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Korrektionsverfahren für die digitale Steuerung von Werkzeugmaschinen
und Vorrichtung zu dessen Durchführung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf
ein Korrektionsverfahren für die digitale Steuerung von Werkzeugmaschinen und auf
eine Vorrichtung zu dessen Durchführung. Die Erfindung befaßt sich mit einer solchen
Steuerung, bei der die Weglänge des Mittelpunktes bzw. der Werkzeugachse (z. B.
eines Fräsers) aus einer Mehrzahl von geradlinigen Abschnitten besteht. Dieser Weg,
der im weiteren als »der Werkzeugweg« bezeichnet ist, wird in der Regel von einer
digitalen Rechenmaschine festgelegt, wobei die geradlinigen Abschnitte die Äquidistanten
der geradlinigen Abschnitte des Werkstückumrisses bilden und in einer Entfernung
von diesem verlaufen, die dem Halbmesser des Werkzeuges (Fräsers) gleich ist.
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Der Werkzeugweg wird durch das in die digitale Rechenmaschine eingegebene
Programm, das für einen bestimmten Halbmesser vorbereitet ist, festgelegt. Bei der
praktischen Bearbeitung entstehen jedoch Abweichungen in den Werkstückabmessungen,
die teils durch das Spiel des drehbar gelagerten Werkzeuges, teils durch seine Exzentrizität
mit Bezug zur Mittellinie, die für die Festsetzung des Werkzeugweges ausschlaggebend
war, verursacht werden. Ferner ist in Erwägung zu ziehen, daß auch bei der Bearbeitung
gewisse Werkzeugdeformationen entstehen. Infolgedessen muß man den Werkzeugweg so
korrigieren, daß die gewünschten Abmessungen des Werkstückes - im Rahmen der zulässigen
Herstellungstoleranzen - eingehalten werden. Wenn also nach längerer Benutzung ein
Überschleifen des Werkzeuges und die dadurch entstehende Halbmesserverkleinerung
unvermeidbar wird, muß eine weitere Korrektur des Werkzeugweges erfolgen.
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Bei den bisher bekannten Vorrichtungen zur Festlegung eines Werkzeugweges
mit mehreren geradlinigen Abschnitten kommen zur Durchführung dieser Werkzeugwegkorrektionen
in der Regel die folgenden zwei Methoden in Betracht: 1. Für jeden bestimmten Werkzeughalbmesser
bzw. für den Ausgleich des Einflusses seiner exzentrischen Lagerung wird ein separater
Werkzeugweg errechnet, und zwar mit Hilfe einer Universal-Rechenanlage oder eines
Kontroll-Rechenautomaten. Dadurch entfällt allerdings die Möglichkeit, die Signale
des Kontrollautomaten auf ein Magnetband aufzunehmen. Sollte eine Universal-Rechenanlage
benutzt werden, so ist es notwendig, ein separates Programm für jeden Werkzeughalbmesser
zu errechnen. Bei Verwendung eines Kontroll-Rechenautomaten muß eine Hilfsanlage
zur Äquidistantenberechnung vorgesehen sein, wodurch der Kontroll-Rechenautomat
komplizierter und auch die Benutzung eines linearen Interpolators ausgeschlossen
wird.
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2. An den Ausgabeweg der Steuersignale wird eine Korrektionshilfsvorrichtung
angekuppelt, die aus den Angaben über die Kantenflächen des Werkstückes mit Bezug
auf die Richtung den korrigierten Weg berechnet. Der Nachteil liegt in der Kompliziertheit
einer solchen Korrektionsvorrichtung, abgesehen davon, daß sie allzuoft zur Ursache
von Verzerrungen der Form des eingeleiteten Weges und folglich auch von fehlerhaften
Werkstücken wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren beseitigt die angeführten Nachteile
dadurch, daß die einzelnen geradlinigen Abschnitte aus einem Abschnitt, der entweder
von der veränderten Größe des Werkzeuges unabhängig oder von der veränderten Größe
oder Form des Werkstückes abhängig ist und aus einem bzw. mehreren Abschnitten,
der bzw. die entweder von der veränderten Größe des Werkzeuges abhängig oder von
der veränderten Größe oder Form des Werkstückes unabhängig ist bzw. sind, bestehen,
wobei die Größen der einzelnen Abschnitte festgesetzt werden in Abhängigkeit vom
geradlinigen Abschnitt entweder des Werkstückes oder der Bahn des Mittelpunktes
des Werkzeuges der ursprünglichen Größe, von den Winkeln, die von dem erwähnten
geradlinigen Abschnitt und den angrenzenden Abschnitten eingeschlossen sind,
und
schließlich vom Verhältnis der Größe des ursprünglichen Werkzeuges zur Größe des
Werkzeuges, in bezug auf welche die Korrektion durchgeführt wird, bzw. vom Verhältnis
der Größe und Form des Werkstückes zur Größe und Form des ursprünglichen Werkstückes,
in bezug auf welche die Korrektion durchgeführt wird.
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Zur Klarmachung des Prinzips sind in den Zeichnungen zwei schematische
F i g. 1 und 6 dargestellt, die zwei gegenseitig inverse Varianten behandeln: In
F i g. 1 ist ein fertigbearbeitetes Werkstück aufgezeichnet, das teils mit dem ursprünglichen
Fräser F vom Halbmesser r, teils mit dem kleineren Fräser F' vom Halbmesser r' gefertigt
sein soll; F i g. 6 zeigt die inverse Variante des voranstehenden Falles. Bei dieser
werden mit einem einzigen Fräser F vom Halbmesser r etliche Größen von geometrisch
einander ähnlichen Werkstücken hergestellt, z. B. die Werkstücke W1 und WB.
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Der Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß
jeder der einzelnen geradlinigen Gesamtabschnitte des Werkzeugweges (z. B. der geradlinige
Abschnitt A) teils aus sogenannten »abhängigen«, teils aus sogenannten »unabhängigen«
Abschnitten besteht. Mit Rücksicht darauf, daß zwei gegenseitig inverse Varianten
vorliegen, werden die Begriffe der »abhängigen« oder »unabhängigen« Abschnitte folgendermaßen
definiert: In der ersten Variante (F i g. 1) sind die Abschnitte a1, a2
... usw. (eventuell die Abschnitte a1', a.' . . .
usw.) die »abhängigen«,
da ihre Länge von dem sich ändernden Halbmesser r des Fräsers F abhängt. Diese Abhängigkeit
wird z. B. für den Abschnitt a2 durch folgende goniometrische Gleichung gegeben:
Der Abschnitt a., der mit der konstanten Länge der Kante a des Arbeitsstückes W1
übereinstimmt, ist der »unabhängige« Abschnitt, da er von den Änderungen des Halbmessers
r des Fräsers F unabhängig ist.
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Für die zweite Variante (F i g. 6) sind die Abschnitte ao und aö die
»abhängigen«, da sie von den sich ändernden Längen der Werkstücke W1 und WB abhängig
sind. Die Abschnitte a1 und a2 sind hier die »unabhängigen«, da ihre Längen - in
übereinstimmung mit der Gleichung (1) - dem konstanten Halbmesser r des Fräsers
F proportional sind.
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Die »unabhängigen« Abschnitte in der ersten Variante (F i g: 1) sind
durch die Abmessungen a, b
und c des Werkstückes W1 gegeben; in der zweiten
Variante (F i g. 6) folgen sie jedoch aus der obenerwähnten Gleichung (1) im Zusammenhang
mit dem konstanten Halbmesser r des Fräsers F und mit den konstanten Winkeln a,
ß und y, welche die einzelnen geradlinigen Wege zwischen sich einschließen.
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Bei der Werkstückbearbeitung schließen die einzelnen geradlinigen
Abschnitte A, B und C aneinander an. Daraus folgen nicht nur die Unterlagen
für Berechnung der entsprechenden abhängigen Abschnitte, sondern auch deren Vorzeichen
(positiv oder negativ), die für die weitere Verarbeitung wichtig sind.
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In der Grundvariante gemäß F i g. 1 werden beide abhängigen Abschnitte
(z. B. a1 und a2) dem entsprechenden unabhängigen Abschnitt (z. B. a.) zugezählt,
was selbstredend auch für die restlichen geradlinigen Abschnitte B und C gilt. Die
abhängigen Abschnitte dieser Gattung werden im weiteren als »positiv abhängig« bezeichnet.
Das Entscheidende für ihre »positive« Abhängigkeit ist die Größe des von zwei angrenzenden
geradlinigen Abschnitten (z. B. den Abschnitten A und B) eingeschlossenen
Winkels 99 bzw. ip. Ist dieser Winkel (p bzw. W größer als 180°, dann sind beide
Abschnitte für die weitere Bearbeitung als »positiv abhängig« anzunehmen.
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In F i g. 2 ist ein Teil eines Werkstückes W2 aufgezeichnet, in dem
die zu bearbeitenden Umrißkanten ein Loch oder eine Aushöhlung begrenzen. In diesem
Falle sind die beiden von den angrenzenden geradlinigen Abschnittpaaren eingeschlossenen
Winkel und E kleiner als 180°. Aus diesem Grunde werden in diesem Falle die zugehörigen
Abschnitte (z. B. a1 und a_,) als »negativ abhängig« angenommen. Infolgedessen werden
diese negativ abhängigen Abschnitte a1 und a., zur Festsetzung der tatsächlichen
Länge A des geradlinigen Abschnittes, d. h. des Werkzeugwegabschnittes, von
dem unabhängigen Abschnitt a. abgezogen. Zur Ergänzung der F i g. 2 sei bemerkt,
daß in Hinsicht auf den Werkzeughalbmesser r in den Punkten P und Q keine
scharfen Ecken entstehen, sondern - wie aus F i g. 3 ersichtlich - dem Werkzeughalbmesser
r proportionale Abrundungen.
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In F i g. 4 ist ein allgemeines Beispiel dargestellt, wo bei einem
Werkstück W4 sowohl »positiv abhängige« wie auch »negativ abhängige« Abschnitte
vorkommen. Der Winkel,0 ist kleiner als 180°, wodurch der anliegende Abschnitt a,.,
negativ abhängig ist. Dagegen ist der Abschnitt a1, der an den Winkel r, der größer
als 180° ist, anschließt, »positiv abhängig«. Aus der F i g. 4 ist dann ersichtlich,
daß der geradlinige Abschnitt A durch die algebraische Summe vom »unabhängigen«
Abschnitt ao und den beiden »abhängigen« Abschnitten +a1 und -a2 gegeben ist. In
F i g. 6 ist die andere Grundvariante schematisch dargestellt. Zwei geometrisch
ähnliche Werkstücke W1 und Wo, die sich in bezug auf die Größe durch die Differenz
G unterscheiden, sollen mit einem einzigen Fräser F vom Halbmesser r bearbeitet
werden. Aus der vorstehenden Erläuterung geht hervor, daß hier die Länge der unabhängigen
Abschnitte a1 und a2 durch die goniometrische Gleichung (1) bereits gegeben ist.
Die Länge der abhängigen Abschnitte a, bzw. a.' stimmt mit den tatsächlichen Längen
der entsprechenden Werkstückkanten W1 bzw. Wo überein. In dem aufgezeichneten Ausführungsbeispiel
ist das Werkstück Ws um die Differenz G größer.
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Bei einer Auswertung der einzelnen geradlinigen Abschnitte, z. B.
des geradlinigen Abschnittes A in F i g. 1, wird von folgender Gleichung ausgegangen:
beziehungsweise A = ao -I- r . KA. (4)
Betrachtet man den Halbmesser
r als den maximalen und den Halbmesser r' als den verkleinerten Halbmesser - dessentwegen
die Korrektur durchgeführt
werden soll -, so ist für die tatsächliche
Korrektur das folgende Verhältnis maßgebend:
das immer kleiner als »Eins« sein wird.
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Bei positiver Abhängigkeit verkleinert sich der ursprüngliche abhängige
Abschnitt im Verhältnis D, bei negativer Abhängigkeit im Verhältnis 1- D.
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Die abhängigen Abschnitte bzw. ihre Längen sind im vorhinein festgesetzt.
Für die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es von Vorteil, die beiden
abhängigen Abschnitte eines geradlinigen Abschnitts in einem einzigen abhängigen
Abschnitt zu vereinigen. Allerdings wird man dabei die positive oder negative Abhängigkeit
dieser Abschnitte in der Weise berücksichtigen müssen, daß dieser neu entstandene
abhängige Abschnitt durch die algebraische Summe der oben angeführten Abschnitte
gegeben wird.
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In den vorangehenden Erwägungen wurde das Teilungsverhältnis durch
die Gleichung (5) festgesetzt. Bei der praktischen Anwendung der Erfindung sind
jedoch die Halbmesserunterschiede der Fräser bzw. die Dimensionsunterschiede der
Werkstücke so gering, daß auch die Unterschiede der zugehörigen abhängigen Abschnitte
ganz gering sind. Und da die Korrektion mit Rücksicht auf diese Unterschiede durchgeführt
wird, ist es in vielen Fällen vorteilhafter, den unabhängigen Abschnitt (z. B. den
Abschnitt a. in der F i g. 5) so zu vergrößern, daß er der Gesamtlänge des geradlinigen
Abschnittes - für die Grenzausmaße des Werkzeuges (eventuell für die Grenzausmaße
des Werkstückes) - entspricht. Die Unterschiede der Werkzeugdimensionen (eventuell
der Werkstückdimensionen) werden dann als die entsprechenden abhängigen Abschnitte
ausgewertet. In F i g. 5 ist ein Beispiel aufgezeichnet, wo der unabhängige Abschnitt
a. mit dem ganzen geradlinigen Wegabschnitt des kleineren Fräsers F identisch ist,
wogegen für den geradlinigen Abschnitt A des normalen Fräsers F beide abhängigen
Abschnitte a1 und a2 zugegeben wurden. Analog wäre es auch möglich, in der Weise
vorzugehen, daß durch Programmieren der geradlinige Abschnitt A für den normalen
Fräser F festgesetzt wird und für den verkleinerten Fräser F dann die beiden abhängigen
Abschnitte a1 und a_, abgezogen werden.
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Nachstehend werden mehrere Einrichtungen zum Durchführen des erfindungsgemäßen
Verfahrens beschrieben und in den Zeichnungen schematisch dargestellt. Es sei darauf
hingewiesen, daß nicht nur das Verfahren, sondern auch die entsprechenden Einrichtungen
sich hauptsächlich auf die Steuerung in zwei Koordinatenachsen X und
Y beziehen. In gleicher Weise ist selbstverständlich die Steuerung in mehreren
Koordinatenachsen, wie z. B. eine räumliche Steuerung in den Achsen X, Y
und Z, durchführbar.
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In der folgenden Beschreibung und in den Zeichnungen kommen folgende
Bezeichnungen zur Anwendung: 0X bzw. 0Y = digitale Signale über die aus einer
Rechenmaschine oder aus einem Magnet-oder Lochband kommenden Koordinaten.
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KX bzw. KY = digitale Signale über die durch das erfindungsgemäße
Verfahren korrigierten Koordinaten.
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SGN-OX bzw. SGN-OY = digitale Signale über die Vorzeichen (plus
oder minus) der ursprünglichen Koordinaten.
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D bzw. DX bzw. DY = digitale Signale über das Dividierungsverhältnis.
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S bzw. SX bzw. SY = digitale Signale über die Art der Abhängigkeit
(positive oder negative) für einzelne Abschnitte. Weiter sind in den Zeichnungen
die Verbindungswege der die Koordinaten betreffenden Signale durch volle Linien
und die Verbindungswege der die Vorzeichen, die Dividierungsverhältnisse und die
Art der Abhängigkeit betreffenden Signale durch gestrichelte Linien dargestellt.
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F i g. 7 stellt einen prinzipiellen Aufbau dar. Aus der Rechenmaschine
100 (oder aus einem Magnet-oder Lochband) werden die ursprünglichen Koordinaten
0X (gegebenenfalls auch die ursprünglichen Koordinaten 0Y) in die Korrektionseinheit
200 hineingeleitet. Die aus dieser Einheit herauskommenden korrigierten Koordinaten
KX (gegebenenfalls auch die korrigierten Koordinaten KY) werden weiter in die Steuerungsmechanismen
300 der Werkzeugmaschine eingeführt, wobei diese Mechanismen 300
auch durch
eine Rückkontrolleinrichtung 301 ergänzt werden können.
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In die Korrektionseinheit 200 wird weiter das Dividierungsverhältnis
D eingeführt, und zwar entweder unabhängig von dem momentanen Stande der Korrektion
oder aus der Rechenmaschine 100 bzw. aus der Rückkontrolleinrichtung 301
in Form der Signale Dlao bzw. D31. Dadurch kann auf Grund der Angaben der Rückkontrolle
ein dementsprechender Korrektionseingriff unmittelbar in der korrektionseinheit
200 zur Geltung gebracht werden. Das die Art der Abhängigkeit betreffende Signal
S, das durch die Rechenmaschine 100 gegeben ist, wird ebenfalls in die Korrektionseinheit
200 eingeführt.
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In F i g. 8 ist ein Ausführungsbeispiel (nur für eine Koordinatenachse
X) der Korrektionseinheit dargestellt. Die von der Klemme 85 kommenden Signale 0X
werden in den Umschalter 84 und in die -Multiplikationseinheiten 81 und 82 geleitet,
wobei in dieselben Einheiten auch die Signale D eingeführt sind. Durch die von der
Klemme 87 kommenden Signale S wird der Umschalter 84 mit Hilfe der Betätigungseinheit
83 in der Weise betätigt, daß der Ausgangsklemme 88 die den korrigierten
Koordinaten entsprechenden Signale KX zugeführt werden.
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In den Multiplikationseinheiten 81 bzw. 82 werden die Multiplikationen
0X - D (für positive Abhängigkeit) bzw. 0X (1-D) (für negative Abhängigkeit)
ausgeführt. In der gezeichneten Lage des Umschalters 84 werden die dem unabhängigen
Abschnitt entsprechenden
Koordinaten übertragen, was aus der Beziehung
0X = KX hervorgeht. Beim Übergang auf einen abhängigen Abschnitt wird der
Umschalter 84 je nach der Art der Abhängigkeit umgestellt, wodurch die dementsprechenden
Signale KX an die Ausgabeklemme 88 gelangen.
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F i g. 9 zeigt (nur für die Koordinatenachse X) eine weitere Einrichtung,
bei welcher ein in beiden Richtungen arbeitender Zähler 91 angewendet ist.
Seine Arbeitsrichtung ist durch das Signal SGN-OX von der Eingangsklemme
97 gegeben, wobei von der Eingangsklemme 95 die Signale 0X zugeführt
werden. An den Ausgang des Zählers 91 ist eine dividierende Einheit 92 (z.
B. die sogenannte Sprague-Einheit) angeschlossen, in welche das Signal DX von der
Klemme 96 eingeführt wird. Das Signal DX kann entweder durch einen mechanischen
Schalter oder auch elektronisch eingestellt werden. Die dividierende Einheit ist
mit ihrem Ausgang mit der Klemme 98
verbunden, die die Signale KX liefert.
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F i g. 10 und 11 stellen Einrichtungen für zwei Koordinatenachsän
X und Y dar, wobei an jeden Steuerungskanal je eine Korrektionseinheit
21 bzw. 22 angeschlossen ist. An die ersten Eingänge dieser Einheiten
21 bzw. 22 werden die ursprünglichen Koordinaten 0X bzw. OY gegeben,
während den anderen Eingängen die Vorzeichensignale SGN-OX bzw: SGN-OY zugeführt
werden. Im Falle, daß für jede Koordinatenachse X bzw. Y verschiedene
Dividierungsverhältnisse DX bzw. DY bzw. verschiedene Arten SX bzw. SY der Abhängigkeit
in Frage kommen, verwendet man die Einrichtung gemäß F i g. 10. Dagegen kommt für
den Fall, daß für beide Koordinatenachsen X und Y nur ein gemeinsames
Dividierungsverhältnis D und eine einzige Art S der Abhängigkeit gültig sind, die
Einrichtung gemäß F i g. 11 zur Anwendung.
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In den weiteren Ausführungsbeispielen ist die Auswertung der Abhängigkeiten
näher beschrieben, wobei durch das Signal S gesteuerte Torschaltungen angewendet
werden. Zwecks besserer Übersicht sind diese Torschaltungen in Form von trennbaren
Verbindungen dargestellt. Die eingetragenen Ziffern geben für jede Art der Abhängigkeit
die Leitfähigkeit der Verbindungen in folgender Weise an: »l« = Unabhängig
von dem Werkzeughalbmesser -Abhängig von der Werkstückgröße.
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»2« = Positiv abhängig von dem Werkzeughalbmesser - Unabhängig von
der Werkstückgröße.
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»3« = Negativ abhängig von dem Werkzeughalbmesser - Unabhängig
von der Werkstückgröße. Die Einrichtung gemäß F i g. 12 bildet eine Erweiterung
bzw. Ergänzung der Einrichtung der F i g. 9. Die ursprünglichen Koordinaten 0X werden
nicht nur in den Zähler 121, sondern auch in eine Torschaltung
123 eingeleitet, die je nach der Art der Abhängigkeit umgestellt wird. Das
Vorzeichensignal SGN-OX wird in den Zähler 121 und auch in den Schalter
124 eingeleitet, wonach von den Schalterausgängen die positiven bzw. die
negativen korrigierten Koordinaten +KX bzw. -KX weitergeleitet werden. Die dividierende
Einheit 122 ist mit der Torschaltung 123 verbunden. F i g. 13 zeigt eine
ähnliche Einrichtung mit zwei in einer Richtung arbeitenden Zählern 131 bzw.
133,
die mit den entsprechenden dividierenden Einheiten 132 bzw.
134 verbunden sind. Die beiden ursprünglichen Koordinaten +0X bzw. -0X sind
in eine Torschaltung 135 eingeleitet, wobei auch die positiven Koordinaten
+0X in den Zähler 131 und die negativen Koordinaten -0X in den Zähler
135 eingeführt sind. Die Torschaltung 135 ist durch das Signal SX
je nach der Art der Abhängigkeit gesteuert. Die beiden dividierenden Einheiten
132 und 134 sind parallel durch das Signal DX gesteuert, wobei ihre
Ausgänge auch mit der Torschaltung 135 verbunden sind. Die Ausgänge dieser
Torschaltung 135 liefern dann die positiven bzw. die negativen korrigierten Koordinaten
+KX bzw. -KX.
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F i g. 14 stellt eine Einrichtung mit zwei verschiebbaren Speichern
141 und 142 dar; der Speicher 141
arbeitet als verschiebbarer
Speicher für das eingeführte Signal DX. Der andere, ebenfalls verschiebbare Speicher
142 bildet mit dem Additionsblock 143 eine Speichereinheit
147, die mit der Auswertungseinheit 146 verbunden ist. Diese Auswertungseinheit
146 bearbeitet die Informationen über die einzelnen Koordinaten nicht nur
von der ursprünglichen Nummer, sondern auch von der geänderten Nummer, die hinsichtlich
der ursprünglichen Nummer um einen Impuls vergrößert oder vermindert wird. Diese
so geänderte Nummer wird dann in dem Additionsblock 143 je nach der Bezeichnung
SGN-OX festgestellt.
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Mit der Auswertungseinheit 146 ist noch der schon erwähnte
Speicher 141 verbunden. Der Ausgang der Auswertungseinheit 146 ist
mit einer Torschaltung 145 verbunden, in welche auch das Signal SX eingeleitet
ist. Der hinter der Torschaltung 145 angebrachte Schalter 144 ist
durch das Signal SGN-OX gesteuert. Je nach der Stellung dieses Schalters
144
treten an den Ausgängen entweder die positiven (+KX) oder die negativen
(-KX) Koordinaten aus, die durch das erfindungsgemäße Verfahren korrigiert wurden.