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Richtungsabhängiges Filter für eine fotoelektrische Abtasteinrichtung
von Werkzeugmaschinen Die Erfindung betrifft ein richtungsabhängiges Filter für
eine umlaufende fotoelektrische Abtasteinrichtung von Werkzeugmaschinen, insbesondere
Brennschneidmaschinen, bei welcher der Abtastfleck eine oszillierende Bewegung ausführt
oder in einer Kreisbahn um die Achse des auf eine Zeichnungslinie gerichteten Abtastkopfes
bewegt wird und bei jeder Hin- und Herbewegung bzw. bei jedem Umlauf zwei Abtastsignale
erzeugt, von denen das eine unterdrückt wird.
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Gesteuerte Werkzeugmaschinen, insbesondere Brennschneidmaschinen,
die nach einer Zeichnung fahren sollen, benötigen eine fotoelektrische Abtastung,
um die kontinuierlichen Winkeländerungen während des Abtastprozesses der Arbeitsmaschine
zu übermitteln. Die fotoelektrische Abtastung geschieht bei bekannten Geräten dadurch,
daß eine oszillierende Blende an der Kante der Zeichnungslinie entlanggeführt wird
oder eine dauernd kreisende Blende oder ein kreisender Lichtfleck die Linie pro
Umdrehung zweimal überstreicht.
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Bei dieser umlaufenden fotoelektrischen Abtastung wird ein richtungsabhängiger
Filter benötigt, um das auftretende zweite Abtastsignal zu unterdrücken und die
Laufrichtung der fotoelektrischen Abtasteinrichtung eindeutig zu machen. Die bisherigen
Mittel, das zweite Signal zu unterdrücken und die Laufrichtung eindeutig festzulegen,
bestanden in aufwendigen elektrischen Verriegelungsgliedem oder wurden durch umfangreiche
Eingriffe in die Optik der Abtasteinrichtung ermöglicht. Ein erheblicher Aufwand
an elektrischen Schaltmitteln ist beispielsweise bei einer bekannten automatischen
Kopiereinrichtung mit lichtelektrischer Steuerung erforderlich, bei der die Kopierbewegung
des Abtastkopfes längs einer abzutastenden Linie durch zwei Koordinatenstellmotoren
gesteuert wird. Dabei wird eine gedachte Bezugslinie des Abtastkopfes in bestimmtem
Winkel zu dem abgetasteten Linienstück gehalten und der Abtastfleck in einer Kreisbahn
um die Achse des Abtastkopefs bewegt, so daß er die abzutastende Linie beiderseits
überschreitet und eine den Abweichungen von der Linie entsprechende Meßgröße liefert.
Der die Abtastfrequenz aufweisende Anteil der Meßgröße dient in Verbindung mit einer
der gewünschten Vorschubgeschwindigkeit des Abtastkopfes proportionalen Größe zur
Steuerung der Koordinatenstellmotoren. Der die doppelte Abtastfrequenz aufweisende
Anteil der Meßgröße wird dagegen durch Phasenvergleich mit der die Abtastung bewirkenden
Wechselspannung zur Rückführung der gedachten Bezugslinie in die Soll-Lage verwendet.
Zur Ausübung des die Abtastfrequenz aufweisenden Anteils der Meßgröße ist ein Filter
vorgesehen, das nur die Bezugsfrequenz durchläßt und die Oberwellen der Bezugsfrequenz
unterdrückt. Als Filter wird hierbei ein aus der Nachrichtentechnik bekanntes Bandfilter
mit elektrischen Schaltgliedern verwendet.
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Weiterhin ist ein Gerät zum Abtasten ebener Kurven mit vorgegebener
Tangentialgeschwindigkeit bekannt, bei dem ein Tastkopf mit zwei Projektionslampen
vorgesehen ist, deren jede eine ihr zugeordnete Blende auf die Kurvenebene als Lichtfleck
abbildet. Der Abstand der Lichtflecken entspricht dabei der Breite des Kurvenstriches.
Beide Lampen werden außer mit Gleichstrom mit Wechselstrom gegenphasig gespeist.
Eine Fotozelle nimmt die Lichtemission der beiden Lichtflecken auf und liefert ein
elektrisches Signal, das sich aus der überlagerung der pulsierenden Lichtströme
ergibt. Der Tastkopf kann mit Hilfe eines Schlittens in einer bestimmten Richtung
über die Kurvenebene geführt und längs des Schlittens in einer dazu senkrechten
Richtung auf einem Wagen verschoben und schließlich um eine zur Kurvenebene senkrechte
Achse geschwenkt werden. Für den Schlitten, für die Verschiebung des Tastkol5fes
längs des Wagens und für die Schwenkbewegung des Tastkopfes ist je ein Servomotor
vorgesehen. Der Servomotor für die Schwenkbewegung wird vom Signal der Fotozelle
gesteuert, um die Verbindungslinie der Schwerpunkte der beiden Lichtflecken in die
Kurvennormale zu drehen. Die beiden anderen Servomotoren laufen mit Geschwindigkeiten
um, die sich durch eine Projektion desjenigen Vektors auf die zugeordneten Bewegungsrichtungen
des Tastkopfes ergeben, dessen Richtung in der Mittellinie der beiden Lichtflecken
liegt
und dessen Länge gleich der vorgegebenen Tangentialgeschwindigkeit ist. Als elektrische
Rechner für die Verschiebung des Tastkopfes dient ein induktiver Spannungsgeber,
bei dem ein magnetisches Wechselfeld gegenüber zwei zueinander senkrecht angeordneten,
durch Potentiometer abgeschlossenen Induktionsspulen durch die Schwenkbewegungen
des Tastkopfes gedreht wird, so daß die Potentiometerabgriffe nach Einstellen auf
die vorgegebene Taugentialgeschwindigkeit die Steuerspannungen für die beiden Servomotoren
liefern.
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Der induktive Spannungsgeber hat jedoch nicht die Funktion eines elektromechanisch
wirkenden Filters zu erfüllen.
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Schließlich ist noch eine Anordnung zum lichtelektrischen Abtasten
von feststehenden ebenen Kurven bekannt, bei der ein Bildimpuls der Kurve mit einem
synchron erzeugten Bezugsimpuls zur Behebung von Abweichungen verglichen wird und
die Kurve direkt lichtelektrisch durch einen ihr nachgeführten Tastkopf, der aus
einer Bildaufnahmeröhre besteht, dauernd erfaßt und zeitlich aufgelöst wird. Dabei
wird ein Bildinipuls mit einem synchron zur Ablenkfrequenz der Bildaufnahmeröhre
erzeugten Bezugsimpuls verglichen und der zeitliche Ab-
stand dieser beiden
Impulse als Maß für die relative Stellung des Tasters zur Kurve verwendet. Auch
bei dieser bekannten Anordnung ist zur Durchführung der erforderlichen Abtaststeuerungen
ein beachtlicher Schaltungsaufwand notwendig.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, diesem übelstand abzuhelfen und
mit einfachen Mitteln einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten. Dies wird gemäß
der Erfindung auf einfache und vorteilhafte Weise dadurch erreicht, daß als Filter
ein an sich bekannter Sin-Cos-Geber Verwendung findet, dessen Statordrehfeld synchron
mit dem Drehfeld des phasengesteuerten, synchron arbeitenden Antriebsorgans für
den kontinuierlichen Umlauf des Abtastkopfes verläuft und dessen Rotor eine Wechselspannung
an eine Schaltstufe zur Steuerung des Motors zum Verstellen des Werkzeuges liefert.
Die Nachteile der bekannten Anordnungen werden also auf elektromechanischem Wege
durch einen Sin-Cos-Geber vermieden.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung empfiehlt es sich, daß
die Schaltstufe ein elektrisches Steuerglied bildet, das nur bei jeweils eine Halbwelle
der vom Rotor des Sin-Cos-Gebers erzeugten Wechselspannung geöffnet wird, um den
Vorverstärker mit dem Hauptverstärker und dem Motor durchzuverbinden.
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An dem Beispiel einer gesteuerten Brennschneidmaschine soll die Erfindung
näher erläutert werden. Es zeigt F i g. 1 die Schaltungsanordnung der eründungs-"emäßen
Vorrichtung und F i g. 2 eine schematische Darstellung der Drehfelder des
Synchronmotors und des Sin-Cos-Gebers. Nach F i g. 1 wird die Zeichnung
1 von den Lampen 3 örtlich so beleuchtet, daß der kreisende Lichtfleck
2 homogenes Licht erhält. Der Lichtfleck 2 wirft seinen rellektierten Anteil durch
die exzentrische Bohrung 4 eines Drehkörpers 5, welcher durch den phasengetreuen
Synchronmotor 8 angetrieben wird. Im Umlenkprisma 6 wird die Exzentrizität
des Lichtflecks 2 zur Rotationsachse des Drehkörpers 5 aufgehoben. Das austretende
Licht gelangt auf eine Fotodiode 7. Im Vorverstärker 9 werden die
Intensitätsänderungen der Fotodiode 7 verstärkt. In der Schaltstufe
10 wird der zweite Impuls pro Umdrehung in Abhängigkeit vom Drehfeld und
der Stellung des Rotors des Sin-Cos-Gebers 13 ausgeblendet. Ein Verstärkerteil
11 steuert den Motor 12 in Abhängigkeit der Impulsfolgen der Schaltstufe
10. Der Motor 12 ist mit dem Sin-Cos-Geber 13 gekuppelt und dreht
das Antriebsrad 14 um seine Achse 15, die in einer Lagerung 16 eines
nicht dargestellten kreuzweise verfahrbaren Wagens gelagert ist.
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Der phasengetreue Synchronmotor 8 mit seinen um 90,
phasenverschobenen Einspeisungen für die Ständerwicklungen ist in F i
g. 2 dargestellt. Die Drehrichtung des Rotors 17 mit seiner permanenten
Erregung wird durch den Pfeil 18 angedeutet, wobei sich der Rotor
17 in der gezeichneten Stellung befinden soll. Der Sin-Cos-Geber
13 ist mit seinen zwei Ständerwicklungen dargestellt, die von zwei um
90'
phasenverschobenen Spannungen gespeist werden. Das Drehfeld soll die Drehrichtung
des Pfeiles 19
haben und der Rotor 20 die momentan angedeutete Stellung besitzen.
Die Drehfelder von Synchronmotor 8 und Sin-Cos-Geber 13 laufen synchron,
da sie beide zweispulig ausgebildet sind. Die Zahnradverbindung in F i
g. 1 zwischen Synchronmotor 8
und Drehkörper 5 hat das übersetzungsverhältnis
1: 1. Auf Grund dieser Annahmen kann man sich den Lichtfleck unterhalb des
Südpoles des Rotors 17
denken. Wenn der Steuermotor12 das Antriebsrädchen
14 richtig nachgesteuert hat, befindet sich der Rotor 20 des Sin-Cos-Gebers
13 in der dargestellten Lage, so daß an dem nicht geerdeten Wicklungsende
der Minus-Pol zum öffnen der Schaltstufe 10 gegeben wird. Dreht sich der
Rotor 17 um 180" weiter, so erscheinen an dem nicht geerdeten Wicklungsende
des Rotors 20 ein Plus-Pol, welcher die Schaltstuf e 10 sperrt.
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Es gibt immer nur eine eindeutige Zuordnung von Lichtflecklage zum
synchronen Feld zur Polarität der Öffnungsspannung der Schaltstufe, die ein Optimum
und die richtige Phasenlage hat, so daß die Ausfiltrierung des zweiten Impulses
gegeben und die Eindeutigkeit in der Signalübertragung gewährleistet ist.
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Die Erfindung ist keineswegs auf Brennschneidmaschinen beschränkt,
sondern kann bei allen Werkzeugmaschinen Anwendung finden, die mit einer fotoelektrischen
Abtastung arbeiten.