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Bearbeitungsmaschine, insbesondere Brennschneidmaschine Die Erfindung
bezieht sich auf eine Bearbeitungsmaschine, insbesondere Brennschneidmaschine, unter
Verwendung einer Regeleinrichtung, bei der eine nachzuformende Kurve von einer Fotozelle
in Zusammenwirken mit einer Lichtquelle abgetastet wird und der Strom der Fotozelle
nach Verstärkung und gegebenenfalls Demodulierung auf einen über Gegentaktverstärker
gespeisten Verstellmotor einwirkt, mit dem ein Drehmelder gekuppelt ist, der je
einen in der Ordinaten- und Abszissenachse arbeitenden Vorschubmotor winkelabhängig
entsprechend einer Sinus-bzw. Cosinusfunktion steuert. Nachteilig bei derartigen
Bearbeitungsmaschinen ist, daß die Genauigkeit der Nachformung mit zunehmender Vorschubgeschwindigkeit
schlechter wird.
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Es ist bei Nachlaufreglern mit Kurvenabtastung, bei denen der Träger
der Fotozelle entsprechend den Krümmungen der nachzuformenden Kurve gedreht wird
und hierbei über Hilfsschalter die Geschwindigkeit und die Drehrichtung der Vorschubmotoren
steuert, bekannt, daß neben der üblichen Fotozelle noch eine oder zwei weitere Hilfszellen
vorgesehen sind, die unmittelbar vor und/oder hinter der Hauptzelle mitlaufen. Damit
soll bezweckt werden, daß bei einer auftretenden Krümmung die normalerweise gleichmäßig
beaufschlagten Fotozellen nunmehr verschieden stark ausgeleuchtet werden. Diese
verschiedene Ausleuchtung der Fotozellen wird zum Nachführen des Fotozellenträgers
benutzt, so daß sich der Träger stets in Richtung der Kurventangente einstellt.
Zu diesem Zwecke ist mit dem Träger ein Steuerorgan- gekuppelt, mit dem die Geschwindigkeit
der Vorschubmotoren geändert werden kann. Trotz der Vorabtastung des Kurvenzuges
können bei dieser bekannten Arbeitsmaschinensteuerung starke Krümmungen des nachzufahrenden
Kurvenzuges nicht schnell genug erfaßt werden, so daß eine Steigerung der Arbeitsgeschwindigkeit
kaum möglich ist.
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Gemäß der Erfindung kann eine wesentliche Verbesserung dadurch erreicht
werden, daß die in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines Vorstrahles vorzeitig
erfaßten starken Änderungen des abzutastenden Kurvenzuges in der Steuerung in der
Weise berücksichtigt werden, daß durch Änderung der Durchflutungsrichtung des erregenden
Teiles des Drehmelders eine Korrektur vorgenommen wird.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
ein Ausführungsbeispiel wiedergebenden Zeichnung. Als Ausführungsbeispiel ist eine
Abtasteinrichtung zur Steuerung einer Brenn- ; schneidmaschine gewählt.
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F i g. 1 zeigt eine Seitenansicht und F i g. 2 eine Vorderansicht
eines Strahlablenksystems in schematischer Darstellung; F i g. 3 a zeigt die Ausleuchtung
einer Fotozelle bei in der Mitte des Systems befindlicher Kurve und F i g. 3 b bei
außerhalb der Systemmitte beßudlicher Kurve; F i g. 4 gibt ein elektrisches Schaltschema
wieder; F i g. 5 zeigt die Aussteuerung bei verschiedenen Stellungen des Abtastkopfes
gegenüber der abzutastenden Kurve; F i g. 6 gibt die Abhängigkeit der Aussteuerung
von der Abweichung in einer Kurve wieder; F i g. 7 zeigt eine Steuerung der Vorschubmotoren
mit Hilfe eines Drehmelders; F i g. 8 und 9 zeigt schematisch die Einrichtung zur
Erfassung der Korrekturbewegung und F i g. 10 eine Schaltung zur Einsteuerung der
Korrekturbewegung in die Vorschubsteuerung; F i g. 11 zeigt Kennlinien der Magnetverstärker
gemäß F i g. 10 und F i g. 12 die Zusammensetzung der Durchflutung der Statorwicklungen
des Drehmelders.
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Bei Brennschneidmaschinen ist im allgemeinen eine starre Verbindung
zwischen dem Brennschneidkopf und dem Abtastkopf vorgesehen. Um eine konstante Brenngeschwindigkeit
zu bekommen, läuft ein Vorschubrad auf einer Platte oder Rolle ab und verschiebt
dabei jeweils den Brenn- und Abtastkopf in tangentialer Richtung. Um die Vorschubgeschwindigkeit
zu variieren, wird das Vorschubrad mit einem
drehzahlveränderlichen
Motor angetrieben. 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 so geändert
wird, daß der Abtastkopf mit dem Linienzug der abzutastenden Zeichnung übereinstimmt.
Zu diesem Zweck wird das Vorschubrad mit einem Verstellmotor versehen, welcher von
der nachfolgend beschriebenen fotoelektrischen Abtasteinrichtung gesteuert wird.
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In F i g. 1 und 2 ist das Prinzip dieser Abtasteinrichtung wiedergegeben.
Der Einfachheit halber wurde das Liniensystem nicht mit dargestellt. Im Abtastkopf
ist eine Lichtquelle eingebaut, die die abzutastende Zeichnung 1 örtlich beleuchtet.
Ein elektromagnetischer Schwinger mit Spiegel 2 wird mit einer Frequenz erregt,
die so gewählt ist, daß der Vorschubweg während einer Periode klein ist. Mit 3 ist
die Schwenkachse des Spiegels 2 bezeichnet. Zur Erregung des magnetischen Schwingers
wird die Netzfrequenz oder die doppelte Netzfrequenz gewählt. Das von der Zeichnung
1 reflektierte Licht wird über den Spiegel 2 auf eine im Abtastkopf angeordnete
Fotozelle 4 geworfen. Befindet sich der abzutastende Linienzugs in der Mitte des
Abtastkopfes, so wird in beiden Halbperioden eine gleiche mittlere Aussteuerung
durch die Fotozelle 4 erreicht. Wie aus F i g. 3 a zu ersehen ist, sind die beiden
Felder F1 und F? einander gleich. Weicht dagegen der Linienzug 5 von der Mitte des
Abtastkopfes ab (F i g. 3 b), so wird die reflektierte Lichtmenge in der einen Halbwelle
kleiner sein als in der anderen (F1 < F2); d. h., der mittlere Widerstand der
Fotozelle wird in der einen Halbwelle kleiner als in der anderen sein.
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Wie aus Fig. 4 zu entnehmen ist, wird mit der Fotozelle 4 eine Triode
Td gesteuert. Diese liegt mit der Kathode über einen Widerstand R1 an der Mittelanzapfung
der Sekundärwicklung eines Transformators Tr, während die Anode an der Mittelanzapfung
eines Widerstandes R2 liegt, welcher über Gleichrichter Gll und Gli' mit den Enden
der Sekundärwicklung verbunden ist. Ein Widerstand R3 dient zur Einstellung der
negativen Gittervorspannung. Die Enden a und b des Widerstandes R2 sind über
Glättungsglieder C1 und R4 mit dem Eingang eines Gegentaktverstärkers GV verbunden,
der den Verstellmotor M für ein Vorschubrad steuert.
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Die Triode wird jeweils bei Dunkelsteuerung der Fotozelle 4 durchlässig.
Ist die Schwingfrequenz des elektromagnetischen Schwingers mit dem Wechselstrom
des Transformators Tr phasen- und frequenzgleich, so erhält man je nach der Lage
der abzutastenden Kurve gegenüber dem Abtastkopf die in F i g. 5 dargestellten Aussteuerungen.
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In Bild a von F i g. 5 befindet sich der Linienzug 5 genau in der
Mitte des Abtastkopfes, während er in den folgenden Bildern b bis
h immer mehr von der Mitte nach einer Seite abweicht. Übersichtshalber sind
die Abszissen der positiven und negativen Halbwelle auseinandergezogen dargestellt.
An Hand der schraffierten Fläche ist zu erkennen, daß die Aussteuerung in der einen
oder anderen Richtung immer mehr wächst, je weiter der abzutastende Kurvenzug 5
von der Mitte des Abtastkopfes abweicht. Im vorliegenden Fall wird nur im Bild a
die negative Halbwelle angesteuert, während in den folgenden Bildern lediglich die
positive Halbwelle eine Aussteuerung erfährt. Wie aus den Bildern weiter zu ersehen
ist, erreicht die Aussteuerung im Bild fein Maximum und nimmt dann wieder ab.
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Je nach der Lage des Linienzuges zur Mittellinie des Abtastkopfes
wird also am Widerstand R2 (F i g. 4) der Punkt a gegenüber b positiv
oder negativ. Durch die Gleichrichter G12, bzw. G12h wird die Hälfte des
Widerstandes R, je nach der Polarität der Enden überbrückt. Auf diese Weise erhält
man nun je nach Aussteuerung ein entsprechendes Signal auf den nachgeschalteten
Verstärker GV, der im Gegentakt arbeitet. Dieser kann ein Röhren-, Magnetverstärker
oder Transistorverstärker sein, wobei letzterer in Amplivibratorschaltung besonders
geeignet ist, da er einen relativ einfachen Aufbau aufweist. Der Gegentaktverstärker
GV steuert den Verstellmotor in der Weise, daß der abzutastende Linienzug wieder
in die Mitte des Abtastkopfes gelangt.
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In F i g. 6 ist die Aussteuerung in Abhängigkeit von der Abweichung
schaubildlich dargestellt. In Ordinatenrichtung ist die Abweichung und in Abszissenrichtung
die der Abweichung entsprechende Aussteuerung aufgetragen. Der Kurventeil
AB, der parallel mit der Ordinatenachse verläuft, entspricht dabei der Strichbreite.
Von Punkt B steigt die Kurve nach dem Punkt C und fällt dann steil nach dem Punkt
D ab: Der Punkt C entspricht in F i g. 5 dem Bild f und der Punkt D dem Bild
h. Wie man sieht, steigt die Aussteuerung nicht linear mit der Abweichung
an, sondern mit höherer Potenz. Dies hat den Vorteil, daß Schwankungen um die Nullinie
nur eine geringe Ausgangsspannung für den Gegentaktverstärker zur Folge haben, während
bei starken Schwankungen ein steiler Anstieg der Ausgangsspannung stattfindet. Dadurch
wird die Pendelneigung der Einrichtung weitgehend verringert.
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Der elektromagnetische Schwinger mit dem Spiegel führt eine erzwungene
Schwingung aus, so daß er entsprechend seiner Masse und Federkonstante eine Phasenabweichung
von der speisenden Wechsel-Spannung hat. Um eine Phasengleichheit zwischen der Wechselspannung
des Transformators Tr und des mechanischen Schwingungssystems zu erhalten, wird
die Speisespannung des mechanischen Schwingungssystems über einen Phasendreher bekannter
Art geleitet. Die Empfindlichkeit der Anordnung läßt sich in einfacher Weise dadurch
ändern, daß die Amplitude der Schwingung des Spiegels durch Variation der Speisespannung
geändert wird.
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Soll die Vorschubgeschwindigkeit bei gleicher Abtastgenauigkeit gesteigert
werden, so muß zusätzlich zu der tangentialen Vorschubbewegung eine Korrekturbewegung
eingefügt werden. Letztere läßt sich jedoch bei einer Vorschubeinrichtung mit Vorschubrad
nicht ohne weiteres in die Steuerung einführen. Daher wird der Vorschub nicht mit
einem Vorschubrad, sondern in an sich bekannter Weise durch zwei Gleichstrommotoren
bewerkstelligt, welche aus je einem Magnetverstärker gespeist werden, wobei der
eine Vorschubmotor die Bewegung in der Abszissen- und der andere in der Ordinatenrichtung
ausführt. Um eine konstante Vorschubgeschwindigkeit zu erhalten, wird an Stelle
des Vorschubrades in an sich bekannter Weise ein Drehmelder auf den Abtastkopf gesetzt,
der zwei um 90° versetzte feststehende Wicklungen und eine drehbare Wechsel-Stromwicklung
besitzt. Richtet man die Wechselspannung der beiden feststehenden Wicklungen
phasenrichtig
gleich, so erhält man Spannungen nach einer Sinus- bzw. Cosinusfunktion. In F i
g. 7 ist eine derartige Steuerung dargestellt. Der Drehmelder DM
besteht aus
einer beweglichen Wicklung W1 und zwei um 90° gegeneinander versetzte feststehende
Wicklungen W2 und W3, die über einen Transformator Tr l gespeist werden. Die von
der Wicklung W2 gelieferte Spannung wird über Gleichrichter G13 und Verstärker V1
auf die Erregerwicklungen des Generators G1 eines vom Drehstrommotor MA angetriebenen
Leonardsatzes L1 für die Steuerung des einen Vorschubmotors Ml gegeben. Die Erregerwicklungen
des Generators werden dabei gegensinnig durchflossen. Die Spannung der Wicklung
W3 wird über Gleichrichter Gl4 und Verstärker V2 auf die Erregerwicklung des Generators
G2 des Leonardsatzes L2 für die Steuerung des anderen Vorschubmotors M2 gegeben.
Die beiden Vorschubmotoren Ml und M2 werden also entsprechend der Stellung des Drehmelders,
der von dem Verstellmotor M angetrieben wird, gesteuert.
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Aus F i g. 8 und 9 ist das Prinzip zur Erfassung der Korrektur zu
entnehmen. Zu diesem Zweck ist in dem Abtastkopf eine zweite Fotozelle 7 vorgesehen,
die über den gleichen Spiegel 2 von dem reflektierten Licht der Flächen F, und F4
ausgesteuert wird. Durch die Fotozelle 7 wird nunmehr die Kurve 5 voreilend abgetastet.
Dadurch können Richtungsänderungen schon vorher erfaßt und in der Steuerung berücksichtigt
werden. Man erhält also zwei Abtastzonen, wobei die eine die Drehbewegung des Drehmelders
veranlaßt (Fotozelle 4), während die andere eine Korrekturbewegung bei einer Abweichung
des Abtastkopfes aus der Mittellage bewirkt. Mit der Fotozelle 7 wird in gleicher
Weise wie vorher ein Gegentaktverstärker gesteuert, wobei jedoch das Ausgangssignal
nicht den Verstellmotor steuert, sondern das Ausgangssignal wird zur Steuerung eines
den Drehmelder beeinflussenden Magnetverstärkers verwendet, wie an Hand der F i
g. 10 näher beschrieben wird. Der Drehmelder DM, besitzt zu diesem Zweck vier Wicklungen,
wobei die Wicklungen Wa und Wb feststehend sind und um 45° in bezug auf die Waagerechte
versetzt sind. Die beiden Wicklungen W4 und W ", die im wesentlichen den Wicklungen
W2 und W3 der F i g. 7 entsprechen, sind dagegen gemeinsam gegenüber Wa und Wb räumlich
verdrehbar oder umgekehrt. Die Anschlüsse der Wicklungen W4 und W5 an die Motorsteuerung
werden in entsprechender Weise wie in F i g. 7 durchgeführt.
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Die Wicklungen Wa und Wb schließen einen Winkel von 90° ein. Jede
der beiden Wicklungen wird über je einen Magnetverstärker Al bzw. B1 mit Wechselstrom
einphasig gespeist. Die beiden Magnetverstärker sind in Selbstsättigungsschaltung
geschaltet. Fließt in den Steuerwicklungen mit den Anschlußklemmen I und II kein
Strom, dann sind beide Magnetverstärker halb ausgesteuert. Die Einstellung dieser
Nullsteuerung erfolgt durch weitere Steuerwicklungen des Magnetverstärkers, die
zu den Anschlußklemmen III und IV geführt sind. Da in der Nullstellung die Ströme
in den Wicklungen Wa und Wb gleich sind, ergibt sich eine Summendurchflutung des
Drehmelders, die waagerecht liegt. Kommt nun ein Korrektursignal an die Klemmen
I, II, das bekanntlich von der Fotozelle 7 über die Verstärkerschaltung gegeben
wird, so wird infolge der gegensinnigen Schaltung der Steuerwicklungen der eine
Magnetverstärker öffnen und der andere schließen. Wird beispielsweise die Klemme
I positiv, so wird der Magnetverstärker B1 geöffnet und der MagnetverstärkerAl geschlossen.
Die Summendurchflutung wird daher in der einen oder anderen Richtung von der Waagerechten
abweichen. Je nach der Größe des Korrektursignals ist jede Zwischenlage der Gesamtdurchflutung
zwischen Null und annähernd ± 45° räumlich möglich. In F i g. 11 ist links die Kennlinie
für den Magnetverstärker A l und rechts die Kennlinie für den Magnetverstärker B1
dargestellt. Mit x, y und z sind die einander zugeordneten Betriebspunkte bezeichnet.
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In F i g. 12 ist gezeigt, wie sich die Durchflutungen der Wicklungen
Wa und Wb zur Gesamtdurchflutung zusammensetzen. Das Bild links gibt die Durchflutung
für den Betriebspunkt x, das Bild in der Mitte für den Betriebspunkt y und das rechte
Bild für den Betriebspunkt z wieder. Um die Nachformgenauigkeit weiter zu steigern,
ist es zweckmäßig, daß die Vorschubgeschwindigkeit bei starken Richtungsänderungen
herabgesetzt wird. Das kann dadurch erreicht werden, daß man in Abhängigkeit von
der Winkelgeschwindigkeit des Drehmelders eine Reduzierung der Vorschubgeschwindigkeit
vornimmt. Um hierbei ein Verbrennen des Materials zu verhindern, wird zweckmäßigerweise
die Sauerstoffzufuhr in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit gesteuert.