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Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Abtastkopf mit optischen
Fühlelementen für :das Abtasten von Kurven. Mit Hilfe einer solchen Einrichtung
kann bei dem sogenannten Abtastverfahren eine abzutastende Kurve verfolgt werden.
Optische Abtastköpfe werden im Zusammenhang mit Koordinatentischen, automatischen
Gravierapparaten, automatischen Schneide- und Zuschneidemaschinen, mit Verfahren
zum automatischen Steuern von Wagen und in vielen anderen Gebieten verwendet.
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Da .die optischen Fühlelemente, z. B. Fotodioden, normalerweise eine
nicht unterschreitbare wirksame Fläche besitzen, bereitet es Schwierigkeiten, eine
Kurve genau abzutasten. Diese Schwierigkeiten werden noch verstärkt, wenn mehrere
Fühlelemente gleichzeitig eine Kurve abtasten sollen.
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Bei .den meisten bisher bekannten Einrichtungen zum Abtasten von Kurven
enthält der mechanischoptische Teil des elektrisch-optischen Abtastkopfes bewegliche
mechanische bzw. elektromechanische Teile, welche große Ansprüche an eine präzise
Herstellung und aufmerksame Behandlung stellen, überdies jedoch eine große Störanfälligkeit
aufweisen.
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Es ist ein Glasfaser-Lichtleitkabel bekannt, bei dem sich in einem
Kasten eine Lampe und eine Fotozelle befinden. Das Licht der Lampe wird über ein
erstes Kabel zu einer Lichtschranke geführt, das dort austretende Licht wird vom
anderen Kabel zur Fotozelle zurückgeführt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Abtastkopf
anzugeben, bei dem trotz der nicht unterschreitbaren empfindlichen Fläche der Fühlelemente
eine genaue Kurvenabtastung möglich ist und bei dem man auch ohne irgendwelche darin
enthaltene bewegliche Teile auskommen kann.
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Diese Aufgabe wird bei einem optischen Abtastkopf der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der abzutastenden Stelle und den
Fühlelementen eine Anzahl von optisch gegeneinander abgegrenzten Lichtkanälen vorgesehen
ist, deren Querschnitt sich in Richtung der Fühielemente, z. B. kegel- oder pyramidenartig,
vergrößert.
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Mit Hilfe eines solchen Abtastkopfes können Kurven sehr genau abgefühlt
werden, ohne daß die Größe der Fühlelemente und deren Unterbringung Schwierigkeiten
bereitet. Das von der Unterlagfläche reflektierte Licht kann durch eine sehr kleine
Eintrittsöffnung bis zum zugehörigen Fühlelement geleitet werden, wobei durch die
optische Trennung dafür gesorgt ist, daß das Licht in einem Kanal nicht das Fühlelement
eines anderen Kanals beeinträchtigen kann. Da man das Licht unmittelbar über die
Kanäle zu den Fühlelementen leiten kann, ist es möglich, ohne irgendwelche beweglichen
Teile im Abtastkopf auszukommen.
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Besonders empfehlenswert ist es, wenn die Lichtkanäle als Lichtleiter
ausgebildet sind, die in bekannter Weise aus einem durchsichtigen, festen Material,
wie Glas, bestehen.
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Die Beleuchtung für die Abtaststelle kann mit Vorteil in dem Abtastkopf
eingebaut oder mit einer separaten Beleuchtungsvorrichtung durchgeführt sein. Insbesondere
vorteilhaft ist eine kompakte Ausführung des optischen Abtastkopfes, wo sich die
Beleuchtungsquelle in der Nähe des Brennpunktes eines sphärischen, parabolischen
oder elliptischen Spiegels befindet, in dessen Längsachse der eigentliche Abtastkopf
untergebracht ist, und die Beleuchtungsstrahlen nach der Spiegelreflexion direkt
oder über eine Linse der Abtaststelle zugeführt werden. Weitere Merkmale der Erfindung
bzw. andere Ausführungsmöglichkeiten, die Gegenstand der Unteransprüche siüd, sind
in der Beschreibung und Zeichnungen näher erläutert.
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Im Vergleich zu den bekannten optischen Abtastköpfen sind die Ausführungsformen
nach der Erfindung äußerst einfach. Das von der abgetasteten Stelle zurückgeworfene
Licht fällt auf die kleineren Stirnflächen von mehreren Lichtleitern (in den dargestellten
Beispielen werden vier Lichtleiter erwähnt), durch welche das Licht den optisch-elektrischen
Umsetzern, daß heißt z. B. Photodioden, zugeführt wird. In diesen Umsetzern oder
Fühlelementen verursacht die Belichtung ein Anwachsen der elektrischen Spannung.
Elektrische Signale, welche aus den Fühlelementen erhalten werden, werden verstärkt,
verarbeitet und ausgewertet, um daraus im wesentlichen Steuerimpulse für die Bewegung
des Abtastkopfes zu bekommen. Mit Hilfe der Erfindung kann man Licht, welches auf
einer verhältnismäßig kleinen Fläche vorhanden ist, normalen Fühlelementen zuführen.
Je kleiner die belichtete Fläche ist, desto präziser kann die Abtastung vor sich
gehen.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand einiger in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen einfachen Abtastkopf mit
einer separaten Beleuchtungsvorrichtung, F i g. 1 a einen Ausschnitt des abgetasteten
Kurventeils und der ihn umgebenden Fläche, F i g. 1 b ein Beispiel für die Anordnung
von vier Lichtleitern als Lichtkanäle, F! g. 2 einen im Zusammenhang mit einer von
unten durchleuchteten Unterlage benutzten Abtastkopf, F i g. 3 einen kompakten optischen
Abtastkopf mit Beleuchtungsvorrichtung und elliptischem Spiegel im Querschnitt,
F i g. 4 denselben Abtastkopf im Schnitt längs der Linie IV-IV in F i g. 3, F i
g. 5 einen Querschnitt durch eine Anordnung mit parabolischem Spiegel und kegelförmigem
Lichtleiter, F i g. 6 eine ähnliche Anordnung wie F i g. 5 mit einer Linse, F i
g. 7 einen abzutastenden Kurvenabschnitt mit kreisförmiger Beleuchtungsquelle, F
i g. 8 ein Detail der Spitze des Abtastkopfes mit den Lichtleitern, Fig. 8 a eine
geteilte Fläche zum Einstellen und zur Kontrolle des Abtastkopfes, F i g. 8 b eine
in der Spitze des Abtastkopfes benutzte Blende in Ansicht, F i g. 9 ein Detail der
Abtastkopfspitze in vereinfachter Ausführung, F i g. 9 a einen Querschnitt durch
Lichtleiter in einer ersten Form, F i g. 9 b desgleichen in einer zweiten Form,
F i g. 10 eine Ausführungsform eines Abtastkopfes, .der an Stelle eines Zeichenstiftes
in den Zeichenkopf eines Koordinatentisches eingelegt werden kann, und F i g. 11
einen solchen Zeichenstift.
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In F i g. 1 ist ein einfaches Ausführungsbeispiel eines elektrooptischen
Abtastkopfes dargestellt. Die
abgetastete Kurve 1' ist auf einer
Unterlagfläche 2 aufgezeichnet und soll mit dem Abtastkopf aufgenommen werden. Der
eigentliche Abtastkopf ist durch einen Halter 3, welcher zur Einstellung der Lage
des Kopfes aus einigen gegeneinander beweglichen verstellbaren Teilen besteht, an
dem Wagen 4 eines Koordinatentisches befestigt. Durch die vom Abtastkopf abgegebenen
Steuersignale wird der Wagen 4 in der Richtung der abgetasteten Kurve bewegt. Der
eigentliche Abtastkopf besteht aus einem Abtastkopfgehäuse 5, in welchem Lichtleiter
6 und Photodioden 7 eingelegt sind. An dem Gehäuse 5 ist ein Befestigungsteil 8
aus Isolationsmaterial angebracht, an welchen Lötösen 9 für die elektrischen Anschlüsse
der Photodioden 7 angeordnet sind. An dem Wagen 4 des Koordinatentisches ist gleichzeitig
eine Beleuchtungsvorrichtung zum Beleuchten der Abtaststelle mittels eines ähnlich
einstellbaren Halters 3' befestigt. Die Beleuchtungsvorrichtung besteht aus einem
Beleuchtungskörper oder Tubus 12,
einer Projektionslampe 13, einem aus zwei
Linsen 14, 15 bestehenden Kondenser, einem sphärischen Spiegel 16 und einer den
Spiegel 16 tragenden Stellschraube 17.
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Die Einrichtung nach F i g. 1. arbeitet folgendermaßen-Das Licht von
der Beleuchtungsvorrichtung wird in der Form einer kleinen kreisförmigen Fläche
auf die abzutastende Stelle geworfen, wie es mit dem Kreis 1 in F i g. 1 a angedeutet
ist. In derselben Abbildung ist auch die Anordnung der Lichtleiter 6 im Querschnitt
angedeutet; es ist ersichtlich, daß der Querschnitt der vier Lichtleiter praktisch
vier Segmente eines Kreises bildet, wobei dieser Kreis mit eben dieser kreisförmig
belichteten Fläche 1 identisch ist. Durch die Kurve 1' sind aber die einzelnen Segmente
6 a, 6 b, 6 c, 6 d verschieden stark belichtet, und die Lichtleiter bringen
Licht von verschiedener Intensität zu ihren vier Photoelementen. In F i g. 1. b
ist die Anordnung dieser Elemente, d. h. der Photodioden 7 a, 7 b, 7 c, 7 d,
im Querschnitt dargestellt, und zwar in derselben Stellung wie die Lichtleiter
6 a,
6 b, 6 c und 6 d. Da der Lichtleiter 6 a am meisten durch
die Kurve 1' beschattet wird, ist die Photodiode 7 a mit wenig Lichtenergie versorgt
und gibt ein kleines Ausgangssignal ab, das die gekreuzte Schraffierung darstellen
soll. Die Photodioden 7 b und 7 c sind mehr belichtet, und die nicht schraffierte
Photodiode 7 d ist voll beleuchtet, d. h., sie gibt ihr Maximum der elektrischen
Signalintensität ab. Die Abbildungen der F i g. 1 a und 1 b sind der Verständlichkeit
wegen stark vergrößert.
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In F i g. 2 ist derselbe Abtastkopf wie in F i g. 1 gezeigt, nur mit
dem Unterschied, daß seine Lage vertikal ist und statt durch .die Beleuchtungsvorrichtung
12,13,14,15,16,17 die auf einem durchscheinenden, auf einer Glasunterlage 10 liegenden
Papier 2' befindliche Kurve 1 von unten mit Lichtquellen 11, d. h., Glühlampen oder
Leuchtstofflampen beleuchtet ist. Die Glasunterlage 10 kann zwecks besserer Lichtzersteuerung
aus einer Milch-oder Mattglasscheibe hergestellt sein.
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In den F i g. 3 und 4 ist ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines
kompakten Abtastkopfes dargestellt. Der eigentliche Abtastkopf .ist ähnlich gestaltet
wie in F i g. 1 und 2. Als Beleuchtungsquelle dient hier eine Projektionslampe 13,
welche im oberen Teil 18 des äußeren Gehäuses angebracht ist. Die innere Fläche
des Gehäuseteiles 18 ist als ein Spiegel 18' ausgeführt, und zwar in der
Form der Oberfläche eines Rotationskörpers, dessen Erzeugende eine Ellipse 18" ist,
in deren einem Brennpunkt F1 bzw. in dessen Nähe der Glühfaden der Lampe 13 angebracht
ist. Zur besseren Wärmedissipation ist der Gehäuseteil 18 mit einer Verrippung
19 versehen. An dem eigentlichen Abtastkopfgehäuse 5 ist mittels Tragrippen 20 (s.
Grundriß in F i g. 4) ein kegelförmiger unterer Teil des Gehäuses befestigt. Der
obere und der untere Teil des Gehäuses bilden zusammen einen kompakten Körper des
Abtastkopfes, welcher mittels eines Halters 22 z. B. am Koordinatentisch befestigt
sein kann. Über den Photodioden 7 ist ein sphärischer Spiegel 16 angeordnet.
Dieser Spiegel 16 schützt einerseits .die Photodioden 7 vor dem direkten
Licht aus der Lampe 13 und erhöht andererseits die Intensität der Beleuchtung, denn
er bringt das Licht in die Nähe des Glühfadens zurück. Der Mittelpunkt des sphärischen
Spiegels 16 ist nämlich identisch mit dem Brennpunkt F1 des Ellipsoids 18", in dem
die Lichtquelle, d. h. der Glühfaden, untergebracht ist. In der Nähe des anderen
Brennpunktes FZ sollte die zu belichtende Stelle 1 angeordnet sein, damit dort die
größte Beleuchtungsintensität erzielt wird. Aus praktischen Gründen soll es aber
nicht eine punktförmig, sondern eine kreisförmig belichtete Fläche sein, wie in
F i g. 1 a erwähnt wurde. Deshalb ist es notwendig, den Brennpunkt F2 um einen kleinen
Abstand von der Fläche 2 zu entfernen, wie es auch in F i g. 3 gezeichnet ist. In
F i g. 3 sind einige Strahlen durch mit Pfeilen versehene Linien gekennzeichnet.
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F i g. 5 zeigt eine ähnliche Anordnung des Abtastkopfes wie in F i
g. 3 mit dem Unterschied, daß anstatt des ellipsoidförmigen Spiegels ein Paraboloidspiegel
benutzt ist. Zwischen dem eigentlichen Abtastkopfgehäuse 5 und .dem unteren Teil
21 des äußeren Gehäuses ist hier ein Lichtleiter 23 in der Form eines hohlen Kegelstumpfes
angebracht, welcher zugleich den Befestigungszwischenteil zwischen dem inneren und
äußeren Gehäuse bildet. Der Lichtleiter 23 besteht aus Glas oder anderem durchsichtigen
Material und seine obere Fläche ist so profiliert, daß die meisten vom Spiegel reflektierten
Strahlen ohne weitere Reflexion durch den Lichtleiter 23 hindurchgehen. Zwei dieser
Strahlen sind in F i g. 5 durch mit Pfeilen versehene Linien angedeutet.
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Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 6 unterscheidet sich vom Beispiel
in F i g. 5 dadurch, daß anstatt des Lichtleiters 23 eine Linse 24 benutzt wird.
Die vom Spiegel 18' zurückgeworfenen Strahlen fallen auf die obere Fläche
der Linse 24, welche sie in ihrem Brennpunkt unweit der Unterlagfläche 2 konzentriert.
Die Linse 24 ist in ihrer Achse mit einer Ausnehmung für das eigentliche
Abtastkopfgehäuse 5 versehen, so daß sie auch als Befestigungszwischenteil zwischen
den beiden Gehäusen 5 und 21 dient.
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In F i g. 7 ist das Beleuchten der Kurve 1' mit einer kreisförmigen
Lichtfläche angedeutet.
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In Fig.8 wird eine ausführlichere Zeichnung der Abtastkopfspitze gezeigt.
Die Lage und Funktion der Lichtleiter und der Photodioden wird mit Hilfe einer Kontrollfläche
25 eingestellt und kontrolliert. Diese Kontrollfläche, welche im Grundriß in F i
g. 8 a
aufgezeichnet ist, besteht aus einer weißen Fläche
251 und einer schwarzen Fläche 25p, welche voneinander mit einer geraden
Linie abgegrenzte sind. Wenn der Abtastkopf genau über der Grenzlinie der Kontrollfläche
gehalten wird, müssen die Photodioden 71 über der Fläche 25 l belichtet und die
Photodioden 7 p über der Fläche 25p unbelichtet sein, d. h., die Lichtleiter 6 p
dürfen keine Lichtstrahlen von der weißen Fläche 25 l erhalten. Zu diesem Zwecke
wird mit Vorteil eine Blende 26 benutzt, welche in Ansicht in F i g. 8 b gezeichnet
ist. Wenn vier Photodioden benutzt werden, hat die Blende 26 kreuzförnzigen Querschnitt,
und die äußere Form ist dem Inneren des Gehäuses 5 angepaßt.
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Es sei hier betont, daß bei Benutzung einer solchen Blende diese verlängert
werden kann, so daß sie bis zu den Photodioden reicht, und .die Lichtleiter 6 dann
durch die so entstandenen optischen Kanäle ersetzt sind.
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Andererseits kann die Blende weggelassen werden, wenn die Lichtleiter
6 fast bis zur Unterlagfläche 2 verlängert werden, wie es in F i g. 9 angedeutet
ist, und die Mantelflächen der einzelnen Lichtleiter mit einem optischen Lack versehen
sind.
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F i g. 9 a zeigt einen Querschnitt durch die vier Lichtleiter 6, welche
im Schnitt als Viertelkreissegmente ausgeführt sind, .dagegen F i g. 9 b einen Querschnitt
durch vier runde Lichtleiter 6'. Die Lichtleiter können weiter mit Vorteil zur besseren
Weitergabe des Lichtes an die Photodioden 7 mit einer konvexen oder konkaven Linse
versehen sein.
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Eine Weiterentwicklung des optischen Abtastkopfes ist in F i g. 10
illustriert, wo der eigentliche Abtastkopf genau so bemessen ist wie der Zeichenstift
eines Koordinatentisches. Die Austauschmöglichkeit des Abtastkopfes mit dem Stift
bietet besondere Vorteile bei der Bedienung und vereinfacht das Programmierungsverfahren.
Gemäß F i g. 10 ist der Abtastkopf durch den Tubus 27 gebildet, an dessen einem
Ende die Lichtleiter 6 angebracht sind. In dem Tubus 27 ist ein herausnehmbarer
Block 29 mit Photoelementen 7 untergebracht. Die Austrittleitungen 30 der Photoelemente
werden durch den Tubus 27 den nicht gezeichneten Verstärkern zugeführt. Der Tubus
ist des weiteren mit einem Befestigungsflansch 31 versehen, mit dem er am Zeichenkopf
28 befestigt wird. Dabei ist es möglich, durch eine Justiereinrichtung die Entfernung
des Abtastkopfes von der Unterlagfläche 2 einzustellen. Das Beleuchten der Unterlagfläche
2 kann z. B. gemäß der F i g. 1 oder 2 ausgeführt werden.
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In F i g. 11 ist der Zeichenstift angedeutet, welcher gegen den Abtastkopf
nach F i g. 10 ausgetauscht werden kann. An den Tubus 32 ist eine Stiftspitze 33
angebracht, sonst sind die übrigen Teile die gleichen wie in F i g. 10, der ganze
Zeichenstift samt dem Flansch 31 wird aus dem Aufnahmekopf 28 herausgenommen, um
für den Abtastkopf Platz zu machen.