschwindigkeit überwiegt jedoch die eingeprägte
Spannung U" so daß der Hauptstrahl wenig zur Korrektur dels Abtastkopfes beiträgt.
In Fig. 3 b sind diese Verhältnisse dargestellt. Der theoretische Abtastpunkt liegt
hierbei etwa bei dem des Vorstrahles. Umgekehrt wird bei sehr kleiner Vorschubgeschwindigkeit
die Wirksamkeit des Hauptstrahles durch Zusatz des Gleichspannungssignals U1 erhöht
(Fig. 3 c).
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Mit der erfindungsgemäßen Anordnung läßt sich also erreichen, daß
bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten der Abtastpunkt so lange etwa in der Gegend
des Vorstrahlabtastpunktes liegt, bis der abzutastende Kurvenzug eine Krümmung aufweist.
Bei einer Krümmung wird, wie bereits beschrieben, die Vorschubgeschwindigkeit reduziert
und gleichzeitig der theoretische Abtastpunkt immer weiter zurückgenommen und erreicht
bei starken Krümmungen und damit kleinen Vorschubgeschwindigkeiten etwa den Abtastpunkt
des Hauptstrahles. Auf diese Weise läßt sich eine verhältnismäßig große Vorschubgeschwindigkeit
unter guter Stabilisierung der Regelung erreichen, die immer dann verringert wird,
wenn starke Krümmungen im Kurvenzug auftreten, wobei dann gleichzeitig durch Zurücknahme
des theoretischen Abtastpunktes die Kopierfehler auf ein Mindestmaß verringert werden.
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Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Teile
mit gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 2 bezeichnet sind. Die Demodulationskreise
bestehen wiederum aus den den Fotozellen 2 und 3 zugeordneten Röhren 7, 15, den
Transformatoren 8;16 sowie den Abschlußwiderständen 10,10'. Der Verbindungspunkt
zwischen den Abschlußwiderständen 10, 10' ist hier mit E bezeichnet. Entgegen Fig.
2 sind die Punkte a, b an die Mittelanzapfung von Drosselspulen 28, 29 gelegt, so
daß jedem Kreis je eine Drosselhälfte zugeordnet ist. Werden die Drosselhälften
von gleichen Strömen durchflossen, so wird die Drosselwirkung aufgehoben. Durch
Widerstände 30, 31 kann der die Drosseln durchfließende Strom geändert werden. Ferner
können durch die Anordnung von Gleichrichtern 32, 33 die Widerstände
10; 10' je nach der Polarität der Punkte a, b überbrückt werden, was
durch gestrichelte Linien angedeutet ist. An den Punkten A, B
ist über ein
Glättungsglied34 ein Verstärker 35 angeschlossen, der den Ankerstrom des Stellmotors
18 steuert.
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Der Vorschubmotor 23 wird über einen Magnetverstärker 36 eingespeist.
Der Magnetverstärker 36 weist eine Vormagnetisierungswicklung y und eine
Steuerwicklung
x auf. Mit Hilfe eines Widerstandes 37 kann der Vormagnetisierungsstrom des Magnetverstärkers
36 eingestellt werden. Das eine Ende der Steuerwicklung x ist über Gleichrichter
38, 39 an die Punkte C, D und das andere Ende der Steuerwicklung über Gleichrichter
40, 41 an die Punkte a, b des Demodulationskreises für den Vorstrahl angeschlossen.
Mit Hilfe eines Widerstandes 42 kann die Steuerspannung entsprechend eingestellt
werden.
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Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung ist wie folgt: Befinden
sich beide Abtastpunkte (Haupt- und Vorstrahl) auf der abzutastenden Linie, öffnen
die Dioden 7, 15 gleichzeitig, so daß von A nach E bzw. B nach E der gleiche Strom
fließt wie von C nach E bzw. von D nach E. In diesem Falle tritt an den Punkten
A, B und C, D keine Spannungsdifferenz auf. Der Stellmotor bleibt somit in
Ruhe, und der Vorschubmotor läuft mit der am Widerstand 37 eingestellten Geschwindigkeit.
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Tritt eine Richtungsänderung ein, so wird der Durchgang der beiden
Abtaststrahlen über die abzutastende Linie nicht mehr gleichzeitig erfolgen. öffnet
beispielsweise die Röhre 15 vor der Röhre 7, so wird das Fließen eines Stromes von
C nach E durch die rechte Hälfte der Drossel 28 so lange verhindert, bis
auch die Röhre 7 öffnet. Das bedeutet, daß der theoretische Abtastpunkt, der zuvor
zwischen den Punkten 2" und 3" entsprechend Fig.1 gelegen hat, nun in Richtung 2"
verschoben wird. Die Verschiebung wird um so größer sein, je größer die Phasenverschiebung
zwischen den Demodulationskreisen 1 und 2 ist. Bei 180° Phasenverschiebung, die
dann auftritt, wenn der eine Abtaststrahl rechts und der andere links von der abzutastenden
Linie bleibt, ist nur noch der Hauptstrahl für die Steuerung des Stellmotors bestimmend.
Durch die Widerstände 30, 31 kann die Verschiebung des theoretischen Abtastpunktes
in Richtung 2" bei Abweichungen zwischen Vor- und Hauptstrahl verringert werden.
Die Widerstände 30, 31 werden zweckmäßigerweise mit dem Widerstand 37 zur Grundeinstellung
der Vorschubgeschwindigkeit gekuppelt, so daß bei großen Geschwindigkeiten der Abtastpunkt,
um einen stabilen Bereich zu erreichen, noch genügend gegenüber dem Drehpunkt vorläuft.
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Je größer die Phasenverschiebung zwischen den beiden Abtaststrahlen
ist, um so größer wird die an der Steuerwicklung x des Magnetverstärkers liegende
Spannung. Damit kann die Vorschubgeschwindigkeitimmer mehr reduziert werden. Es
kann vorteilhaft sein; den Magnetverstärker so auszubilden, daß er bei einem Signal
an der Steuerwicklung x schnell schließt, jedoch nach Wegbleiben des Signals mit
relativ großer Zeitkonstante wieder öffnet. Dies kann dadurch ermöglicht werden,
daß der Magnetverstärker eine kurzgeschlossene weitere Steuerwicklung erhält, in
deren Kurzschlußkreis eine Diode eingeschaltet ist.