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Gerät zur optischen Abtastung bzw. Verfolgung von Linien Die Erfindung
betrifft Geräte zur Verfolgung von Linien mit Einrichtungen, durch welche die zu
verfolgenden Linien abgetastet werden. Derartige Geräte finden beispielsweise zur
Steuerung von Metallbearbeitungsmaschinen nach Linien- bzw. Umrißzeichnungen Verwendung.
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Es sind bereits Geräte bekannt, bei welchen ein fotoelektrisches Abtastorgan
während der Bewegung des betreffenden Gerätes längs der abzutastenden Linie quer
zu dieser verlaufenden Abtastbewegungen ausführt. Das fotoelektrische Abtastorgan
erzeugt Ausgangssignale, welche die Lage dieses Abtastorgans mit Bezug auf die abzutastende
Linie anzeigen. Ferner ist bei diesen bekannten Geräten eine Steuerschaltung vorgesehen,
über welche ein Antrieb zu Führung des Gerätes entlang der zu verfolgenden Linie
steuerbar ist.
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Eine bekannte Möglichkeit zur Erzeugung der Abtastbewegungen des Abtastorgans
besteht darin, daß eine Fotozelle exzentrisch an einer innerhalb des betreffenden
Gerätes gelagerten, ständig umlaufenden Welle gelagert ist. Eine andere bekannte
Möglichkeit besteht darin, daß die Fotozelle starr mit dem Gerät verbunden ist und
daß eine exzentrisch umlaufende Beleuchtungseinrichtung vorhanden ist, welche einen
Lichtstrahl auf eine Ebene wirft, in welcher sich die zu verfolgende Linie befindet.
In ähnlicher Weise kann auch ein lichtreflektierendes Element, beispielsweise ein
Spiegel, zur Erzeugung von Abtast-Schwingbewegungen verwendet werden.
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Bei dieser Art der Erzeugung von Abtastbewegungen sind elektrische
Antriebsmotoren und exzentrische Wellen notwendig, woraus sich eine Reihe von Nachteilen
mit Hinblick auf die Herstellungskosten, den Verschleiß während des Betriebes und
das Gewicht der mechanischen Einrichtung des Abtastkopfes ergeben.
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Es wurde bereits dadurch ein Schritt in Richtung auf größere mechanische
Einfachheit der Abtastvorrichtungen der oben beschriebenen Art erzielt, indem deren
Abtastorgan in Gestalt einer fotoelektrischen Zelle an einem freien Ende eines auslegerartigen
Magnetstabes befestigt wurde, welcher zwischen den Polen eines Elektromagneten hin-
und herschwingt, der seinerseits mittels Wechselstrom entsprechend erregt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur optischen
Abtastung bzw. Verfolgung von Linien zu schaffen, welches sich durch einen noch
einfacheren Aufbau auszeichnet.
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Demgemäß geht die Erfindung von einem Gerät zur optischen Abtastung
bzw. Verfolgung von Linien aus, bei welchem ein von einem lichtempfindlichen Element,
beispielsweise einer Fotozelle oder von einem Spiegel gebildetes, an einem Abtastkopf
angeordnetes Abtastorgan derart mit vorgegebener Frequenz zu Schwingungen anregbar
ist, daß eine fortwährende Relativbewegung zwischen dem lichtempfindlichen Element
und einem Bild der abzutastenden oder zu verfolgenden Linie erzeugt wird, und bei
welchem der Abtastkopf in Abhängigkeit von diesen Relativbewegungen entsprechenden,
von dem Abtastorgan erzeugten Signalen steuerbar ist. Ein derartiges Gerät ist nach
der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastorgan über einen piezoelektrischen
Kristall an dem Abtastkopf befestigt ist und daß dieser Kristall von einer Energiequelle
aus mit einer Wechselspannung erregbar ist, welche das Abtastorgan zu Abtastschwingungen
veranlaßt. Dem piezoelektrischen Kristall wird also eine sich verändernde oder wechselnde
Spannung zugeführt, so daß sich die gewünschte Abtastfrequenz ergibt.
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Erfindungsgemäß kann der piezoelektrische Kristall die Form eines
Stabes haben, welcher an einem Ende eingespannt ist und welcher an seinem anderen
Ende das Abtastorgan trägt. Die Länge des Kristallstabes ist dabei, von der Einspannstelle
aus gerechnet, so gewählt, daß die Abtastfrequenz einer bestimmten Resonanzfrequenz
oder einer Harmonischen dieser Frequenz entspricht.
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Der piezoelektrische Kristall kann durch ein oder mehrere federnde
Verstärkungselemente mechanisch
verstärkt sein, welche an dem Kristall
befestigt sind. Hat der piezoelektrische Kristall die Form eines Stabes, so ist
mindestens ein derartiges durch einen längs des Kristallstabes befestigten Federstreifen
gebildetes federndes Verstärkungselement vorgesehen. Die genannten federnden Verstärkungselemente
können aus Federstahl gefertigt sein.-Das Abtastorgan kann in verschiedener Weise
ausgebildet sein. So kann es beispielsweise auch die Form eines Spiegels haben,
welcher das von dem abzutastenden Bereich ausgehende Licht auf eine Fotozelle leitet,
ferner kann es die Form eines Zerhackers haben, welcher das auf eine getrennt angeordnete
fotoelektrische Zelle fokussierte Bild der abzutastenden Linie unterbricht. Vorzugsweise
besteht das Abtastorgan jedoch in der Fotozelle selbst.
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Im folgenden wird die Erfindung durch die beispielsweise Beschreibung
einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in welcher
eine schematische, im Schnitt gezeigte Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Gerätes
zur Abtastung bzw. Verfolgung von Linien dargestellt ist.
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Das erfindungsgemäße Gerät weist einen Abtastkopf zur Abtastung von
Linien auf, welcher in der Zeichnung allgemein mit der Bezugszahl 10 bezeichnet
ist und welcher ein Gehäuse 11 aufweist, von welchem aus eine rohrförmige, an ihrem
unteren Ende offene Schutzhülse 12 nach unten ragt.
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Das eigentliche Abtastorgan hat die Form einer Fotodiode 13, welche
geschützt innerhalb der Hülse 12 angeordnet ist und mittels eines haltbaren Klebstoffes
oder Kittes am unteren Ende eines Stabes 14 aus piezoelektrischem Kristallwerkstoff
befestigt ist. Der Kristallstab 14 hat eine Dicke von ungefähr 2,5 mm, eine
Breite von ungefähr 0,75 mm und eine freie Länge von ungefähr 50 mm und ist an seinem
oberen Ende durch zwei im Abstand voneinander angeordnete Klemmstücke oder Büchsen
15 innerhalb der Hülse 12 gehaltert.
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Die rohrförmige Schutzhülse 12 ist ihrerseits an ihrem oberen Ende
in eine Büchse 16 eingesetzt, welche die Verlängerung einer Welle 17 bildet und
welche mittels eines Lagers 18 im Gehäuse 11 gelagert ist, während auf der Oberseite
des Gehäuses 11 ein weiteres Lager 19 für das obere Ende der Welle 17 vorgesehen
ist. Auf diese Weise können die Schutzhülle 12, die Büchse 16 und die Welle 17 während
der Verfolgung einer Linie in der bei derartigen Geräten allgemein üblichen Weise
zu Steuerungszwecken um ihre gemeinsame Längsachse gedreht werden.
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Die Welle 17 trägt drei Schleifringe 20, 21 und 22, mit welchen jeweils
Schleifkontakte 23, 24 und 25 zusammenwirken. An den Schleifkontakt 23 ist eine
elektrische Leitung 26 angeschlossen, welche demzufolge mit dem Schleifring 20 Verbindung
hat. Mit dem Schleifkontakt 24 und dadurch mit dem Schleifring 21 steht eine elektrische
Leitung 27 in Verbindung, während eine elektrische Leitung 28 an den Schleifkontakt
25 angeschlossen ist und damit Verbindung zu dem Schleifring 22 hat. Die Leitungen
22 27 und 28 führen zu einer außerhalb des Abtastkopfes gelegenen Energiequelle
und zu in der Zeichnung nicht dargestellten elektrischen Einrichtungen, welche keinen
Teil der Erfindung bilden.
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Im vorliegenden Fall ist es ausreichend zu wissen, daß drei Leitungen,
welche in der Zeichnung bei 29 angedeutet sind, elektrische Energie von den Schleifringen
20, 21 und 22 an den piezoelektrischen Kristallstab 14 bzw. von der Fotodiode 13
an die genannten .Schleifringe führen.
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Die beiden Breitseiten des Kristallstabes 14 sind silberplattiert,
so daß sie Anschlüsse bilden. Bei der vorliegend beschriebenen Ausführungsform wird
mittels zweier der elektrischen Leitungen 29 über diese Anschlüsse eine Wechselspannung
mit einer Grundfrequenz von 50 Hz an den Kristall gelegt, so daß der Kristallstab,
welcher eine freie Länge von ungefähr 50 mm aufweist, auf Grund der elektrischen
Erregung Resonanzschwingungen von genau derselben oder ungefähr derselben Frequenz
ausführt, welche die Abtastfrequenz darstellt.
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Eine der silberplattierten Seiten des Kristallstabes (d. h. die geerdete
Seite) ist mit einer Anschlußklemme der Fotodiode 13 verbunden, während die andere
Anschlußklemme über die noch freie Leitung 29, den zugehörigen Schleifring und den
entsprechenden Schleifkontakt mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Verstärker
verbunden ist, in welchem die Ausgangssignale der Fotodiode, welche bei Abtastung
einer Linie erzeugt werden, eine Verstärkung erfahren.
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In der Zeichnung ist bei 30 ein Federstahlstreifen angedeutet, welcher
längs des Kristallstabes 14 an diesem befestigt ist. Dieser biegsame Verstärkungsstreifen
30 dient zur Stützung des verhältnismäßig brüchigen piezoelektrischen Kristallstabes
14.
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In der Zeichnung ist ferner bei 31 eine Linse angedeutet, welche in
einer Fassung 32 angeordnet ist und welche die Aufgabe hat, ein Bild der
abzutastenden Linie auf die Fotodiode 13 zu fokussieren. Die Fassung 2, von welcher
in der Zeichnung nur ein Teil dargestellt ist, ist mit dem Gehäuse 11 fest
verbunden.
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An Stelle der Betriebsweise, bei welcher der Kristallstab 14 zu einer
Resonanzschwingung angeregt wird, welche einem Grundschwingungszustand entspricht,
kann der Kristallstab auch zu einer Harmonischen oder Obertonschwingung höherer
Frequenz angeregt werden, welche ungefähr dem n-fachen der Grundfrequenz entspricht,
wobei n eine ungerade ganze Zahl ist.
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Der Abtastkopf wird derart entlang einer zu verfolgenden Linie geführt,
daß die Schwingungen der Fotodiode 13 quer zu dieser Linie verlaufen. Wenn die an
dem Ende des Resonanzschwingungen ausführenden Kristallstabes 14 mit der Abtastfrequenz
hin- und herschwingende Fotodiode 13 ein Signal an den Verstärker abgibt, welches
anzeigt, daß die betreffende Linie sich nicht an der gewünschten Stelle innerhalb
des Abtastbereiches befindet, so veranlaßt der Verstärker eine entsprechende Korrekturbewegung
eines Nachführantriebes. Der Nachführungsvorgang verläuft in an sich bekannter Weise,
doch bilden die hierzu erforderlichen Einrichtungen keinen Teil der Erfindung und
sind nur aus Erläuterungszwecken hier erwähnt. Die Erfindung wird demgemäß nur in
der Erzeugung der Abtastbewegungen des Abtastorgans gesehen.