DE1538474B2

DE1538474B2 - Mit konstanter Tangentialgeschwindigkeit arbeitende Kopiersteuervorrichtung

Info

Publication number: DE1538474B2
Application number: DE1538474A
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Dipl.-Ing. Yokohama Hashimoto; Tokio Mituka; Tokiji Dipl.-Ing. Shimajiri; Kanryo Dipl.-Ing. Shimizu
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1965-03-15
Filing date: 1966-03-14
Publication date: 1974-08-01
Also published as: US3457484A; CH456407A; DE1538474C3; FR1471478A; SE315650B; DE1538474A1; GB1129411A

Description

Z-Achse aus der Bezugsstellung des Stiftes 2 verschoben wird,

+ z.

Bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung ist der Bezugswert des Tastkopfes T an einem Punkt angenommen, der durch eine Bewegung des Stiftes 2 nach oben um den Bezugsausschlagswert R₀ aus seiner ursprünglichen, in F i g. 1 a dargestellten Stellung erhalten wird. Der Ausgang des Differentialübertragers wird an diesem Bezugspunkt auf Null gebracht, und die Ausgangsspannung des Differentialübertragers, die der Differenz ε—ε₀ zwischen dem Betrag der Bewegung ε des Kerns 12 des Differentialübertragers 10 für die D-Achse aus seiner ursprünglichen, in Fig. la dargestellten Stellung und dem Bezugsausschlagswert ε₀ proportional ist, wird in einfacher Weise erhalten.

Wie in den F i g. 1 a und 1 b dargestellt ist, werden zusätzliche Differentialübertrager 13 für die X-Achse und der Differentialübertrager 14 für die Y-Achse so eingestellt, daß sie an der Seite des Rahmens 1 um 90° voneinander versetzt sind, so daß die Verschiebung des Stiftes 2 in den Richtungen der X- und Y-Achse unabhängig aufgefunden werden kann.

Es wird nun angenommen, daß der äußere Umfang des Modells MO durch den Stift 2 bei einer konstanten Tangentialgeschwindigkeit VT gemäß Fig. 3 kopiert werden soll. Wenn das Modell MO in die positive Richtung aus seiner in F i g. 3 dargestellten Lage bewegt wird, wird es in Richtung der Normalen am Punkt der Berührung des Modells MO und des Stiftes 2 verschoben, wobei die Normale einen Winkel Θ zur positiven Richtung der X-Achse in F i g. 3 einschließt. Damit das Kopieren ausgeführt werden kann, indem das Modell MO in Berührung mit dem Stift 2 gehalten wird, ist es notwendig, daß eine Normalgeschwindigkeit VN, die im Wert der Differenz ε—ε₀ zwischen der Verschiebung ε des Stiftes in der senkrechten Richtung und dem Bezugsausschlagswert ε₀ proportional und im Vorzeichen ε—ε₀ entgegengesetzt ist, dem Modell MO zugeführt wird. Mit anderen Worten kann das Kopieren bei einer gewünschten Tangentialgeschwindigkeit ausgeführt werden, indem die zusammengesetzte Geschwindigkeit V — VT + VN aus der Tangentialgeschwindigkeit VT und der senkrechten Geschwindigkeit VN dem Modell MO zugeführt wird.

Wenn der Stift 2 um ε aus seiner ursprünglichen, in ausgezogenen Linien dargestelten Lage in der X-Y-Ebene verschoben wird, wie dies in F i g. 1 c dargestellt ist, werden die Komponente ε χ der X-Achse und die Komponente εν der Y-Achse dieser Verschiebung

ε* = ε cos Θ
εν = ε sin Θ .

Die Ausgangsspannung FDX des Differentialübertragers 13 für die X-Achse, und die Ausgangsspannung VDY des Differentialübertragers 14 für die Y-Achse sind jeweils dem cos Θ und dem sin Θ proportional.

Damit der Kopiervorgang bei einer konstanten Tangentialgeschwindigkeit VT ausgeführt werden kann und damit der Stift 2 in Berührung mit dem Modell MO in F i g. 3 gehalten wird, ist es notwendig, daß eine Geschwindigkeit FiV in der Normalen, die im Wert der Abweichung des Stiftes 2 ε—ε₀ proportional und in der Richtung ε—ε₀ entgegengesetzt ist, auf den Stift 2 gegeben wird. Wenn der Stift des Tastkopfes den Kopiervorgang tatsächlich ausführt, sind die Komponente FX der X-Achse (Geschwindigkeit der Maschine längs der X-Achse) und die Komponente VY der Y-Achse (Geschwindigkeit der Maschine längs der Y-Achse) ίο der Kopiergeschwindigkeit F

FX = VTX + VNX,

VY = VTY + VNY, , .

worin sind

^X5 yjr — Tangentialgeschwindigkeit (konstant), FJX = Komponente von F₇- in der X-Achse, VTY = Komponente von F₇- in der Y-Achse, VN = Normalgeschwindigkeit in der entgegengesetzten Richtung von ε,

VNX = Komponente von VN in der X-Achse, VNY = Komponente von VN in der Y-Achse und F = Zusammengesetzte Geschwindigkeit von VT und VN.

Da gilt

VTX = VT sin Θ, VTY= VT cos Θ, VNX = K (ε - ε₀) cos Θ und
VNY = K (β - ε₀) sin Θ,

wobei K <C O ist, ergibt sich

FX = VT sin Θ + K (ε - ε₀) cos Θ (1)

VY= VTcos Θ -K(ε- ε₀) sin Θ (2)

Somit werden VX und VY aus den Gleichungen (1) und (2) errechnet, und die Impulsmotoren für die X-Achse und die Y-Achse der Vorrichtung werden entsprechend gedreht.

Es werden die obigen Gleichungen (1) und (2) durch die Verwendung der in den F i g. 4 a und 4 b dargestellten Funktionsdrehmelder berechnet. Fig. 4 b zeigt das Prinzip des Funktionsdrehmelders. Wenn Eingangswechselspannungen

/1 = ε sin Θ und /2 = ε cos Θ

dem Stator in F i g. 4 b zugeführt werden und der Rotor eine Drehabweichung des Winkels β gegen den Stator hat, sind die Ausgangsspannungen O₁ und O₂ der Klemmen des Rotors -.·...;

O₁ = ε sin Θ sin β + ε cos Θ cos β = 8cos(0 — β)

O₂ = ε sin Θ cos/3 — ε cos Θ sin β = ε sin (Θ — β)

Es ist aus der Gleichung (4) ersichtlich, daß die Rotoren um den (.Winkel Θ gedreht werden, bevor die Klemmenspannung O den Wert Null konstant einnimmt. ^: .·-.-■....■.■■·.

Unter Verwendung des oben beschriebenen Prinzips des Funktionsdrehmelders wird eine Winkeleinstellservo- und Funktionsgeneratoreinrichtung mit zwei Funktionsdrehmeldern Rl und R2, einem Servoverstärker 5^4, einem Servomotor SM und einem Getriebe G verwendet, um die Spannungssignale zu erzeugen, die VY und FX in den obigen Gleichungen (1) und (2) entsprechen. Es werden nämlich durch die Differentialübertrager 13 und 14

Wechselspannungssignale VDX und VDY aufgefunden und dem Stator des Funktionsdrehmelders Rl in F i g. 4 a zugeführt, die Ausgangsgröße der Rotorseite wird durch den Servoverstärker SA verstärkt und der Rotor des Funktionsdrehmelders R 2 wird durch den Servomotor SM und das Getriebe G gedreht, bis der Ausgang des Funktionsdrehmelders Rl den konstanten Wert Null einnimmt. Wenn die Dreh winkel der Rotoren der beiden Funktionsdrehmelder Rl und Rl in einem Verhältnis von .1:1 stehen, ist es möglich, den Rotor des Funktionsdrehmelders R 2 um den Winkel Θ genau zu drehen. Andererseits werden ein Wechselspannungssignal, das der vorbestimmten Tangentialgeschwindigkeit VT entspricht, und ein Wechselspannungssignal von K (ε—S₀), das der Verschiebung έ— ε₀ des Differentialübertragers 10 für die D-Achse proportional ist, dem Stator des Funktionsdrehmelders R2 zugeführt. Wenn sich der Rotor des Funktionsdrehmelders R 2 um den Winkel Θ als Ergebnis des vorangehenden Vorgangs gedreht hat, sind die beiden Ausgänge des Rotors

VT cos Θ — K (ε — ε₀) sin Θ = Vy und
FJsin Θ + Κ(ε - £₀)cos Θ = V_x.

Somit werden die Spannungssignale, die den Komponenten der X-Achse und der Y-Achse VX und VY, der Kopiergeschwindigkeit V entsprechen, erhalten. .

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 werden an der Maschine M, beispielsweise dem Tisch einer Fräsmaschine, das Werkstück W und das Modell MO zum Kopieren befestigt. Der Tastkopf T ist mit dem Fräser C über den Arm A verbunden. Bei dem dreidimensionalen rechtwinkligen Koordinatensystem mit X-, Y- und Z-Achse kann die Maschine M in den. Richtungen der X-Achse und Y-Achse jeweils durch bekannte Schrittmotoren PMX und PMY vorgeschoben werden und der Tastkopf T und der Fräser C können in Richtung der Z-Achse durch den Schrittmotor PMZ vorgeschoben werden. Bei der Ausführungsform nach Fi g. 2 wird das Modell M um 360° in der X-Y-Ebene kopiert. Über die Steuertafel CP, den Steuerkreis CD, den Impulsgeber VOSC 3 mit veränderbarer Frequenz, das Ausgangstor G und eine Antriebseinheit PMD für den Schrittmotor wird ein gewünschter Schrittmotor, z. B. der Schrittmotor PMX . für die X-Achse in negativer Richtung gedreht, um die Maschine M in der negativen Richtung der X-Achse (nach links in F i g. 2) zu bewegen, wodurch der Stift 2 des Tastkopfes T in Berührung mit dem Modell MO kommt und der Stift 2 in der X-Y-Ebene verschoben wird. Die Komponenten der X-Achse und der Y-Achse der Verschiebung des Stiftes 2 werden als die Amplituden ax und εν der Ausgangswechselspannungen der Differentialübertrager 13 und 14 aufgefunden und der Winkeleinstellservo- und Funktionsgeneratoreinrichtung mit dem Funktionsdrehmelder Rl, dem Servomotor SM und dem Funktionsdrehmelder R2 jeweils über die Verstärker AMX und AMY zugeführt. Andererseits wird die Verschiebung des Stiftes 2 in der Richtung der "D-Achse ε—ε₀, die durch den Differentialübertrager 10 für die D-Achse aufgefunden wird, durch den Verstärker AMD verstärkt und eine Wechselspannung K (ε—ε₀), die der Verschiebung proportional ist, wird den Statoren des Funktionsdrehinelders R 2,. zugeführt. Zusätzlich wird ein Wechselspannungssignal, das der vorher bestimmten Tangentialgeschwindigkeit VT entspricht, dem Stator des Funktionsdrehmelders R2 zugeführt und somit können die Komponenten in der X- und Y-Achse, VX und VY, der Kopiergeschwindigkeit V aus ε χ und εν, wie oben angegeben, K (ε—ε₀) und VT berechnet werden. .■■■:

Die Komponenten VX und VY der Kopiergeschwindigkeit V werden durch gleichrichtende

ίο Kreise REl und REl jeweils gleichgerichtet, und Impulse, die VX und VY proportional sind, werden durch die Impulsgeber VOSCl und VOSC 2 mit veränderbarer Frequenz erzeugt und treiben die gewünschten Schrittmotoren PMX und PMY über das Ausgangs tor G, das durch die Phasenauffindungskreise PHl und PH 2 in der gewünschten Richtung gesteuert wird, z. B. in der Richtung, in der die Verschiebung des Stiftes 2 in Richtung der D-Achse ε—ε₀ Null gemacht wird.

ao Gemäß Fig. 5 ist der Sitz 5 des Tastkopfes T mit dem Differentialübertrager 15 für die Z-Achse versehen, um es möglich zu machen, die Verschiebung des Stiftes 2 in Richtung der Z-Achse unabhängig aufzufinden, so daß der dreidimensionale Kopier-Vorgang ausgeführt werden kann. Wenn die Spitze des Stiftes 2 des Tastkopfes, der in F i g. 5 dargestellt ist, in der X-Y-Ebene und auch in der Richtung der Z-Achse verschoben wird, ist die Verschiebung des Differentialübertragers 10 für die D-Achse, wie oben angegeben,

und die Ausgangsgröße des Differentialübertragers für die D-Achse entspricht der Verschiebung

Ein dreidimensionaler Kopiervorgang kann ausgeführt werden, indem ein Kopieren in Richtung der Z-Achse ausgeführt wird, so daß ζ in dem obigen Ausdruck Null werden kann, und indem dieses Kopieren in Richtung der Z-Achse und das Kopieren um 360° in der X-Y-Ebene, wie dies oben erwähnt ist, gleichzeitig gesteuert werden.

Der Differentialübertrager 15 für die Z-Achse ist voreingestellt, so daß die Ausgangsgröße, die der Differenz Z-Z₀ zwischen dem vorbestimmten Bezugsausschlagswert. Z₀ und der tatsächlichen Ver-

Schiebung ζ in der Z-Achse entspricht, erhalten werden kann, ein ausreichend geringer Wert Z₀ ausgewählt ■ wird und der Schrittmotor PMZ für die Z-Achse durch den Impulsgeber VOSC 4 gedreht wird, um Impulse zu erzeugen, die der Spannung z—z₀ in der Richtung proportional sind, in der

Z-Z₀ Null ist. , : ■■:;,·.·.

Wenn eine solche Steuerung ausgeführt wird, wird die Verschiebung des Differentialübertragers für die D-Achse

und der Zustand des dreidimensionalen Kopiervorgangs wird erhalten, indem ; ,

. . ]/χ².+ γ¹· 4-z_ofür]/x² + j^a . ..·■;■ in den folgenden Formeln ersetzt wird, welche den

Zustand des zweidimensionalen Kopiervorgangs angeben:

VX = VT

VY = VT-

K(e-e₀)-

-Κ(ε-ε₀)-

worin VX die Vorschubgeschwindigkeit in Richtung der X-Achse, VY die Vorschubgeschwindigkeit in Richtung der Y-Achse und y/x = tan Θ sind. Indem Z₀ in den so erhaltenen Formeln ausreichend klein gemacht wird, kann der dreidimensionale Kopiervorgang ausgeführt werden, der den Zustand des zweidimensionalen Kopiervorgangs gleichzeitig erfüllt.

F i g. 6 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung zur Ausführung des dreidimensionalen Kopierens. Wenn eine Verschiebung in Richtung der Z-Achse beim Kopieren in der AT-Y-Ebene stattfindet, wird die Differenz Z-Z₀ zwischen der Verschiebung ζ in der Z-Achse und dem Bezugsausschlagswert Z₀ durch den Differentialübertrager 15 für die Z-Achse aufgefunden und auf den Impulsgenerator VOSC 4 mit veränderbarer Frequenz über den Verstärker AMZ und den gleichrichtenden Kreis RE 3 gegeben. Der Impulsgeber VOSC 4 erzeugt Impulse einer Frequenz, die proportional der Eingangsspannung ist, und treibt den Schrittmotor PMZ in der gewünschten Richtung über das Tor G und die Antriebseinheit

ίο PMDX für den Schrittmotor, um hierdurch den Stift in der Richtung zu bewegen, in der die Verschiebung Z-Z₀ in Richtung der Z-Achse Null wird. Mit der Erfindung können die Schrittmotoren für den axialen Vorschub bei einer gewünschten Ge^- schwindigkeit über Impulsgeber mit veränderbarer Frequenz angetrieben werden, so daß das zweidimensionale Kopieren um 360° durch eine sehr einfache Steuervorrichtung gesteuert werden kann. Der Tastkopf der Steuervorrichtung ist auch mit Einrichtungen zum Auffinden der Verschiebung in Richtung der Z-Achse (Kopierachse) versehen, so daß es möglich ist, z. B. auch in Richtung der Z-Achse mit Hilfe der Steuerung des Kopierens in der X-Y-Ebene zu kopieren.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

409 531/15

Claims

1 2

gung des Fühlers des Tastkopfes in Richtungen einer

Patentanspruch: ersten und einer zweiten Achse erzeugt, mit Motoren

zum Bewegen der bewegbaren Teile der zu steuern-

Mit konstanter Tangentialgeschwindigkeit ar- den Maschine längs jeder Achsrichtung und mit

beitende Kopiersteuervorrichtung mit einem 5 einem Funktionsgenerator (DT-PS 847 353). Schließ-

Tastkopf, der zwei Signalspannungen jeweils pro- lieh ist auch eine Kopiersteuervorrichtung mit einem

portional den Komponenten der Bewegung des Tastkopf bekannt, bei welcher der Fühler des Tast-

Fühlers des Tastkopfes in Richtung einer ersten kopfes eine Signalspannung proportional seiner Ver-

X- und einer zweiten Y-Achse und eine dritte Schiebung in seine Längsrichtung erzeugt (CH-PS

Signalspannung proportional der Verschiebung io 373 671).

des Fühlers in seiner Längsrichtung erzeugt, mit Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei fühlerauslenkungsabhängig gesteuerten, den Rieh- einer Kopiersteuervorrichtung der Gattung mit Vortungen zugeordneten Vorschubmotoren zum Be- gabemöglichkeit der Tangentialgeschwindigkeit eine wegen der bewegbaren Teile der zu steuernden Steuerung nun auch für mit Schrittmotoren ausMaschine längs dieser Achsrichtungen und mit 15 gerüstete Systeme zu schaffen, bei der die Geschwineinem Funktionsgenerator, der die drei Signal- digkeiten der Schrittmotoren der Auslenkung des Spannungen mit der gewünschten Tangential- Fühlers entsprechen.

geschwindigkeit in ein viertes und ein fünftes Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß wie im Pa-

Signal umsetzt, die den Komponenten der Vor- tentanspruch gekennzeichnet gelöst. Mit der Erfin-

schubgeschwindigkeit in Richtung der beiden 20 dung ist bei Verwendung von Schrittmotoren als

ersten Achsen entsprechen, dadurch ge- Vorschubmotoren eine fühlerauslenkungsabhängige

kennzeichnet, daß bei an sich bekannter Geschwindigkeitssteuerung erreicht.

Ausbildung der Vorschubmotore als von fre- Beispielhafte Ausführungsformen der Kopier-

quenzeinsteilbaren Impulsgebern beaufschlagte Steuervorrichtung nach der Erfindung sind in der

Schrittmotore (PMX, PMY) der Funktionsgene- 25 Zeichnung dargestellt, in der sind

rator zwei Funktionsdrehmelder und einen den F i g. 1 a ein Querschnitt eines Tastkopfes,

Rotor des zweiten Funktionsdrehmelders dre- Fig. Ib ein Schnitt des Tastkopfes längs der

henden Servomotor enthält, wobei die ersten zwei Linien b-b in F i g. 1 a,

Signalspannungen den beiden Statorwicklungen Fig. Ic eine Darstellung der Beziehung zwischen

des ersten Drehmelders und die dritte Signal- 3° dem Stift und den Differentialübertragern,

spannung einer der beiden Statorwicklungen des F i g. 2 ein Blockschaltbild der Vorrichtung zum

zweiten Funktionsdrehmelders und eine der ge- Steuern des zweidimensionalen Kopiervorganges,

wünschten Tangentialgeschwindigkeit entspre- F i g. 3 eine Darstellung der Beziehung zwischen

chende Signalspannung der anderen Statorwick- den Geschwindigkeiten des Stiftes und dem Modell,

lung des zweiten Funktionsdrehmelders zugeführt 35 Fig. 4a eine schematische Darstellung der Win-

werden und daß die Impulsgeber (VOSCl, keleinstellservo- und Funktionsgeneratoreinrichtung,

VOSC2) von der vierten (VX) und der fünften Fig. 4b eine schematische Darstellung des We-

Signalspannung (VY) zur Erzeugung dieser Span- sens eines Funktionsdrehmelders,

nungen (VX, VY) proportionaler Frequenzen F i g. 5 ein Querschnitt durch den Tastkopf mit

beaufschlagbar sind. 4° der Einrichtung zum Steuern eines dreidimensionalen

Kopiervorganges und

■ Fig. 6 ein Blockschaltbild der Einrichtung zum

Steuern des dreidimensionalen Kopiervorgangs.

Gemäß F i g. 1 a weist der Tastkopf einen Rah-

45 men 1 und einen Stift 2 auf. Der Stift 2 ist mit einer

Die Erfindung betrifft eine Kopiersteuervorrich- kugelförmigen Erweiterung 3 und einem Sitz 4 ver-

tung nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs. sehen, wobei die kugelförmige Erweiterung 3 von

Bei der die Gattung bildenden Kopiersteuerung dem Sitz 5 getragen wird. Somit ist der Stift 2 um

sind die Vorschubmotoren als Hauptstrommotoren den Mittelpunkt 6 der kugelförmigen Erweiterung 3

ausgebildet. Bei dieser erzeugt ein Rechner deren 5° frei drehbar. Der Sitz 5 ist in der Weise gehalten,

Geschwindigkeitssteuersignale aus den fühlerauslen- daß er in der axialen (vertikalen) Richtung innerhalb

kungsabhängigen Spannungssignalen und einer vor- des Rahmens 1 bewegbar ist. In dem Sitz 4 ist eine

gegebenen konstanten Tangentialgeschwindigkeit Kugel 7 vorgesehen, und an der Kugel 7 ist ein Sitz 8

(»radio-mentor«, 1965, Heft 1, S. 48 bis 50). angebracht. Eine Feder 9 ist an dem Sitz 8 vor-

Es ist auch eine wahlweise Abwandlung einer 55 gesehen, und somit wird der Stift 1 nach unten ge-

numerischen Wegesteuerung zum dreidimensionalen drückt. Der Differentialübertrager 10 für die

Kopieren von Werkzeugmaschinen mit Schrittmoto- D-Achse enthält eine Spule 11 und einen Kern 12

ren als Vorschubmotoren bekannt, bei der Taster und ist an dem Sitz 8 angebracht. Der Kern 12 ist

und Impulsgeber vorgesehen sind (»Werkstatt- mit dem Sitz 8 gekoppelt, so daß er mit dem Stift 2

technik«, 1959, Heft 5, S. 241). Für die Impulsgeber, 60 bewegbar ist. Durch die Verwendung eines Abtast-

deren Frequenzen die Drehzahlen der Impulsmoto- kopfes T, der in der beschriebenen Weise ausgebil-

ren bestimmen, sind Frequenzeinstellgeräte vor- det ist, ist die Bewegung des Stiftes 2 in jeder Rich-

gesehen, die jedoch nicht vom Taster beaufschlagt tung in die Bewegung in der Richtung der Z-Achse

sind und die Vorgabe einer bestimmten Tangential- umwandelbar und die Verschiebung in Richtung der

geschwindigkeit ausschließen. 65 Z-Achse ist durch den Differentialübertrager 10 für

Bekannt ist ferner auch eine Kopiersteuervorrich- die D-Achse in eine Spannung umwandelbar. Somit

tung mit einem Tastkopf, der zwei Signalspannungen wird die Verschiebung des Kernes 12, wenn dieser

jeweils proportional den Komponenten der Bewe- um x, y und ζ in den Richtungen der X-, Y- und