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In der Druckindustrie benötigt man eine Vielzahl von verschiedenen
Letternstempeln, im allgemeinen mehrere Schriftserien mit verschiedenen Arten (nach
Größe und Form), wobei jede Art eine große Anzahl Schriftzeichen und viele Sonderzeichen
aufweisen kann. Bedingt durch neue wissenschaftliche Zeichen sowie das Bedürfnis
mit neuen Zeichen zu werben, ist von Zeit zu Zeit die Herstellung neuer Letternstempel
notwendig, wenn man von dem Ersatz natürlich abgenutzter Stempel absieht.
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Bei der Herstellung von derartigen Stempeln ist man bestrebt, den
Herstellungsvorgang möglichst rationell durchzuführen. Bisher erfolgte die Herstellung
nach folgendem Verfahren: Zunächst wurde per Hand ein Entwurf der gewünschten neuen
Schriftzeichen angefertigt. Aufbauend auf diesem Entwurf wurde eine exakte Werkzeichnung
erstellt, wie sie in F i g. 1 für den Buchstaben A dargestellt ist. Diese Werkzeichnung
enthält bereits alle technologischen Bedingungen hinsichtlich der Abrundungen usw.
Auf Grund der Werkzeichnung wurde eine Schablone hergestellt, die als Modell für
eine spezielle Nachformfräsmaschine zum Schneiden des Stempels dient. Bei diesem
Fräsvorgang sind ebenfalls bestimmte technologische Bedingungen hinsichtlich der
Letternausbildung in der Tiefe zu beobachten.
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Das vorstehend erläuterte Verfahren benötigt eine Reihe von qualifizierten
Fachkräften, z. B. einen Künstler für den Entwurf, mehrere Konstrukteure für die
Erstellung der Werkzeichnung sowie Fachkräfte für die Schablonenherstellung und
einen Bedienungsmann für das Kopieren der Schablone.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses Herstellungsverfahren
für Letternstempel, ausgehend von dem Zeichnungsentwurf der zu schneidenden Lettern,
zumindest bis zur Schablonenherstellung zu automatisieren. Dabei wird eine bekannte
photoelektrische Abtasteinrichtung zur Abtastung des Schriftentwurfs verwendet.
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Ausgehend von einem Verfahren zur automatischen Herstellung von Letternstempeln
auf Grund eines Zeichnungsentwurfs der zu schneidenden Lettern (Schriftentwurf)
unter Verwendung einer photoelektrischen Abtasteinrichtung zur Abtastung des Schriftentwurfs,
wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die den Verlauf des Letterumrisses
beschreibenden Meßwerte in einen Rechner eingegeben werden, der die Meßwerte zu
analytischen, die Letterumrißlinien beschreibenden Funktionen verarbeitet, wobei
gleichzeitig eine Bereinigung (Glättung) von meßtechnisch bzw. entwurfsmäßig bedingten
Unregelmäßigkeiten erfolgt sowie technologische Bedingungen berücksichtigt werden,
und daß danach aus den Funktionen eine Folge von Letterumrißlinienpunkten errechnet
wird, die als Lagesollwerte einer numerisch gesteuerten, die Letterwerkzeichnung
herstellenden Zeichenmaschine, einer die Kopierschablone herstellenden Arbeitsmaschine
oder unmittelbar einer den Letternstempel schneidenden Arbeitsmaschine zugeführt
werden.
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An Hand einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens als Ausführungsbeispiel
wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt F i g. 2 ein Blockschaltbild über den
Aufbau einer Gesamtvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
F i g. 3 eine Anordnung für die Abtastung des Schriftentwurfs, F i g. 4 eine Anordnung
zur Herstellung der Werkzeichnung bzw. der Schablone.
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Eine Anlage 1, die an Hand der F i g. 3 noch näher erläutert
wird, tastet den Schriftentwurf, d. h. den Zeichnungsentwurf der zu schneidenden
Lettern selbsttätig ab. Es werden dabei die Letterumrißlinien beschreibende Meßwerte
in Form von Koordinatenwerten diskreter Meßpunkte gewonnen. Diese Koordinatenwerte
werden zweckmäßig in einem Lochstreifen 2 zwischengespeichert und dann einem Rechner
4
eingegeben, der sie zu analytischen, die Letterumrißlinien beschreibenden
Funktionen verarbeitet. Dabei findet eine Glättung von Unregelmäßigkeiten statt,
die durch Meßungenauigkeiten bzw. durch den Letterentwurf bedingt sind.
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Der Rechner errechnet eine Folge von Punkten des Letterumrisses, die
zweckmäßig ebenfalls auf Lochstreifen 3 zwischengespeichert werden. Diese Lochstreifen
dienen als Programmträger für die Lagesollwerte der Lageregelkreise nachgeschalteter
numerisch gesteuerter Maschinen. So kann eine Arbeitsmaschine 6 für die Schablonenherstellung
oder eine Zeichenmaschine 5 zur Herstellung der Werkzeichnung oder in der letzten
Stufe der Automatisierung unmittelbar die Arbeitsmaschine 7 gesteuert werden, die
den Letternstempel bearbeitet, d. h. die Lettern schneidet. In diesem Fall wird
zweckmäßig nach dem Höhenschichtlinienverfahren in Verbindung mit einem speziellen
Formfräser gearbeitet, wobei das Programm spezielle Einzelheiten über das Frässystem
bzw. über technologische Bedingungen (Abrundungen usw.) enthält.
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In bestimmten Fällen ist es denkbar, die Zwischenspeicher (Lochstreifen)
wegzulassen und die Anlagenteile unmittelbar zusammenarbeiten zu lassen (online-Betrieb).
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In F i g. 3 ist der Teil 1. der F i g. 2 näher dargestellt. Sie zeigt
eine photoelektrische Kurvenabtasteinrichtung, die selbsttätig den Letterumrissen
des auf der Platte 8 aufgespannten Schriftentwurfs nachfahren kann, so daß Koordinatenmeßwerte
gewonnen werden können. Der photoelektrische Abtastkopf 9 sitzt auf einem Schlitten
10, der durch den Motor 11 in y-Richtung bewegt werden kann. Die Stellung des Schlittens
10 wird absolut-digital mittels eines Winkelkodierers 12 gemessen. Prinzipiell wären
auch andere Meßmethoden denkbar, z. B. digital-incrementale bzw. analoge Methoden.
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Der Schlitten 10 sitzt auf einem Wagen 13, der durch den Motor
14 in x-Richtung bewegt wird. Die Stellung des Wagens 13 wird ebenfalls durch
einen Winkelkodierer 15 gemessen.
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Die Abtasteinrichtung arbeitet zweckmäßig nach dem Reflexionsprinzip.
Eine rotierende Schlitztrommel erzeugt einen oszillierenden Lichtpunkt (Frequenz
etwa Ihm Sekunde), der auf die Zeichnung projiziert wird, wobei das reflektierte
Licht durch einen Photo-Multiplier erfaßt wird. Die Schwingbewegung des Lichtpunktes
(Amplitude etwa ± 5 mm) ergibt beim Überstreichen der abzutastenden Linie im Photo-Multiplier
einen Impuls, der mit einem im Gerät selbst erzeugten Sollimpuls zeitlich verglichen
wird. Der zeitliche Abstand beider Impulse ist ein Maß für die Abweichung der Tasterstellung
von der abgetasteten Linie. Dieses Verfahren arbeitet außerordentlich genau. Bei
einem Fangbereich von ±3 mm können Abweichungen von ± 0,01 mm ohne Schwierigkeiten
erfaßt werden. Die abzutastenden Linien
können Strichstärken bis
hinunter zu 0,1 mm haben. An Kreuzungspunkten zweier Linien läuft der Abtaster in
der vorher eingenommenen Richtung weiter. Damit ist ein. Abtasten auch von gekreuzten
Linien eindeutig möglich, solange der Schnitt nicht unter zu kleinen Winkeln erfolgt.
An Unterbrechungen der abgetasteten Linie läuft der Abtaster zunächst in der vorher
eingestellten Richtung weiter, so daß kurze Unterbrechungen nicht stören. Nach einstellbarer
Zeit wird die Einrichtung jedoch stillgesetzt, wenn bis dahin keine weitere Erfassung
einer Linie erfolgt ist. Eine automatische Kontrastregelung sorgt dafür, daß bei
wechselnden Kontrasten (z. B. bei veränder-(er Strichstärke oder verändertem Untergrund)
stets eine ausreichende Signalhöhe zur Verfügung steht.
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Der Abtastkopf ist drehbar angeordnet, damit die Schwingrichtung des
Lichtpunktes stets senkrecht zur abzutastenden Linie liegt (optimaler Kontrast).
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Das Ausgangssignal des Abtastkopfes 9 ist nach Größe und Vorzeichen
proportional der gemessenen Abweichung. Dieses Ausgangssignal wird dazu benutzt,
über die Nachführelektronik 16 den Al7tastkopf so zu drehen, daß er auf dem Schwerpunkt
der erfaßten Linie läuft. Dadurch wird gewährleistet, daß der Abtaster mit geringsten
Abweichungen der Kurve tangential folgt, wobei der Lichtpunkt stets senkrecht zur
abzutastenden Linie schwingt. Gleichzeitig sorgt ein Funktionsgeber, der entsprechend
der Winkelstellung des Abtasters verstellt wird für konstante tangentiale Vorschubgeschwindigkeit
durch Zerlegung des Geschwindigkeitsvektors in seine X- und Y-Kornponenten (Sinus-Cosinus-Funktion).
Die Genauigkeit der Abtastung beträgt -I- 0,05 mm bei Geschwindigkeiten von etwa
1. m/min. An stark gekrümmten Abschnitten wird die Vorschubgeschwindigkeit autoasiatisch
verringert, um den Abtastfehler auch an diesen Stellen klein zu halten.
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Da die Gesamtanlage nach F i g. 2 ohnehin eine Zeichenmaschine (Koordinatograph)
enthält, ist es dabei zweckmäßig, diese Maschine auch zum Abtasten zu verwenden,
indem an die Stelle der Zeicheneinrichtung der Abtastkopf tritt.
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Über die Auscabeelektronik 17 stehen die Koordinatenwerte für die
abgetastete Letterumrißlinie digital zur Weiterverarbeitung an, z. B. für Ziffernanzeigen,
Druckeinrichtungen, Lochstreifenstanzer. Die Ausgabeelektronik 17 enthält zweckmäßig
einen Rechner, der die Anzahl der Meßpunkte je Längeneinheit entlang der Letterumrißlinie
bestimmt, indem er die Krümmung (Wölbung) des jeweiligen Teilstückes ermittelt und
mit einem vorgegebenen Wert vergleicht, der dem Normalabstand der Meßpunkte entspricht.
Dieser Wert wird als einmalige Information in das Speicherwerk des Rechners vor
Beginn des gesamten Abtastvorganges eingegeben. Er bestimmt, wieviel Meßpunkte bei
einem genormten Krümmungsradius aufgenommen werden sollen. Die Anzahl der Meßpunkte,
bezogen auf eine Längeneinheit des Kurvenverlaufs, richtet sich dann bei allen anderen
Wölbungen nach dieser Normalangabe. Diese Möglichkeit der Vorgabe eines Normalabstandes
der Meßpunkte (Wahl der relativen Meßpunktdichte,) erlaubt es, die Anlage an allen
möglichen Schriftformen anzupassen. Der Sonderrechner vergleicht die Koordinatenwerte
dreier aufeinanderfolgender Meßpunkte und errechnet einen Wölbungskoiffizienten,
der in der beschriebenen Art den Abtastvorgang steuert. Am Anfang einer Umrißlinie,
wo noch keine drei Meßpunkte vorliegen, wird der Punktabstand durch eine einmalige
Einstellung am Bedienungspult des Rechners 16 vorgegeben, die so bemessen ist, daß
er dem kleinsten vorkommenden Krümmungsradius am unteren Beginn jeder Umrißlinie
entspricht. Der Rechner gestattet zudem die Anpassung des Meßsystems an einen beliebig
wählbaren Koordinatenpunkt.
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Richtet der Abtastkopf selbsttätig seine Geschwindigkeit nach der
Kurvenneigung ein, so kann der Sonderrechner entfallen, weil bei konstanter Ausgabegeschwindigkeit
der Koordinatenwerte eine vernünftige Wertevorgabe gewährleistet ist.
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Das Ergebnis der gesamten Meßabtastung nach F i g. 3 stellt sich so
dar, daß nunmehr der gesamte Umriß des Schriftzeichens durch eine hinreichend große
Anzahl von Meßpunkten eindeutig beschrieben ist, deren einzelne Koordinatenwerte
zweckmäßig in einem Lochstreifen 2 (F i g. 2) eingestanzt werden.
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Die weitere Vorarbeitung der Meßdaten wird von dem Rechner 4 übernommen.
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Die Anordnung wird dabei zweckmäßig so getroffen, daß zunächst mit
der Zeichenmaschine 5 eine erste vereinfachte Darstellung der gesuchten Umrißlinien
angefertigt wird, indem sie die vom Lochstreifen 2 gelieferten Lagewerte der Meßpunkte
darstellt und auf einfache Weise, z. B. geradlinig verbindet. An Hand dieser vereinfachten
Darstellung wird entschieden, wie die weitere Verarbeitung erfolgt, z. B. ob bestimmte
Funktionen und Teilumrißlinien dem Rechner für die weitere Datenverarbeitung der
Meßpunkte vorteilhaft vorgeschrieben werden bzw. ob er die Verarbeitung der Punkte
durch Polynome vornimmt. Die Programmierung ist zweckmäßig so getroffen, daß der
Rechner eine durch die Meßpunkte bestimmte Kurve erzeugt mit der für die Glättung
notwendigen Bedingung, daß die Summe der Quadrate der Abweichungen zu den Meßpunkten
ein Minimum ergibt. Ausreißer können dabei unterdrückt werden bzw. den Meßpunkten
können Gewichte beigegeben werden. Für die Approximations- bzw. Glättungsfunktion
können z. B. Polynorne ri-ten Grades benutzt werden. Der Grad des Polynoms bestimmt
die Güte der Annäherung der Kurve durch die Meßpunkte, aber auch die Glättung, und
zwar gegensinnig. Ein Polynom hohen Grades schmiegt sich zwar sehr eng an die Meßpunkte
an, jedoch ist die Glättung nicht so gut. Es ist deshalb sinnvoller, den Grad des
Polynoms so niedrig wie zulässig zu halten, ihn auf etwa lho der Zahl der zu verarbeitenden
Punkte zu begrenzen, damit sich auch eine gute Glättung ergibt.
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Eine Annäherung durch Polynome ist immer möglich. Für bestimmte Kurven
(Flächen) kann es jedoch vorteilhafter sein, andere mathematische Funktionen zur
Approximation zu wählen, z. B. Teile. einer e-Funktion usw. Dann tritt an die Stelle
des Polynomgrades die Anzahl der freien Parameter. Die vorhergehenden Überlegungen
gelten qualitativ genauso. Sind die Meßpunktfolgen durch vorstehende Approximations-
bzw. Glättungsrechnung in mathematisch definierbare Kurven umgerechnet worden, so
kann hieraus in einfacher Weise eine neue Punktfolge mit angepaßter Punktdichte
entnommen werden.
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Obwohl es grundsätzlich möglich ist, auch komplizierte Umrißlinien
durch einen mathematisch geschlossenen Ausdruck zu beschreiben, ist es besser, eine
komplizierte Linie für die Datenverarbeitung in
Teillinien zu zerlegen,
als eine gemeinsame mathematische Formulierung des Gesamtproblems zu bestimmen.
Jede Teillinie wird dann durch sehr viel einfachere Funktionen beschrieben. Für
den Gesamtbereich können Übergangsbedingungen zwischen den Teillinien vorgesehen
werden, wobei folgende Anpassungen erforderlich sind: a) Anpassung der Ortskoordinaten
in den Grenzlinien, b) Anpassung der Steigungen an den Grenzlinien (1. Ableitung),
c) Anpassung der Krümmungen an den Grenzlinien (2. Ableitung).
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Dadurch wird ein sauberer Übergang gewährleistet.
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Die Durchrechnung der Meßdaten nach diesem Schema liefert neue Arbeitsdaten,
die das Schriftbild beschreiben. Wichtige Teile können wiederum automatisch als
Meßzeichnung herausgenommen werden. Ergibt die Überprüfung der Zeichnungen, daß
das Ergebnis nicht befriedigt, sei es, daß die Approximation ungenügend ist oder
daß Formänderungen notwendig erscheinen, so kann eine weitere Durchrechnung mit
strengeren Vorgaben oder mit geänderten Werten durchgeführt werden. Dieses Verfahren
läßt sich so lange wiederholen, bis das Ergebnis allen Erfordernissen entspricht.
Dieses Ergebnis, also die »geglätteten Meßdaten der Letternkontur«, werden gemäß
F i g. 2 in Lochstreifen 3 festgehalten, die als Programmträger für nachgeschaltete
numerisch gesteuerte Maschinen dienen. Um mit den geglätteten gespeicherten Koordinatenwerten
der abgetasteten Umrißlinien diese Maschinen, z. B. eine Zeichenmaschine, steuern
zu können, ist eine Steuerungseinrichtung erforderlich, die diese Werte als Sollwerte
erhält und sie mit Hilfe von Lagerregelkreisen in Positionen umsetzt. Diese Technik
ist bekannt, die Steuerung sei daher an Hand der F i g. 4 nur kurz erläutert.
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In F i g. 4 ist ein Zeichentisch, ein sogenannter Koordinatograph,
dargestellt, wie er auch für die Zeichnungsabtastung (F i g. 3) verwendet wird.
Auf ihm können Zeichnungen der Lettern hergestellt oder die Schablone für die Letternherstellung
gefräst werden, je nachdem, welches Werkzeug (Zeichenstift, Fräser) eingesetzt wird.
Beim unmittelbaren Fräsen des Letternstempels verwendet man zweckmäßig eine separate,
numerisch gesteuerte Maschine.
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Als Zeichenfläche dient eine Glasplatte 8 mit durchscheinender Kunststoffplatte.
Durch verstellbare Schrauben ist eine einwandfreie Horizontierung des Tisches möglich.
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Über die Tischplatte bewegt sich eine Ordinatenschiene 13,
die durch beidseitig angebrachte Abszissenwagen angetrieben (14) und geführt wird.
Auf der Ordinatenschiene läuft der Ordinatenwagen (10),
der die Zeichen- und
Fräseinrichtung (für Schablone) aufnimmt. Zum Antrieb und zur Lagemessung sind Präzisionszahnstangen
vorgesehen, in die die Antriebsmotoren (11, 14) und die Lagemeßsysteme (Winkelkodierer
12, 15) über spielfreie Ritzel eingreifen. Die garantierte Zeichengenauigkeit beträgt
bei einer Geschwindigkeit von 1 mlmin ±0,15 mm.
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Die Steuerung der Zeichenmaschine kann mit einer üblichen Bahnsteuerung,
die einen Interpolator enthält, durchgeführt werden. Aus den im Lochstreifen enthaltenen
Programmwerten wird die gewünschte Kurve gebildet. Es kann jedoch auch eine Steuerung
ohne Interpolator verwendet werden, wenn eine Verhältnisregelung der Motoren durchgeführt
wird.
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Während für das zweidimensionale Zeichnen bzw. für die Schablonenherstellung
im wesentlichen nur eine Folge von Punktkoordinaten benötigt wird, muß für das dreidimensionale
Fräsen des Letternstempels sehr viel mehr berücksichtigt werden (z. B. automatische
Berücksichtigung eines Formfräsers usw.). Dieses ist dann durch die Verwendung einer
Programmsprache wie z. B. »APT« möglich.