DE1513450C - Abtastvorrichtung für die Nachführsteuerung des Kopierwerkzeuges von Bearbeitungsmaschinen nach einem vorgegebenen Linienzug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung für die Nachführsteuerung des Kopierwerkzeuges von Bearbeitungsmaschinen nach einem vorgegebenen Linienzug mit fotoelektrischer periodischer Kreisbahnabtastung und daraus resultierendem Stellsignal 5 für einen Nachdrehmotor für den Abtastkopf, der mit einem elektrischen Komponentenzerleger zur Bildung der Stellsignale für die Motoren für den Längs- und den Quervorschub in Wirkverbindung steht. ίο

Derartige Abtastvorrichtungen werden benötigt, um gemäß einem vorgegebenen ebenen Linienzug eine Bewegung eines Werkzeuges zu bewirken, z. B. bei Nachformwerkzeugmaschinen wie Brennschneidmaschinen oder Kopierfräsmaschinen.

Nach der DT-Zeitschrift »Werkstatt und Betrieb«, 1958, Heft 9, S. 589, 590 ist eine Abtasteinrichtung bekannt, bei der ein auf seiner Kreisbahn umlaufender Meßpunkt pro Umlauf zweimal die vorgegebene Kurve passiert und dabei durch Dunkeltastung einer Fotodiode eine Phasenimpulssteuerung zweier mit einer umlaufsynchronen Wechselspannung gespeisten Thyratrons bewirkt. Aus Betrag und Vorzeichen von Summe und Differenz der sich ergebenen Thyratronstromzeitflächen kann bei dieser Kreisbahnabtastung dann auf die Lage bzw. Richtung der Kurve geschlossen werden, wobei qualitativ mindestens sechs verschiedene Fälle unterschieden werden müssen. Neben einer komplizierten Auswertschaltung sind hochgenaues Justieren und absolute Driftfreiheit der Thyratronaussteuerung sowie eine verzerrungsfreie Speisespannung für die Thyratrons Voraussetzung für eine ausreichende Genauigkeit der Abtastung. Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Vorrichtung besteht darin, daß beim Abtasten der zu kopierenden Kurve der Radius des Kopierwerkzeuges nicht berücksichtigt werden kann. Dieser muß vielmehr von Fall zu Fall in die nachzukopierende Kurve eingearbeitet werden, was sich insbesondere bei wechselndem Kopierwerkzeug sehr zeitraubend gestaltet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Nachteile dieses bekannten analogen Abtastsystems zu vermeiden und insbesondere eine Abtastvorrichtung der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß auf einfache Weise der Radius des Kopierwerkzeuges bei der Nachführung berücksichtigt werden kann, so daß eine maßstabsgerechte Werkstückzeichnung ohne weitere Änderungen für den Kopiervorgang benutzt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeweils während des Durchlaufens des Tastweges zwischen einer senkrecht zur Abtastbahn angeordneten Kante eines Ausschnittes einer am Abtastkopf fest angeordneten Blende und dem Linienzug ein auf einen vom jeweiligen Kopierwerkzeug abhängigen Wert voreinstellbarer, digitaler Zähler nach Maßgabe einer Auswerteinrichtung von gleichfrequenten Zählimpulsen beaufschlagbar ist, daß dem Zähler ein Speicher und diesem ein Digital-Analogwandler nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal dem Nachdrehmotor zuführbar ist, durch den die Kante des Blendenausschnitts in Richtung der Tangente an den Linienzug drehbar ist.

Mit der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung ist es möglich, durch Erhöhen der Zählfrequenz zu einer praktisch beliebig großen Genauigkeit bei der Abtastung zu gelangen. Der Radius des jeweiligen Kopierwerkzeuges ist in vorteilhaft einfacher Weise durch entsprechende Voreinstellung des digitalen Zählers zu berücksichtigen, so daß ein umständliches Anpassen der Kurve an die Form des jeweiligen Werkzeuges entfällt.

Weitere Merkmale im Rahmen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung samt ihren Ausgestaltungen wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher veranschaulicht. Es zeigt

Fig. 1 den mechanischen Aufbau eines Abtastkopfes,

F i g. 2 eine Draufsicht auf die Zeichenebene 1

(Fig.l),

F i g. 3 eine schematische Gesamtübersicht der Abtasteinrichtung und

F i g. 4 die Schaltfunktionen der Auswertschaltung.

Gemäß F i g. 1 befindet sich über einer mit 1 bezeichneten Ebene, welche die abzutastende Kurve z. B. in Form einer Zeichnung enthält, der Abtastkopf 2. Dieser ist um die Achse 3 drehbar und über ein Zahnrad 4 mit einem Nachdrehmotor 5 verbunden, der seinerseits mit der Rotorwelle eines Drehmelders 6 mechanisch gekuppelt ist. Innerhalb des Abtastkopfes 2 befindet sich eine sogenannte Taumellinse 7, deren optische Achse 8 mit der Drehachse 3 des Abtastkopfes 2 einen Winkel δ einschließt. Die Taumellinse 7 ist in einem als Hohlzylinder ausgebildeten Halter 9 befestigt, welcher mit den Lagern 10 gegenüber dem Abtastkopf 2 abgestützt ist. Am Umfang des Taumellinsenhalters 9 befinden sich Magnetpole 11, denen in geringem radialem Abstand am Abtastkopf 2 angebrachte Feldwicklungen 12 zugeordnet sind. Werden diese mit einer Wechselspannung beaufschlagt, so wirkt der Taumellinsenhaller 9 als Rotor bzw. als Polrad eines Synchronmotors. Konzentrisch zur Drehachse 3 ist eine Fotodiode 13 angebracht, so daß bei Rotation des Linsenhalters 9 eine Abtastung der Zeichenebene 1 auf einer Kreisbahn erfolgt. Eine am Abtastkopf 2 angebrachte Beleuchtungseinrichtung 14, bestehend aus einer Lichtquelle und einem Linsensystem zur Erzeugung gebündelten Lichtes, sorgt für die erforderliche Lichtstärke. An seiner Unterseite ist der Abtastkopf 2 abgeschlossen durch eine Blende 15, welche einen sektorförmigen Ausschnitt aufweist. Die Fotodiode 13 wird hell getastet, wenn sich der auf einem Kreis konstanten Durchmessers bewegende Meßpunkt unterhalb des Blendenausschnittes und nicht auf der abzutastenden Kurve befindet. Außerhalb der Meßpunktbahn 19 ist im Innern des Abtastkopfes 2 eine weitere, punktförmige Lichtquelle 16 angebracht, welche bei entsprechender Stellung der Taumellinse 7 — also pro Umlauf einmal — von dieser auf eine zweite außerhalb der Drehachse 3 angebrachte Fotodiode 17 abgebildet wird.

In F i g. 2 sind der abzutastende Linienzug 18 und die Bahn 19 des umlaufenden Meßpunktes dargestellt. Auf den punktierten Abtastwegen fällt kein Licht — bzw. Licht mit stark verminderter Intensität — auf die Fotodiode 13, während diese auf dem restlichen Abtastweg voll ausgeleuchtet ist. Läuft der Meßpunkt mit konstanter Geschwindigkeit um und befindet sich die Kurve 18 unterhalb des Blendenausschnittes, so kann aus der Zeit, die der Meßpunkt benötigt, um von der senkrecht zur Abtastbahn angeordneten Kante 20 der Blende 15 bis zum Linienzug 18 zu gelangen, auf den Abstand Kante—Linienzug geschlossen werden. Während dieser Zeit wird

nun ein digitaler Zähler 24 mit konstanter Zählfrequenz in Tätigkeit gesetzt. Dieser Vorgang wiederholt sich bei jedem Umlauf. Wesentlich ist, daß jede Zählung von einem voreingestellten Zählerstand ausgeht. Mit dieser Voreinstellung des Zählers 24 kann bei Nachformwerkzeugmaschinen der Radius des Werkzeuges berücksichtigt werden.

Der Zeitpunkt für die Voreinstellung des Laufzeitzählers 24 kann entweder jeweils stellungsabhängig durch die von der Lichtquelle 16 angestrahlte Diode 17 erfolgen, oder — wie im Zusammenhang mit Fig. 4 noch erläutert werden wird, zeitabhängig durch eine kontaktlose Zeitstufe. Zählbeginn und Zählende können durch Auswertung des an der Fotodiode 13 abnehmbaren Ausgangssignals L1 bestimmt werden. Passiert der Meßpunkt den Linienzug 18, so ist der dann in dem digitalen Laufzeitzähler 24 stehende Wert ein Maß für den Abstand Kante 20—Linienzug 18 und kann bei Abweichung von einem vorgeschriebenen Sollwert zur Gewinnung eines entsprechenden Nachdrehsignals für die Blende 15 bzw. den Abtastkopf 2 verwendet werden. Dieser Sollwert kann auf verhältnismäßig einfache Weise dadurch eingeführt werden, daß er als negativer Zählerstand in dem Laufzeitzähler 24 voreingestellt wird und der Zähler 24 die Zählerimpulse in positiver Richtung zählt. Der nach Ablauf der Zählzeit im Zähler 24 stehende Restwert entspricht dann nach Größe und Richtung dem erforderlichen Nachdrehsignal. Da mit der Blendendrehung gleichzeitig auch der Rotor des Drehmelders 6 verstellt wird, welcher in üblicher Weise die Geschwindigkeitswerte der Vorschubkomponenten erarbeitet, stellt sich die Leitkante 20 unter Einhaltung des Abstandes r stets parallel zum abzutastenden Linienzug 18 ein, wobei der Abstand r dem voreingestellten Zählwert entspricht. Die Kante 20 der Blende 15 bildet im dargestellten Beispiel den Winkel α mit der als maschinenfest angenommenen Vorschubkomponentenrichtung y.

In F i g. 3 ist eine schematisierte Gesamtübersicht einer Nachformwerkzeugmaschine mit Verwendung der erfindungsgemäßen Abtasteinrichtung dargestellt, wobei für gleiche Elemente die entsprechenden Bezeichnungen aus den Fig. 1 und 2 übernommen worden sind. Es soll z. B. mit dieser Maschine die Kontur eines Werkstückes 21 entsprechend dem gezeichneten Linienzug 18 nachgefräst werden. Der Fräsvorschub für zwei aufeinander senkrecht stehende Komponentenrichtungen X und Y wird dabei durch zwei Stellmotoren festgelegt, denen entsprechende Befehle V_x und V₁, von einem Drehmelder 6 zugeführt werden. Wie auch in F i g. 1 dargestellt, ist der Drehmelder 6 mechanisch über ein Getriebe mit einem Nachdrehmotor 5 und dem Abtastkopf 2 verbunden. Desweiteren sind Abtastkopf 2 und Werkzeughalter durch eine angedeutete Parallelogrammführung miteinander mechanisch gekoppelt. Entspricht der Wertr dem Fräserradius, dann stimmen — wie vorstehend erläutert ■—· Zeichnung und gefräste Werkstückkontur überein.

Die vom Abtastkopf 2 bei jedem Umlauf des Meßpunktes gelieferten periodischen Signale L₁—und gegebenenfalls auch L., — gelangen an den Eingang einer nach Art eines Schrittschaltwerkes arbeitenden Auswerfeinrichtung 22. An derem Ausgang entstehen in zyklischer Reihenfolge ein Signal (Z) zur Freigabe der von dem Impulsgenerator 23 gelieferten Impulse während der Zeit, in der sich der Meßpunkt zwischen der Kante 20 und dem Linienzug 18 befindet, ein sich daran anschließendes Signal (Ü) zur Übernahme des Inhaltes des Zählers 24 in einen ihm nachgeordneten Speicher 25, und ein Voreinstellsignal (V) zur Ein* stellung eines konstanten Zählerstandes während der Zeit, in welcher sich der Meßpunkt nicht über dem Blendenausschnitt befindet. Dem Speicher 25 nachgeschaltet ist ein Digital-Analogwandler 26, der die jeweils im Speicher 25 enthaltenen Stellbefehle dem Nachdrehmotor 5 weiterleitet.

Der Impulsgenerator 23, der Zähler 24, der Speicher 25 und der Digital-Analogwandler 26 sind übliche digitale Einrichtungen. Bezüglich des Aufbaues der Auswerteinrichtung 22 wird auf Fig. 4 verwiesen. Es sollen zunächst einige Angaben über die Wirkungsweise der beim Aufbau der Auswerteinrichtung 22 verwendeten kontaktlosen, handelsüblichen Bauelemente vorausgeschickt werden.

Die Ausgänge dieser Bauelemente sind grundsätzlich nur zweier Werte fähig, nämlich eines Nullsignals — welches bei dem dargestellten System dem Erd- oder Massepotential entsprechen soll — und eines L-Signals, welches ein gegenüber Masse negatives Potential aufweist. Das mit N bezeichnete Umkehrgatter zeigt an seinem Ausgang nur dann ein L-Signal, solange an seinem Eingang ein Null-Signal ansteht; das mit U bezeichnete Undgatter liefert nur dann ein L-Signal, solange an seinen sämtlichen Eingängen gleichzeitig L-Signale anstehen. Eine bistabile Kippstufe — in F i g. 4 mit B bezeichnet — besitzt zwei antivalente Ausgänge, d. h., wenn der eine Ausgang ein L-Signal führt, ist an dem anderen Ausgang ein Null-Signal und umgekehrt. Wenn an den Eingang einer Kippstufenhälfte ein L-Signal gelegt wird, so erscheint an dem ihm zugeordneten Ausgang ebenfalls ein L-Signal, welches auch nach Verschwinden des Eingangssignals so lange bestehen bleibt, bis auf den Eingang der anderen Kippstufenhälfte ein L-Signal gegeben wird. Es ist auch möglich, die bistabile Kippstufe mit Impulsflanken in die eine oder andere Lage zu kippen. In der Regel wird die bistabile Kippstufe so ausgelegt bzw. die Impulsansteuerung so getroffen, daß nur eine Impulsflanke bestimmter Richtung in der Lage ist, die Stufe umzukippen, z. B. entweder nur ansteigende oder abfallende Impulsflanken. So kippt die in F i g. 4 dargestellte bistabile Kippstufe B immer nur dann, wenn an ihren entsprechenden Eingängen ein Signalwechsel von Null- auf L-Signal stattfindet. Eine monostabile Kippstufe, die in F i g. 4 mit M bezeichnet ist, liefert nur auf eine Eingangssignaländerung von Null- auf L-Signal hin ein L-Signal, das für eine in der Regel durch innere Zeitkonstanten-Beschaltung wählbar festgelegte Zeitdauer anhält. Die monostabile Kippstufe M erzeugt daher stets einen Impuls konstanter Zeitdauer.

Unter Bezugnahme auf F i g. 4 sollen nun die aufeinander folgenden Schaltfunktionen der Auswertschaltung 22 für einen Meßpunktumlauf im einzelnen betrachtet werden. Beim Passieren der Kante 20 befindet sich die bistabile Kippstufe 27 in einer derartigen Stellung, daß ihr unterer Ausgang ein L-Signal führt. Der Zähler 24 ist beispielsweise mittels eines Dekadenwahlschalters 28 über ein Undgatter 29 auf einen dem Fräserradius entsprechenden Wert voreingestellt worden. Für die Dauer des Tastweges zwischen der Kante 20 und dem abzutastenden Linienzug 18 (F i g. 2) erscheint an der mit L₁ be-

zeichneten Eingangsklemme der Auswertschaltung 22 ein jL-Signal, welches über das Undgatter 30 ein L-Signal an die mit Z bezeichnete Ausgangsklemme legt und so den Zähler 24 über das Undgatter 35 zur Zählung der von dem Impulsgenerator 23 gelieferten gleichfrequenten Impulse freigibt. Erreicht der Meßpunkt den abzutastenden Linienzug 18, so verschwindet das Signal an der Eingangsklemme L₁, und die Impulse des Impulsgenerators 23 können nicht mehr auf den Eingang des Zählers 24 gelangen. Gleichzeitig wird über das Umkehrgatter 31 die bistabile Kippstufe 27 in ihre andere Lage gebracht, so daß bei diesem Zustand der bistabilen Kippstufe 27 das Undgatter 30 gesperrt bleibt. Wenn dann der Meßpunkt den abzutastenden Linienzug 18 verlassen hat, so wird durch diese Lage der bistabilen Kippstufe 27 eine weitere Zählung durch den Zähler 24 unterbunden. Durch das Kippen der bistabilen Kippstufe 27 in diese Lage, bei der also an ihrem oberen Ausgang ein L-Signal erscheint, wird ein Impulssignal an der mit Ü bezeichneten Klemme bewirkt, welches eine Übernahme des während der vorangegangenen Laufzeitmessung erreichten Zählerstandes des Zählers 24 in einen ihm nachgeordneten Speicher 25 bewirkt.

Durch das Verschwinden des Signals L₁ infolge Passierens des abzutastenden Linienzuges 18 wird auch eine monostabile Kippstufe 33 angestoßen, deren Kippzeit größer als ¹Ai und kleiner als ³/* der Umlaufzeit des Meßpunktes gewählt ist. Befindet sich die Schaltbrücke 34 in der gezeichneten Stellung, so wird nach Ablauf der Kippzeit die bistabile Kippstufe 27 in eine derartige Lage gekippt, daß an ihrem unteren Ausgang ein L-Signal ansteht. Auf Grund der gewählten Kippzeit erfolgt dieser Zustandswechsel immer während der Zeit, in welcher sich der Meßpunkt nicht über dem Blendenausschnitt befindet. Dieser Signalwechsel an der bistabilen Kippstufe 27 bewirkt eine vorbereitende Freigabe des Undgatters 30 und ferner durch ein kurzzeitig an der mit V bezeichneten Klemme entstehendes L-Signal eine Voreinstellung des Zählers 24 entsprechend dem durch den Dekadenwahlschalter 28 vorgegebenen Wert. Damit sind wieder die eingangs beschriebenen Voraussetzungen gegeben, so daß mit gleichem Wirkungsablauf ein neuer Abtastvorgang erfolgen kann.

An Stelle der zeitabhängigen Vorbereitung des Zählers 24 für einen neuen Abtastvorgang durch Lieferung des Voreinstellimpulses V kann die Vorbereitung unter Wegfall der monostabilen Kippstufe 33 auch stellungsabhängig durch eine außerhalb der Meßpunktbahn 19 (F i g. 2) angebrachte, punktförmige Lichtquelle 16 und durch die Fotodiode 17 (F i g. 1) erfolgen, so daß bei jedem Umlauf stellungsabhängig an der mit L₂ bezeichneten Klemme in F i g. 4 ein L-Impuls auftritt. Zur Ausnutzung desselben wird die Schaltbrücke 34 in ihre andere Stellung gebracht, wodurch die monostabile Kippstufe 33 wirkungslos ist und statt ihrem Ausgangssignal dann das Signal L₂ an dem entsprechenden Eingang der bistabilen Kipsptufe 27 zur Wirkung kommt. Diese Möglichkeit kann sich bei besonders klein gewählter Umlaufzeit des Meßpunktes und bei großem Blendenausschnitt empfehlen. Die Ausbildung der Auswertschaltung 22 ist nicht auf das dargestellte Beispiel beschränkt. Es kann vielmehr jedes Schrittschaltwerk Verwendung finden, welches auf eine am Eingang eintreffende Signalfolge von O-L-0-L-Signalen die zyklische Signalfolge Z, Ü und V liefern kann.

Für große Fräserdurchmesser — also große Werte der Voreinstellung des Zählers 24 — kann es sich empfehlen, den Mittelpunkt der Kreisbahnabtastung bezüglich des Blendendrehpunktes in Fahrtrichtung zurückzuverlegen.

Auf einfache Weise kann scharfen Richtungsänderungen des abzutastenden Linienzuges Rechnung getragen werden. Wenn der nach Beendigung der Zählzeit im Zähler befindliche Rest einen bestimmten maximalen oder minimalen Wert überschreitet (was als Anzeichen dafür gewertet werden kann, daß eine starke Krümmung der Kurve aufgetreten ist, der die Kante 20 der Blende 15 nicht folgen konnte), ist es möglich, den Vorschub einer oder beider Koordinatenrichtungen so lange stillzusetzen, bis die Schwenkung der Blende 15 der Änderung der Kurvenrichtung nachgekommen ist und die Restwerte des Zählers wieder innerhalb des zulässigen Bereiches liegen, welcher innerhalb der Grenzen der Meßpunktbahn 19 frei wählbar ist.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Abtastvorrichtung für die Nachführsteuerung des Kopierwerkzeuges von Bearbeitungsmaschinen nach einem vorgegebenen Linienzug mit fotoelektrischer periodischer Kreisbahnabtastung und daraus resultierendem Stellsignal für einen Nachdrehmotor für den Abtastkopf, der mit einem elektrischen Komponentenzerleger zur Bildung der Stellsignale für die Motoren für den Längs- und den Quervorschub in Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils während des Durchlaufens des Tastweges zwischen einer senkrecht zur Abtastbahn angeordneten Kante (20) eines Ausschnittes einer am Abtastkopf (2) fest angeordneten Blende (15) und dem Linienzug ein auf einen vom jeweiligen Kopierwerkzeug abhängigen Wert voreinstellbarer, digitaler Zähler (24) nach Maßgabe einer Auswerteinrichtung (22) von gleichfrequenten Zählimpulsen beaufschlagbar ist, daß dem Zähler (24) ein Speicher (25) und diesem ein Digital-Analogwandler (26) nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal dem Nachdrehmotor (5) zuführbar ist, durch den die Kante (20) des Blendenausschnitts in die Richtung der Tangente an den Linienzug drehbar ist.

2. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß konzentrisch zur Drehachse (3) eines im Abtastkopf (2) rotierenden Taumellinsenhalters (9) eine Fotodiode (13) angeordnet ist.

3. Abtastvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Taumellinsenhalter (9) als Hohlzylinder ausgebildet ist, an dessen Umfang permanentmagnetische Pole eines Synchronmotors angebracht sind.

4. Abtastvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Abtastkopfes (2) eine punktförmige Lichtquelle (16) angebracht ist, die pro Umlauf der Taumellinse (7) einmal von ihr auf eine außerhalb der Drehachse (3) des Taumellinsenhalters (9) angebrachte zweite Fotodiode (17) abgebildet wird.

5. Abtastvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangs-

signale der konzentrisch zur Drehachse (3) angeordneten Fotodiode (13) einer aus kontaktlosen Schaltelementen aufgebauten Auswerteinrichtung (22) zuführbar sind, die in zyklischer Reihenfolge die Freigabe des Zählers (24) für die Zählimpulse, die Übernahme des Zählerinhalts in den ihm nachgeordneten Speicher (25) und die Voreinstellung des Zählers (24) bewirkt.

6. Abtastvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteinrichtung (22) das Ausgangssignal (L₁) der konzentrisch zur Drehachse (3) angeordneten Fotodiode (13) einem das Freigabesignal (Z) liefernden Und-Gatter (30) und über ein Umkehr-Gatter (31)

einem Eingang einer das Übernahmesignal (Ü) liefernden Hälfte einer bistabilen Kippstufe (27) zuführbar ist und daß das Ausgangssignal der anderen, das Voreinstellsignal (F) liefernden Hälfte der Kippstufe (27) auf einen zweiten Eingang des UND-Gatters (30) geführt ist, wobei der Eingang der zweiten Hälfte der Kippstufe (27) entweder vom Ausgangssignal der zweiten Fotodiode (17) oder vom Ausgangssignal einer monostabilen Kippschaltung (33) beaufschlagbar ist, deren Eingang mit dem Ausgag des Umkehr-Gatters (31) verbunden ist und deren Kippzeit zwischen ¹Ai und ²U der Umlaufzeit der Taumellinse (7) beträgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 109 514/26