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Anordnung zur Anzeige von Lageänderungen eines gegenüber einem anderen
Objekt Z,
bewegbaren Objektes Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung
zur Anzeige von Lageänderungen eines gegenüber einem anderen Objekt bewegbaren Objektes
nach Größe und Richtung, insbesondere in Verbindung mit automatischen Steuerun-en
an Werkzeugmaschinen od. dgl.
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Bei bekannten Anordnungen dieser Art wird die Strecke der Verschiebung
in diskrete Schritte unterteilt, und diese werden abgetastet. Hierzu verwendet man
eine Skala, die in kleine Maßeinheiten eingeteilt ist, die die einzelnen Schritte
bilden. In der Nachbarschaft der Skala ist ein Abtastorgan angordnet, das die Skala
abtasten kann, so daß bei einer Relativbewegung zwischen der Skala und dem Abtastorgan
an dessen elektrischem Ausgang eine Änderung oder Schwankung zwischen zwei elektrischen
Zuständen entsteht, sobald das Abtastorgan von einer Zone der Skala auf die benachbarte
Zone bewegt wird. Die so erzeugten elektrischen Ausgangssignale können, gegebenenfalls
nach Beschneidung der Amplitude oder Siebung und Umformen in eine Rechteckkurve,
zu einem Zähler gegeben werden, der die durch die augenblickliche Verschiebung überquerte
Anzahl Zonen der Skala zählt.
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Das Abtastorgan, das zum Abtasten der Skala und zur Erzeugung der
Zählimpulse verwendet wird, kann auf verschiedenste Weise ausgebildet sein. Beispielsweise
ist eine Anordnung bekannt, bei der eine lineare magnetische Skala verwendet wird,
deren ,Skalenteile durch ausgesparte Striche gebildet sind, wobei jeder Strich und
der benachbarte stehengebliebene Teil der Skalenoberfläche beispielsweise eine volle
Skalenteilung bilden. Mit dieser Skala steht ein elektromagnetischer Abtastkopf
in Flußverbindung und ist in einem geeigneten Abstand von der Skala angeordnet.
Seine Polflächen können die ausgesparten Striche und die stehengebliebenen Teile
anzeigen. Wenn dieser Abtastkopf längs der durch die ausgesparten Striche und die
stehengebliebenen Teile gebildeten Skala bewegt wird, so ist der magnetische Widerstand
des Magnetflusses über einem Strich groß, über einem stehengebliebenen Teil jedoch
klein, so daß der Abtastkopf bei seiner Verschiebung längs der Skala zwischen zwei
elektrischen Widerstandswerten hin- und herschwankt. Der elektrische Ausgang eines
derartigen Abtastkopfes ist daher eine Funktion seiner relativen Verschiebung und
kann für den Idealfall als Rechteckwelle angenommen werden.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, mehrere derartige Magnetköpfe
in einem geeigneten Abstand voneinander längs der Skala anzuordnen, beispielsweise
zwei MagnetkÖpfe. Die Verwendung von zwei Magnetköpfen bei derartigen Anordnungen
hat zwei Vorteile: Ein erster Vorteil der Verwendung von zwei Magnetköpfen liegt
darin, daß bei zwei miteinander verbundenen Magnetköpfen die Zählimpulse ein höheres
Auflösungsvermögen erlauben, als dem wirklichen Abstand zwischen den SKalenteilen
entspricht. Der andere Vorteil der Verwendung von zwei Magnetköpfen liegt in der
Möglichkeit des Aufnehmens von bestimmten elektrischen Zuständen der Köpfe in einer
Position bezüglich der Skala während eines bestimmten Zeitintervalls und in einem
darauffolgenden zweiten Zeitintervall, wenn die Köpfe aus der vorhergehenden Position
um weniger als eine Skalenteilung verschoben wurden. Die Anordnung ist so getroffen,
daß in diesem Fall einer der Köpfe stets seinen elektrischen Zustand geändert hat
und man auf diese Weise die Richtung der stattgefundenen Verschiebung bestimmen
kann.
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Bei der schon vorgeschlagenen Anordnung werden diese Vorteile dadurch
erreicht, daß zwei Köpfe längs der Skala in einem solchen Abstand - voneinander
angeordnet werden, daß die durch die Köpfe erzeugten Ausgangssignale um einen bestimmten
Betrag phasenverschoben sind. Der Abstand der zwei Köpfe ist beispielsweise so gewählt,
daß er etwa ein Viertel einer Skalenteilung größer ist, als einem
ganzzahligen
Vielfachen der Skalenteilung entspricht. Wenn also eine Skala eine Skalenteilung
in der Größenordnung von 4 mm aufweist, kann bei Betrachtung der Ausgänge der beiden
Köpfe schon eine Verschiebung in der Größenordnung' von 1 mm festgestellt
werden. Bei derartig angeordneten Köpfen kann auch durch das Aufzeichnen des elektrischen
Zustandes der Köpfe in irgendeiner besonderen Lage eine Richtungsabhängigkeit erreicht
werden. Beispielsweise stehen zwei Köpfe gleichzeitig über einem ausgesparten Strich
oder über einem stehengebliebenen Abschnitt oder ein Kopf -über einem ausgesparten
Strich und der andere Kopf über einem stehengebliebenen Teil, oder umgekehrt. Für
jede dieser Bedingungen kann der elektrische Zustand sowie die Verschieberichtung
bestimmt werden. Diese Bedingungen wiederholen sich und ergeben eine Aufzeichnung,
aus der die Richtung der Bewegung ge-
genüber einer vorhergehenden Lage abgelesen
werden kann.
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Bei der schon vorgeschlagenen Anordnung dieser Art sind getrennte
Speichervorrichtungen, beispielsweise Flip-Flop-Kreise, für jede der vier elektrischen
Zustände erforderlich, die zur Bestimmung der Verschieberichtung aufgespeichert
werden müssen. Zwei Flip-Flop-Kreise sind zur Speicherung des elektrischen Zustandes
Köpfe in einem ersten Zeitintervall und zwei Flip-Flop-Kreise zur Speicherung der
elektrischen Zustände in einem zweiten Intervall erforderlich. Durch die Feststellung,
welcher Kopf am Ende des zweiten Zeitintervalls seinen elektrischen Zustand geändert
hat, wird die Richtung der Verschiebung bestimmt.
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Das vorerwähnte Prinzip ist in gleicher Weise auf nichtlineare Skalen
anwendbar. Beispielsweise können Winkeländerungen mit einer Anordnung bestimmt werden,
in der die Skala auf der Oberfläche einer Trommel oder Walze angeordnet ist. Jede
Skalenteilung stellt in diesem Fall einen Drehwinkel der Trommel dar. In ähnlicher
Weise können die Skalentelle durch radiale Striche auf der Oberfläche einer Scheibe
aus magnetischem Material bestehen. Auch hier sind wiederum die Köpfe in einem
Ab-
stand und gegebenenfalls schiefwinklig zueinander der Oberfläche der Scheibe
benachbart und in Wirkverbindung mit den Skalenteilungen angeordnet, so daß sie
den Skalenweg auflösen, der durch Aussparungen und dazwischen stehengebliebene Teile
zusammengesetzt ist.
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Auch können andere Arten von Abtastköpfen und Skalen verwendet werden.
Geeignet hierfür sind beispielsweise fotoelektrisch- Anordnungen mit einer Lichtquelle
und Foto7ellen, die ähnlich der oben beschriebenen Weise angeordnet sind und mit
einer Skala zusammenarbeiten, die durchsichtige und undurchsichtige Abschnitte aufweist
und auf diese Weise Änderungen des elektrischen Zustandes der Fotozellen bewirkt.
Auch kann eine an ihrem Umfang mit Zähnen versehene Scheibe zur Unterbrechung des
auf die Fotozellen fallenden Lichtstrahles verwendet werden, um das gleiche Ergebnis
zu erzielen. In anderen Anwendungsbeispielen können Fotowiderstände an Stelle der
Fotozellen verwendet werden.
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Die relative Verschiebung zwischen den Abtastköpfen und der Skala
kann durch irgendwelche, zweckmäßig möglichst einfache Vorrichtungen erfolgen. Für
die vorliegenden Erläuterungen wird angenommen, daß entweder die Abtastköpfe oder
die Skala durch eine geeignete Antriebsvorrichtung bewegt werden. Bei einer Anwendung
der erwähnten Meßanordnungen bei Werkzeugmaschinen ist beispielsweise etie Verschiebung
längs einer bestimmten Werkzeugmaschinenachse zu bestimmen.
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Wird eine der vorerwähnten, bereits vorgeschlagenen Anordnungen zur
Steuerung von Werkzeugmaschinen verwendet, so ist beispielsweise eine Taktimpulsquelle
erforderlich, um eine Synchronisierung des Systems zu erhalten und um ein Zeitintervall
zu bekommen, das die Grundlage für die Betrachtung der einzelnen elektrischen Signalkonfiguration
der beiden Magnetköpfe während aufeinanderfolgender Zeitintervalle bildet, so daß
man eine Richtungsanzeige erhalten kann. Dies erfordert aber, daß die Taktimpulsquelle
eine Periode hat, die beträchtlich kleiner als das kürzeste Zeitintervall ist, in
dem sich die elektrischen Zustände der Abtastköpfe bei der höchsten zu erwartenden
Verschiebegeschwindigkeit längs der vorerwähnten Maschinenachse ändern können. Denn
nur wenn diese Bedingung erfüllt ist, wird verhindert, daß die Köpfe ihren elektrischen
Zustand innerhalb eines einzigen Zeitintervalls ändern; tritt dies ein, so wird
die Anzeige der Verschieberichtung falsch. Anordnungen dieser Art erfordern jedoch
noch andere Zähler zusätzlich zu den Zählern der Skalenteile, die Zeitintervalle
festlegen, in denen die elektrischen Änderungen der Köpfe und andere Signale des
Systems berücksichtigt werden.
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Die vorliegende Erfindung geht von einer Anordnung zur Anzeige von
Lageänderungen eines gegenüber einem anderen Objekt bewegbaren Objektes nach
Größe und Richtun g mittels mindestens zweier in einem ganz bestimmten Abstand
voneinander an einem dieser Objekte angeordneten Abtastorgane mit »NULL«-»EINS«-Aussage
aus, bei welcher das Maß der Lageänderung aus der Anzahl der gezählten Abtastsignale
bestimmbar ist. Die Erfindung besteht darin, daß bei einer solchen Anordnung eine
Schaltungsanordnung zum Erzeugen von Hilfssignalen in Form von zu den von den Abtastorganen
erzeugten Abtastsignalen invertierten Signalen, weiterhin eine Schaltungsanordnung
zur Differentiation sowohl der Abtastsignale als auch der Hilfssignale und ferner
eine Entscheidungs-Schaltungsanordnung, mittels welcher aus den sich für eine Einstellung
des bewegten Objektes ergebenden Signalkombinationen aus allen diesen Signalen die
Richtung der Bewegung bestimmbar ist, gemeinsam vorhanden sind.
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Bei der erfindungsgernäßen Anordnung wird beim Abtasten eines Merkmalträgers
aus den möglichen vier elektrischen Zuständen (Signalkombinationen) das Kriterium
für die Richtung der Bewegung abgeleitet, und zwar durch Bildung einer Hilfsgröße.
Durch diese Maßnahme wird die Anordnung eines Taktgebers entbehrlich. Selbstverständlich
soll die Erfindung nicht auf die Verwendung von zwei in bestimmtem Abstand, z. B.
längs einer Skala, angeordnete Abtastorganen beschränkt sein. Es können vielmehr
bei Bedarf auch mehr als zwei derartige Abtastorgane Verwendung finden. In solch
einem Fall findet man den zusätzlichen Abstand, um den zwei benachbarte Abtastorgane
über den ein ganzzahliges Vielfaches der Skalenteilung entsprechenden Abstand zusätzlich
in einer Richtung längs der Skala angeordnet sein müssen, mit Hilfe des Ausdrucks
180' N, wobei die Zahl der Abtastorgane
bedeutet. Wenn beispielsweise
drei Abtastorgane verwendet werden, so können diese in einem Sinne längs der Skala
je um ein Sechstel einer Skalenteilung gegeneinander verschoben angeordnet
sein.
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Die Erfindung:wird an Hand von Ausführungsbeispielen im folgenden
noch näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt schematisch die Anordnung mit als Beispiel dargestellten
Abtastköpfen; F i g. 2 zeigt eine graphische Darstellung von idealisierten
Ausgangssignalen der zwei Abtastköpfe nach F ig. 1 bei Bewegung in einer
Richtung; F i g. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsforin der erfindungsgemäßen
Anordnung; F i g. 4 und 5 zeigen die durch die Anordnung nach F i
g. 3 erzeugten Signale für positive und negative Verschiebungen der Abtastköpfe
relativ zu der Skala; F i g. 6 zeigt einen Einzelheiten enthaltenden Schaltplan
der die Position anzeigenden, in dem Blockschaltbild nach Fig.3 dargestellten Schaltungsanordnung,
und F i g. 7 zeigt einen Schaltplan der logischen UND-und ODER-Schaltkreise
der F i g. 3.
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Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsforin der Erfindung
wird ein fotoelektrisches oder nach Art eines Fotowiderstandes ausgebildetes Abtastorgan
(Abtastkopf) verwendet. Es können aber auch beispielsweise Magnetköpfe verwendet
werden. Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsforin der Erfindung
wird von einer Welle 1 eine Zahnscheibe 2 angetrieben. Diese Welle kann zu
einer ein bewegliches Teil längs einer bestimmten Richtung oder Achse der Werkzeugmaschine
verschiebenden Schraubspindel gehören oder kann von einer derartigen Schraubspindel
in geeigneter Weise angetrieben sein. Die Scheibe trägt an ihrem Umfang vorzugsweise
in gleichmäßigem Abstand voneinander angeordnete Zähne 3, die einen von einer
Lichtquelle 5 erzeugten Lichtstrahl 4 unterbrechen. Zwei lichtempfindliche
Detektorköpfe, die mit HMxl und HMx2 bezeichnet sind, sind in diesem Lichtstrahl
angeordnet und bezüglich der Ränder der Zähne3 auf der Scheibe 2 so angeordnet,
daß je nach der Drehrichtung der Scheiba entweder die eine lichtempfindliche
Zelle oder die andere lichtempfindliche Zelle zuerst geschaltet wird. Dadurch können
einer Drehungsrichtung zugeordnete Ausgangssignale erzeugt werden, die idealisiert
als Rechteckwellen in Fig.2 dargestellt sind und die gegeneinander um
900 phasenverschoben sind. Wie oben erwähnt, wird während eines vollständigen
Arbeitszyklus innerhalb einer Skalenteilung ein bestimmter Detektorkopf von einem
Zustand zum anderen geschaltet, im vorliegenden Beispiel also vom einen Widerstandswert
zu einem anderen Widerstandswert. Auf jeder dieser Kurven kann ein vollständiger
Operationszyklus als Abstand zwischen zwei benachbarten entsprechenden Punkten definiert
werden. Die beiden Ausgänge der DetektorköpfeHMxl und HMx2 geben einen Skalenzählimpuls,
dessen Lage genauer bestimmt ist als durch den Abstand zwischen zwei entsprechenden
Punkten benachbarter Zähne auf der Scheibe, 2, also entstehen im vorliegenden Fall
vier derartige Zählimpulse für jede Skalenteilung.
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Bei der in F i g. 3 dargestellten Anordnung ist die Skalenteilung
3a durch ausgesparte Striche und dazwischen stehengebliebene Teile einer magnetischen
Skala 2a dargestellt, wie dies oben beschrieben ist. Die übertragerköpfe HMx
1 und HMx 2 sind in diesem Fall elektromagnetische Köpfe, die Skalenteilungen
ablesen können und in einem Abstand voneinander von etwa einem Viertel der Skalenteilung
diese abtasten, wobei diese Magnetköpfe wiederum mit geeigneten Meßsehaltungen verbunden
sind. Die Ausgangssignale der Magnetköpfe sind wiederum idealisiert und für eine
Richtung der relativen Bewegung in F i g. 2 dargestellt.
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Eine weitere Ausführungsform einer Skala 2a ist durchsichtig und weist
dunkle Linien auf, wobei wiederum fotoelektrische Ableseköpfe verwendet werden.
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Die Ausgänge der Ableseköpfe sind mit die Position messenden Schaltkreisen
verbunden, die als Ganzes mit 5 und 6 bezeichnet sind. Diese die Position
messenden Kreise sind einander gleich, und jeder dieser Kreise weist Verstärkungsstufen
zur Verstärkung der von den Ableseköpfen kommenden Eingangsimpulse und zwei Ausgangskreise
auf, von denen der eine eine Inversionsschaltung enthält, die ein elektrisches Ausgangssignal
erzeugt, dessen Phase um 1800 gegenüber dem anderen Signal verschoben ist
(auch als »komplementäres Signal« bezeichnet). Die Ausgangssignale sind mit M
1 und M 1 bezeichnet, das letztere wird durch die Inversionsschaltung
erzeugt. Die Ausgangssignale des die Position anzeigenden, entsprechend aufgebauten
Schaltkreises 6 sind mit M2 und M2 bezeichnet. Die Änderungsgeschwindigkeit
der Ausgangssignale erhält man in Differentiationskreisen 7, 8, 9 und
10, an die die Signale Ml, Yll, M2 und N12 angelegt werden. Diese sind, wie
weiter unten beschrieben wird, bekannte Differentiationsschaltkreise, in denen positiv
sich verändernde Spannungen am Eingang durch geeigpete polarisierte Diodenkreise
blockiert werden. Die Ausgänge dieser Differentiationskreise sind mit d(M1), d(M1),
d(M2), d(H2) bezeichnet.
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Die Ausgangssignale der Positionsmeßkreise 5
und 6 sind
mit den Ausgangssignalen der Differentiationskreise zwei logischen Schaltkreisen
11 und 12 zugeführt. Die Art, wie diese logischen Kreise wirken, ist in den
Diagrammen F i g. 4 und 5 sowohl für positive als auch für negative
relative Verschiebungen der beiden gegeneinander beweglichen Teile dargestellt.
In F ig. 4 sind die Ausgänge der Positionsmeßkreise 5 und 6 durch
ein erstes Paar von Signalen M 1 und M 2 und durch ein zweites Paar
von Signalen Hl und M2 dargestellt, wobei die letzteren Signale um
1800 gegenüber den erstgenannten phasenverschoben sind. Außerdem ist die
zeitliche Beziehung des Signals Ml zu dem Impuls d(M1) dargestellt. Diese Impulse
werden durch den Differentiationskreis bei einer negativen Änderung der Spannung
des Signals M 1 erzeugt. Ähnlich e Impulse d (M 2) werden
bei einer negativen Änderung der Spannung des Signals M2 erzeugt. Die Impulse d(M1)
werden durch eine negative Änderung des Signals Ml und die Impulse d(M2)
werden durch eine negative Änderung der Spannung des Signals M2 erzeugt. Aus dem
Diagramm ergibt sich auch, daß die Signale MI, M2, Ml, N12 zwischen
0 und -2 Volt pendeln. Alle diese Impulse haben also einen ähnlichen Spannungsbereich.
Die Art, wie die Spannungssignale aufeinanderfolgen, hängt von der willkürlich gewählten
Bewegungsrichtung der Abtastköpfe bezüglich der Skala ab. Die Bewegungsrichtung,
die der F i g. 4
zugrunde liegt, wird im folgenden als positive
Richtung bezeichnet. In diesem Fall eilt die Spannung M 1
der Spannung
M 2 um 901 nach. Die Phase der Spannung HI eilt der Phase der Spannung N12
ebenfalls um 900 nach.
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Im folgenden werden die Bedingungen für die Erzeugung eines Zählimpulses
für eine Verschiebung in positiver Richtung erläutert. Diese Bedingung erfordert
einfach das Zusammenschalten der negativen Spannungsimpulse mit den negativen Spannungszuständen
von Ml, M2, Tvll. und M2. Im Fall der Fig. 4 erscheinen die negativen Impulse
d(M1) immer während des negativen Spannungszustandes M2. Also kann eine Bedingung
für die Erzeugung eines positiven Zählimpulses geschrieben werden als d(M1)
- M2. Eine weitere Bedingung d(H1) - 792 ergibt sich ebenfalls
aus F i g. 4. Eine dritte Bedingung lautet d(M2) - Hl-, und
eine vierte, letzte Be-C din-una wird durch dM2 - Ml ausgedrückt.
Für die C Z,
Impulse der positiven Richtung kann nun geschrieben werden: Impulse
für positive Richtung = d (M 1) - M 2 +
d
- (M1) - 7V12 + d(M2) - Ml + d(M2)
. Ml.
Dieser Ausdruck stellt eine Schaltung dar, die vier UND-Schaltkreise
aufweist, deren Ausgänge an einen ODER-Schaltkreis angelegt sind, der einen einzigen
Ausgang hat. Ein Ausgangssignal an dem ODER-Schaltkreis erscheint jedesmal, wenn
an einem der UND-Kreise zwei Signale gleichzeitig eingehen. Die UND-Kreise für die
UND-Glieder des obigen Ausdrucks sind mit 13, 14, 15 und
16 bezeichnet. Die Ausgänge dieser Kreise sind an einen einzi- n ODER-Kreis
17 an-ele-t. Der Ausaanc, des e C-ODER-Kreises 17 ist mit dem Eingang
eines Verstärkers und einer Inversionsschaltung verbunden, die als Ganzes mit
18 bezeichnet sind und die ein A-usgangssignal jedesmal dann erzeugen, wenn
ein Signal Ml oder M2 in seinem necafiven Zustand ist und zugleich der in den obigen
Ausdrücken dazugehörige C
negative Impuls ankommt, wodurch ein Zählimpuls
erzeugt wird, und zwar viermal innerhalb einer Skalenteilung der verwendeten Skala.
Diese Zählimpulse erscheinen nur bei positiver Richtung der el Bewegung.
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F i g. 5 erläutert die Beziehung der Spannungssignale M
1, M 2, NI 1, M 2 f ür die negative Richtung,
die der vorerwähnten Richtung entgegengesetzt ist. In diesem Fall eilt das Signal
M2 dem Signal Ml um 901 nach. In ähnlicher Weise eilt das Signal M2 der Phase
des komplementären Signals Hl um 901
nach. Auch hier werden wiederum bei einer
Änderung des Spannungszustandes in Richtung einer höheren negativen Spannung durch
die Differentiationskreise 9
und 10 Spannungsimpulse erzeugt. Durch
logische Kombination der Spannungszustände und der Impulse findet man in ähnlicher
Weise wie bei F i g. 4 folgende logische UND-Beziehungen für die Impulse,
die die negative Bewegungsrichtung anzeigen: d(M1) - H2; d(M1)
- M2; d(M2) - MI.; d(H2) - Hl.
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Wie im vorhergehenden stellt jeder dieser Ausdrücke einen Zählimpuls
dar, in diesem Fall für die negative Bewegungsrichtung. Man kann daher als Bedingung
für das Auftreten von Impulsen für die negative Richtung, den Ausdruck schreiben:
Impulse für negative Richtung d (M 1) - M 2
d - (M1) - 792 + d(M2) - Nll d(-M2)
- Ml.
Die obererwähnten Ausdrücke stellen einen Stromkreis dar,
der als Ganzes mit 12 bezeichnet ist und UND-Schaltkreise 19, 20, 21 und
22 für die UND-Beziehungen der obigen Gleichung aufweist. Jeder der UND-Schaltkreise
hat einen einzigen Ausgang, der an einen ODER-Schaltkreis 23 angelegt ist,
dessen Ausgang wiederum an den Eingang eines Verstärkers und einer Inversionsschaltung
24 angelegt ist, die in gleicher Weise wie die mit 18 bezeichnete Schaltung
ausgebildet sind.
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Bei der Betrachtung der beiden obenerwähnten Ausdrücke erkennt man,
daß jeder der UND-Ausdrücke einmal während des Abstandes zwischen zwei Skalenteilen
erscheint. Wenn beispielsweise die Abtastköpfe sich in positiver Richtung bewegen,
so entspricht der Abstand zwischen zwei einander entsprechenden Punkten
A und B auf der Kurve MI in der F i &-. 4, der auch den Abständen zwischen
entsprechenden Punkten der anderen Kurven entspricht, einer Skalenteilung auf der
Skala. Prüft man die einzelnen Glieder des Ausdrucks für die Impulse in positiver
Richtung, so erkennt man, daß zu Beginn dieses Zeitintervalls oder zu Beginn dieser
Skalenteilung der Impuls d(M1) und der negative Spannungszustand des Signals M2
gleichzeitig existieren. In dem zweiten Viertel der Skalenteilung erscheinen der
Impuls d(M2) und der negative Spannungszustand des Signals Ml gleichzeitig; in dem
dritten Viertel der Skalenteilung werden der Impuls d(M1) und der negative Spannungszustand
des Signals M2 gleichzeitig erzeugt. Im letzten Viertel dieser Skalenteilung existieren
der Impuls d(M2) und der negative Spannungszustand des Signals (M 1) gleichzeitig,
Das Ende des Intervalls A, B, das mit dem Beginn der nächsten
Skalenteilung zusammenfällt, ist durch den nächstfolgenden Spannungsimpuls d(M1)
markiert. Der vorerwähnte Operafionszyklus wiederholt sich dann. Ähnliche Betrachtungen
gelten für die Bewegung in negativer Richtung.
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Die Überlegungen zeigen, daß alle vier UND-Kreise, an die die Spannungssignale
und die Spannungsimpulse angelegt sind, bei jeder Richtung der Bewegung bei jeder
überquerung einer Skalenteilung erregt werden. Die Eingänge zu den Verstärkern und
Inversionsschaltungen 18 und 24 erhalten daher Zählimpulse. Am Ausgang jedes
Verstärker- und Inversionskreises erscheint ein Spannungssignal, das in der in F
i g. 3 dargestellten Art zwischen 0 und - 2 Volt wechselt.
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Einzelheiten der Positionsmeßkreise einschließlich der zwei Differentiationsschaltungen
sind in F i g. 6
dargestellt. Die in F i g. 6 dargestellte Schaltung
entspricht sowohl der Schaltung 5 als auch der Schaltung 6
in F i
g. 3. Der einfachen Darstellung halber wird in dem Schaltschema der F i
g. 6 der Detektorkopf als ein Widerstandselement 26 dargestellt, das
durch einen lichtempfindlichen Detektor HMx 1 gebildet sein kann. Die Schaltuno,
verwendet Transistoren als Verstärkerelemente und enthält zwei durch Transistoren
Q 1 und Q 2 dargestellte Verstärkerstufen. Diese Transistoren
sind vom Typ p-n-p und bilden zwei in Kaskade geschaltete Verstärkerstufen.
Jeder dieser Transistoren wird mittels der Basisspannung gesteuert. Der beispielsweise
als Fotowiderstand ausgebildete übertragerkopf HMxl variiert seinen Widerstand in
Abhängigkeit von der Intensität des Lichtstrahles und ist mit einer 25-Volt-Stromquelle
verbunden, die in der Reihe mit dem Widerstand R 1
ist.
Widerstandsänderungen des Widerstandselements 26 in diesem Serienkreis erzeugen
Spannungsänderangen des Spannungsabfalles an dem Widerstand R 1
und
damit Spannungsänderungen an der Basis des Transistors Q 1. Der Emitter
des Transistors Q 1 liegt an dem Abgriff des Potentiometers R2, mit
dem ein Widerstand R 3 in Serie geschaltet ist. Dieser Emitterkreis liegt
ebenfalls an der 25-Volt-Spannungsquelle. Der Abgriff des Potentiometers R 2 gibt
die Emitterspannung von Q 1 und daher die Sperrspannung an der Basis
von Ql. Die Einstellung erlaubt die Anpassung für Abtastorgane, beispielsweise Fotowiderstände
mit einem Dunkelwiderstand in einem bestimmten Widerstandsbereich, beispielsweise
zwischen 4-0 und 80 kOhm. Der Abgriff des Potentiometers R 2 kann auch dazu
dienen, um für eine konstante Verschiebegeschwindigkeit des Abtastorgans am Ausgang
des Transistors QI eine Rechteckwelle zu erzeugen.
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Das von dem Kollektor des Transistors Ql abgenomm ene Signal wird
in dem Transistor Q 2 verstärkt und an den Eingang eines Verzögerungskreises
gelegt, der Kondensatoren Cl und C2 sowie dazugehörige Widerstände
und Dioden in der in F i g. 6 dargestellten Weise enthält. Der Ausgang dieses
Verzögerungskreises ist mit der Basis des Transistors Q3 verbunden, der einen
Teil eines Triggerkreises bildet, der noch den Transistor Q 4 enthält. Die
Transistoren Q 3
und Q4 sind über einen gemeinsamen Ernitterschaltkreis
miteinander verbunden. Der Ausgang dieses Triggerkreises an dem Kollekter des Transistors
Q4
ist über eine Diode D5 mit der Spannungsklemme -2Volt verbunden
und daher auf die Spannung -2Volt vorgespannt. Der Ausgang des Kollektorkreises
des Transistors Q4 liefert daher das Signal MI, das OVolt beträgt, wenn der
Fotowiderstand nicht belichtet ist, und das -2Volt beträgt, wenn der Fotowiderstand
belichtet ist.
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Der Verzögerungskreis soll verhindern, daß der Triggerkreis einschließlich
der Transistoren Q 3
und Q4 ihren elektrischen Zustand mit höherer
Geschwindigkeit ändern, als die anderen Stromkreiselemente folgen können. Obgleich
dies bei der beschriebenen Ausführungsforin der Erfindung nicht der Fall ist, können
an die Ausgänge 18 und 24 der Gesamtschaltung Flip-Flop-Zähler angeschlossen
sein. Derartige Zähler haben notwendigerweise eine begrenzte Zählgeschwindigkeit.
Das Verzögerungsnetzwerk verzögert daher die Schaltoperationen des Triggerkreises
so, daß die maximale Schaltgeschwindigkeit nicht höher ist als die maximale Zählgeschwindigkeit
eines solchen Zählers.
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Der nun mit MI bezeichnete Ausgang des Triggerkreises wird an einen
Verstärker und eine Inversionsschaltung angelegt, die einen Transistor QS enthält,
dessen Emitter auf Massepotential liegt. Der Ausgangskreis dieses Verstärkers und
Inverters wird durch den Kollektorkreis des Transistors Q 5 gebildet, der
ein Signal Nll erzeugt, das das Komplement des Signals M 1 ist und
1801 phasenverschoben zu diesem ist. Das Ausgangssignal Ml wird in einer
Differentiationsschaltung differentiiert, die einen Kondensator C3 enthält.
Der Eingangskreis dieser Differentiationsschaltung, an die das Signal Ml angelegt
wird, enthält eine Diode D 6, die entgegengesetzt zu den positiv verlaufenden
Teilen des Signals M 1 gepolt ist. Bei der vorliegenden Ausführungsforin
werden nämlich nur die negativ verlaufenden Teile des Signals Ml in der Differentiationsschaltung
differentiiert. Dieser Kreis wird von der + 25-Volt-Spannungsquelle über Widerstände
R18 und R19 gespeist, die parallel zu dem Differentiationskondensator
C3
liegen. Der Ausgang dieses Kreises ist über eine Diode
D7 mit Masse verbunden, so daß die Ausgangsklemme d(M1) negativ verlaufende
Impulse fährt, die zwischen dem Massepotential oder 0 Volt oder
- 2 Volt variieren.
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Die Differentiationsschaltung für das Signal NU
enthält einen
Kondensator C4 und eine Eingangsdiode D 9 und entspricht dem vorher erläuterten
Differentiationskreis, so daß eine weitere Erklärung unnötig erscheint. Dieser zweite
Differentiationskreis erzeugt ein Ausgangssignal d(M1), das zwischen 0 und
-2Volt variiert.
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Die logischen UND- und ODER-Kreise und die zwei Inversionsschaltungen
und Verstärker, die in Fig. 3 iin Blockschaltbild dargestellt sind, sind
in F i g. 7 im einzelnen erläutert. Die Verwendung von negativen Spannungsimpulsen
und Spannungszuständen erfordert einen negativen logischen Kreis. Jeder UND-Kreis
in Fig. 7 enthält Eingangsdioden D10
und D11, deren Anoden die,angeschriebenen
Eingangssignale empfangen. Die Kathoden der Dioden sind an ihrem einen Ende mit
einem Widerstand R 20 verbunden, dessen anderes Ende mit der -25-Volt-Spannungsquelle
verbunden ist. Die gemeinsame Endklemme jedes UND-Kreises ist mit der Kathode einer
Diode D12 verbunden. Die Dioden D12, die mit dem Eingang der beiden
Inversions- und Transistoren Q6 enthaltenden Verstärkerschaltungen verbunden
sind, bilden die ODER-Dioden für den ODER-Kreis, der zusätzlich noch je eine
Diode D 13
und einen Widerstand R21 aufweist, dessen eines Ende mit
der 25-Volt-Spannungsquelle verbunden ist. Wie erwähnt, wechselt die, Spannung des
Eingangssignals an den UND-Kreisen zwischen 0 und 2 Volt. Die Vorspannung
an der Basis jedes Inversions- und Verstärkungstransistors Q 6 schwankt daher
zwischen 0 und -2 Volt. Die Emitter der beiden Transistoren Q 6
sind durch einen gemeinsamen Emitterschaltkreis miteinander verbunden und liegen
auf Massepotential, das im vorliegenden Fall 0 Volt beträgt. Der Transistor
Q 6 ist daher nichtleitend, wenn die Eingangssignale auf
0 Volt liegen. Wenn jedoch gleichzeitig zwei negativ werdende Signale an
einem der UND-Kreise eintreffen, so fällt die Spannung an dem gemeinsamen Ausgang
des UND-Kreises von 0 auf - 2 Volt ab. Diese Spannung wird durch die
Diode des ODER-Schaltkreises als Eingangsspannung an die Basis des Transistors
Q 6 angelegt, so daß die Basisspannung von 0 Volt auf - 2 Volt
absinkt. Diese Vorspannung zwischen dem Emitter und der Basis bewirkt unter diesen
Umständen ein Leitendwerden des Transistors, so daß dieser ein Ausgangssignal erzeugt.
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Der Kollektorkreis jedes Transistors Q 6 ist über einen Widerstand
R25 mit der -25-Volt-Spannungsquelle verbunden. Die Kollektorspannung ist jedoch
über eine Diode D 14 auf - 2 Volt gehalten, deren Anode
mit der -2-Volt-Spannungsquelle verbunden ist und deren Kathode unmittelbar mit
dem Kollektorkreis verbunden ist. Der Kollektor#reis steht daher normalerweise auf
einem Spannungspotential von - 2 Volt. Wenn der Transistor leitend wird,
so steigt diese Spannung auf 0 Volt. Die beiden Transistoren Q6 kehren
daher das zwischen 0 und -2 Volt verlaufende Eingangssignal in ein Ausgangssignal
um,
das zwischen - 2 Volt und 0 Volt schwingt. Wie oben erwähnt, erscheint
dieses Signal viermal im Verlauf des Abstandes zwischen zwei Skalenteilen und stellt
das Zählsignal dar. Durch Anlegen der einzelnen näher bezeichneten Signale an logische
Kreise erhält man also sowohl eine Anzahl von positiven Zählimpulsen Pp,
'die dadurch erzeugt werden, daß die Abtastorgane sich relativ zu der Skala in einer
bestimmten, als positive Richtung bezeichneten Richtung verschieben. Man erhält
außerdem für die Verschiebung in der entgegengesetzten oder negativen Richtung zwischen
den Abtastorganen und der Skala an dem Ausgang des anderen Inversions- und Verstärkungskreis
Impulse N..
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Zur Erklärung der Wirkungsweise dieser Schaltung kann wieder Bezug
auf eine Werkzeugmaschine genommen werden, die in einer bestimmten Achse eingestellt
werden soll. In solch einem Fall wird die Skala 2a an dem Maschinenbett befestigt,
und die Abtastköpfe können an Maschinenteilen befestigt werden, die über dieses
Bett bewegt werden. Auch kann eine Anordnung nach F i g. 1 durch eine Schraubspindel
angetrieben sein, die in j der Achse der gewünschten Einstellung verläuft
und die zur Erzeugung der Zählimpulse verwendet wird. Nor-#nalerweise wird ein Zähler
verwendet, um die Zählimpulse anzuzeigen, Ein derartiger Zähler kann die Zählimpulse
summieren und speichern oder eine voreingestellte Anzahl auf Null herunterzählen.
Im letzteren Fall wird aus irgendeiner Form eines numerischen Programms eine bestimmte
Anzahl in den Zähler eingesetzt, das beispielsweise aus einem Streifen ausgelesen
wird. Der Zähler wird dann für den Gesamtzählbetrag eingestellt, der die gesamte
Verschiebung und die Endposition des Werkstückes oder des Werkzeuges gegebenenfalls
in der interessierenden Achse anzeigt. Durch geeignete Schaltkreise, die durch den
Zähler gesteuert werden, kann ein Signal erzeugt werden, das anzeigt, daß die Bewegung
längs der Achse in einer gegebenen Richtung aus einer vorbestimmten Position durchgeführt
ist. Ein derartiges Signal kann auf den Servoantrieb des Werkzeuges in der gewünschten
Richtung ein-' wirken. Sobald das Werkzeug sich in dieser Richtung bewegt, werden
durch die Abtastköpfe die in den F i g. 4 oder 5 dargestellten Signale
erzeugt. Für jedes Viertel des Abschnittes zwischen zwei Skalenteilen werden Signale
d (M 1) - M 2 usw. erzeugt, wobei vier Signalkombinationen
während der Bewegung von einem Skalenteil zum nächsten-Skalenteil erzeugt werden.
Durch die logische Verknüpfung der Signale, die in den verschiedenen UND-Kreisen
und ODER-Kreisen erfolgt, wird ein Ausgangssignal an den Inversions- und Verstärkerkreis
abgegeben, der in diesem Fall den Verstärker18 viermal innerhalb eines Skalenabschnittes
zwischen zwei Skalenteilen erregt und so die positiven ZählimpulsePp erzeugt. Diese
Ausgangssignale sind zu einem nicht gezeichneten Zähler geführt, der durch die eingehenden
Impulse auf Null heruntergezählt wird. Erreicht der Zählbetrag in dem Zähler Null
oder ein vorbestimmtes Minimum, das abhängig von der Art der gewünschten Steuerung
sein kann, so kann die Bewegung in der vorerwähnten Richtung gestoppt werden oder
auf eine vorbestimmte niedrigere Geschwindigkeit verringert werden, beispielsweise
zum Zuführen eines Schneidewerkzeuges oder um vor dem letzten Abstoppen in der NuRposition
des Zählers die Operation mit einer geringeren Geschwindigkeit zu Ende zu führen.
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Die Abtastorgane können auch auf anderen elektrischen Prinzipien aufgebaut
sein, beispielsweise auf dem kapazitiven Prinzip, oder können beispielsweise Schalter
sein, die Betätigungsglieder haben, die eine eingravierte Skala abtasten.