DE1563830A1

DE1563830A1 - Vorrichtung zur Abtastung von Vorlagen

Info

Publication number: DE1563830A1
Application number: DE19661563830
Authority: DE
Inventors: Bardwell Francis Gregory
Original assignee: Stewart Warner Corp
Current assignee: Stewart Warner Corp
Priority date: 1966-10-05
Filing date: 1966-10-05
Publication date: 1972-04-13

Description

Vorrichtung zur Abtastung von Vorlagen Die Erfindung betrifft Lageanzeigegeräte und Vorlagenabtastsysteme, wie sie beispielsweise zur Steuerung von Fräsmaschinen, Brennschneidmaschinen, Schweißmaschinen, Holzsägemaschine., Stoffschneidemaschinen und dergl. anwendbar sind. InsbB-sondere befaßt sich die Erfindung mit einer neuartigen Abtastung für eine Lageanzeige- und Vorlagenkontur-Nachlaufeinrichtung, bei der die Vorlage mittels einer modulierten Lichtquelle abgetastet wird und eine lichtempfindliche Einrichtung ein Ausgangssignal mit der Modulationsfrequenz liefert, das kennzeichnend für die Zage der Vorlage relativ zu einem Bezugs-System ist.
Die frühesten selbsttätigen Vorlagenabtastgeräte waren allgemein für Randabtastung ausgelegt, wobei eine lichtempfindliche Einrichtung ein im wesentlichen als Gleichspannung auftretendes Ausgangssignal abgab, dessen Wert die Zage dies Abtasters in Bezug auf den Vorlagenrand anzeigte. Obwohl derartige Systeme weitgehend Eingang in die industrielle Praxis fanden, ergaben sieh zahlreiche Probleme aus Ungenauigkeiten auf Grund schwankender Lichtintensitäten, Gleichspannungsverstärkerdrift,t ungleichmäßig lichtempfindlichen Einrichtungen und dergleichen. Um die bei Gleichspannungs Randabtastgeräten vorhandenen Schwierigkeiten zu beseitigen, wurden Linienabtastgeräte entwickelt, .die schwankende Ausgangssignale liefern, deren Eigenschaften bezeichnend für die Zage der Vorlage gegenüber einem Bezugssystem sind. Bei diesen Abtastgeräten war allgemein eine sich physikalisch bewegende Einrichtung vorgesehen, welche die Vorlagenlinie nach Art von z.B. einer Schwingung abtastete, um ein Signal zu erzeugen, das Impulse aufweist, die jedesmal dann erscheinen, wenn bei der Abtastung die Linie überfahren wird. Zu derartigen physikalisch bewegten Einrichtungen gehörten auch rotierende Spiegel, Linsen oder Prismen, vibrierende Fotozellen und lichtundurchlässige Blenden oder Verschlüsse. Bei einer der bekannten Vorrichtungen wird zur Lösung der Aufgabe, die Abtastgeschwindigkeit der Kurve in Tangentialrichtung auf einen bestimmten konstanten Wert einzustellen, ein Tastkopf mit zwei Projektionslampen verwendet, deren jede eine ihr zugeordnete Blende auf die Kurvenebene als Lichtfleck abbildet. Der Abstand der Lichtflecke entspricht hierbei der Breite des abzutastenden Kurvenstriches und beide Lampen werden mit einem Wechselstrom gespeist, dem ein Gleichstrom überlagert ist. Eine Photozelle nimmt die Lichtemission der beiden lichtflecken auf und liefert ein Signal von der Frequenz des Wechselstroms. Der Tastkopf ist in einem Koordinatensystem verschiebbar gelagert. Für die Verschiebung des Tastkopfes sowie dessen Schwenkung sind Servomotoren gesteuert. Diese bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, daß die abzutastende Linie genau gezeichnet sein mu8, dafl die Abtastung durch unterschiedliche Schwankungen und Alterung der Lichtquellen beeinträchtigt wird, indem Fehlinformationen geliefert werden, daß der Abstand der Lichtquellen schwer einstellbar ist und daß der Abtastkopf, wenn er die abzutastende Kurve ganz ver- liert, kein diesen Zustand bezeichnendes Signal liefert. Mit der erfindungsgemäßen kbtastvorrichtung sollen alle die genannten Nachteile gleichzeitig überwunden werden und ein Gerät geschaffen werden, das mit äußerster Präzision und Zuverlässigkeit arbeitet. _. .. , Die Weiterentwicklung der Automation in der Industrie sowie Fortschritte bei den Werkzeugmaschinen haben ein Bedürfnis nach Vorlageabtastsystemen geschaffen, das einer Vorlagenkontur mit größerer Geschwindigkeit folgen kann, als sie bei den oben erwähnten Geräten möglich ist. Physikalisch bewegte Abtastgeräte brachten bei der Abtastung mit hoher Geschwindigkeit erhebliche Probleme mit sich, und zwar auf Grund der Massenträgheit der das Abtastgerät bildenden Bauteile: Mit der vorliegenden Erfindung werden die geschilderten Probleme dadurch ausgeräumt, daß ein Vorlagenabtastgerät geschaffen wird, bei dem eine modulierte Lichtquelle vorgesehen ist. Die Yorlagenkontur wird mittels mindestens einer Lichtquelle beleuchtet, die mit einer vorbestimmten Frequenz impulsweise betätigt wird, die von der Geschwindigkeit der Abtastung und dem gewünschten Genauigkeitsgrad abhängt. Im Abtastgerät werden lichtempfindliche Einrichtungen angeordnet, die das Bild der Kontur betrachten und dementsprechend Ausgangssignale erzeugen. Bei einer im folgenden beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Bilizium-Sperrschicht-Photozellen benutzt, um elektrische Signale entsprechend der Lichtintensität des auf sie geworfenen Bildes zu erzeugen. Die Ausgangesignale der lichtempfindlichen Einrichtungen werden derart miteinander kombiniert, daß resultierende Signale erhalten werden, die bezeichnend für die Richtung und den Betrag der ` Abweichung der Vorlagenkontur von einem Bezugesystem sind. Die Grundlagen der Abtastung mit Hilfe einer modulierten Lichtquelle sind sowohl für Randabtastung als auch für Linienabtastung anwendbar. Infolgedessen werden im folgenden Geräte für beide Abtastungsarten näher erläutert. Es ist Gegenstand der Erfindung, eine Vorrichtung zur Anzeige der Abweichung zwischen*einer Vorlage oder einem Indikator und einem Bezugssystem zu schaffen, bei dem eine Abtastung mit moduliertem Licht vorgesehen ist. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung von Lageanzeige-Konturabtastsystemen und dafür geeigneten Abtastvorrichtungen, bei denen eine neuartige Abtasttechnik mit moduliertem Licht verwendet wird. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung von Vorlagen-Abtastsystemen, bei denen eine Abtastung mittels modulierten Lichts erfolgt, die einen Vorlagennachlauf mit höheren Geschwindigkeiten als bekannte Systeme ermöglichen. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung von Lageanzeige-Vorlagennachlaufsystemen und Abtastvorrichtungen dafür, bei denen eine Abtastung mit Hilfe modulierten Lichts erfolgt, die eine hohe Genauigkeit aufweist, jedoch im Aufbau verhältnismäßig einfach und wirtschaftlicher als bekannte Geräte sind. Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen. Es zeigt: Fig. 1 einen lotrechten Schnitt eines Abtastkopfes mit Beleuchtungseinrichtung, optischer Einrichtung und lichtempfindlicher Einrichtung zur Abtastung einer Vorlagenkontur,.
Fig. 1a eine Draufsicht auf eine einfache lichtempfindliche Vorrichtung, Fig. 1b eine Seitenansicht der lichtempfindlichen Vorrichtung nach Fig. 1a im Schnitt entlang der Linie 1b-'1b der Fig. 1a, Fig. 1c eine schematische Darstellung der empfindlichen Zonen der lichtempfindlichen Vorrichtung nach Fig. 1a, die erkennen läßt, in welcher Weise diese Zonen die Vorlagenkontur sehen, Fig. 1d eine graphische Darstellung der Ausgangssignale der lichtempfindlichen Vorrichtungen, aufgetragen über Querabweichungen der Abtastmittellinie von der Vorlagenkontur, Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einer Anordnung zur I#Zodulation der Beleuchtungsquelle, Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild eines Vorlagen-Abtastsystems nach der Erfindung, Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Sperrschieht-Photozellenanordnung zur Verwendung bei einem Linienabtastgerät, Fig. 4a einen Schnitt der Anordnung nach Fig. 4 entlang der _ Linie 4a-4a, Fig. 5 ein schematisches Schaltbild des Stromkreises, mit Hilfe dessen die Ausgangssignale der verschiedenen Abschnitte der Abtastanordnung nach Fig. 4 zusammengefaßt werden, um Signale zu erhalten, die bezeichnend für die Lage der Tastanordnung in Bezug auf die Vorlagenkontur sind, Fig. b ein schematisches Schaltbild einer Linienabweichungs-Anzeigeschaltung, die in Verbindung mit der Abtastanordnung nach Fig. 4 einsetzbar ist, Fig. 7 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Abtastanordnung für ein Linienabtastgerät, Fig. 8 ein schematisches Schaltbild der Lagesignal Anzeigeschaltung, die in Verbindung mit der Abtastanordnung nach Fig. 7 anwendbar ist, Fig. 9 eine Draufsicht auf eine Abtastanordnung für ein Randabtastgerät, Fig. 10. ein schematisches Schaltbild einer lagesignalschaltung für die Kantennachlauf Abtastanordnung nach Fig. 9, u nd Fig. 11 ein schematisches Schaltbild einer Kantenabweichung-Anzeigeschaltung, die in Verbindung mit der Abtastanordnung nach Fig. 9 einsetzbar ist. Anhand der Fig. 1 sowie der Fig. la bis 1c seien zunächst die allgemeinen Grundlagen der Erfindung erläutert. Fig. 1 zeigt in schematischer Form einen Abtastkopf 20, der um eine Achse 22 drehbar und entlang einer Vorlagenkontur (Linie 26) in einer Richtung 25 entsprechend der Längsachse 45 bewegbar ist. Der" Abtastkopf 20 ist mit Lampen 24 versehen, welche die Vorlagenkontur 26 beleuchten, entlang der der Abtästkopf nachgeführt werden soll. Ein optisches System mit einer Zinse 28 projiziert ein Bild der Vorlagenkontur 26 auf eine lichtempfindliche Vorrichtung 30, die in Abhängigkeit von der Intensität des auf sie auffallenden Lichts ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt. Mit Hilfe des Ausgangssignals der lichtempfindlichen Vorrichtung 30 wird die Dreh- und Verschiebebewegung des Abtastkopfs 20 in Bezug auf die Vorlagenkontur gesteuert, wie dies im folgenden noch näher erläutert wird.
Die einfachste Form der lichtempfindlichen Vorrichtung 30 weist zwei Photozellen 31, 31' auf, von denen jede lichtelektrische Bauteile 32, 32' besitzen (Fig. 1a, 1b). Leitende Schichten, z.B. Kupferfolien 34 ', 36',sind mit gegenüberliegenden Oberflächen der Bauteile 32, 321 verbunden, beispielsweise verlötet, um die Elektroden der Photozellen zu erhalten. Eine Unterlage 38 trägt die Anordnung, wobei eine Isolierschicht 37, 37' zwischen der Kupferfolie 36, 361, als untere Elektroden, und der Unterlage 38_ liegt.
Die obere Folie 34 ist mit einer rechteckigen Öffnung 40 (Fig. la) versehen, uni einen Teil des Photoelements 32 freizulegen. Die freiliegende Zone wird im folgenden als empfindliche Zone 42, 42' bezeichnet: Diese Zonen werden dem Licht ausgesetzt, um an denElektroden 34, 36 eine Spannung-auftreten zu lassen. Zur Fertigung der lichtempfindlichen Vorrichtung 30 wird eine einzige Anordnung auf der Unterlage 38 hergestellt, die ein großes lichtelektrisches Bauteil, wie z.B. ein Siliz,um-Sperrschicht-Photoelement, und die Kupferfolien einschließt, die dies Elektroden bilden werden. Nach Vollendung der Anordnung wird ein Schlitz 44, z.B. mit einer Säge, angebracht, der durch die Anordnung bis in die Basis 38 hineinreicht, so daß die beiden Photozellen 31,31t entstehen. Die empfindlichen Zonen 42, 42' sind möglichst gleich, so daß die zwischen den Elektroden 34, 36 und 341, 36E auftretenden Spannungen im wesentlichen gleich sind, wenn die empfindlichen Zonen gleicher Lichtintensität ausgesetzt werden.
Die beiden Photozellen 31, 31E sind einander in einem-Stromkreis 46 (Fig: 1a) entgegengeschaltet, so daß am Ausgangslastwiderstand 48 ein Nullsignal erhalten wird, wenn auf die beiden empfindlichen Zonen 42, 42E Licht gleicher Intensität fällt. Wenn die eine oder andere empfindliche Zone einer größeren Lichtintensität ausgesetzt wird, entsteht dagegen ein positives oder negatives Signal.
Der Widerstand 50 des Potentiometers 52 liegt zwischen der oberen Folie 34' der Photozelle 311 und der unteren Folie 36 der Photozelle 31. Der Ausgangslastwiderstand 48 liegt zwischen dem Gleitkontakt 54 des Abgleichpotentiometers 52 und einer gemeinsamen Verbindung zwischen der oberen Folie 34 der Photozelle 31 und der unteren Folie 36' der Photozelle 31'. Nimmt man an, daß Strom von den unteren Folien 36, 361 durch die lichtelektrischen Bauteile 32, 321 zu den oberen Folien 34, 341 beider Photozellen 31, 31' fließt; so verläufteder Stromweg für die Zelle 31 von der Folie 34 über den Leiter 33, den Widerstand 48,, das Pbtentiometer 52 und den Leiter 35 zur unteren Folie 36. In der Photozelle 31' fließt Strom von der oberen Folie 34; über den Leiter 33', das Potentiometer 52, den Widerstand 48 und den Leiter 35,' zur unteren Folie 36'. Somit fließen die Ströme der beiden Photozellen 31., 31' in entgegengesetzter Richtung durch den Lastwiderstand 48.
Wenn der Abtastkopf 20 derart über einer Vorlagenlinie 26 liegt, die durch gleichmäßiges Licht beleuchtet wird, daß die lichtempfindlichen Zonen 42 und 42' jeweils gleiche Teile des Bildes der Linie betrachten (Fig. 1e), ist die Spannung am Ausgangslastwiderstand 48 gleich Null, wie dies in den graphischen Darstellungen der Laststromkurve nach Fig. 1d im Mittelteil 56 angedeutet ist. Beide Photozellen 31 und 31' erzeugen Ströme, die in dem Mittelteil der jeweiligen Zellenausgangsstromkurven von Fig. 1b angedeutet sind. Diese Ströme fließen jedoch in entgegengesetzter Richtung durch den Lastwiderstand 48 und heben einander auf. Wenn der Sägeschlitz 44 in Querrichtung vom Bild des Mittelpunkts der Linie 26 in der einen oder anderen Richtung abweicht, werden die von den betreffenden Photozellen 3_1, 31' erzeugten Ströme uriabgeglichen, so daß je nach der Richtung-der.Querabweichung eine negative oder positive Spannung am Widerstand 48 erzeugt wird. Auf diese Weise wird am Ausgang ein Signal erhalten, dessen Vorzeichen und Größe bezeichnend für Richtung bzw. Betrag der Querabweichung der Abtastmittellinie der Abtastanordnung von der Vorlagenkontur sind.
Man sieht, daß der Sägeschlitz-44 auf diese Weise eine Abtastmttelline 45 festlegt, die normalerweise mit der Längsachse 45 des Abtaatkopfes 20 zusammenfällt. Es soll jedoch bemerkt werden, daß die Abtastmittellinie nicht notwendigerweise mit der Lärigsachse zusainmenfall.en muß, so z.B., wenn Spiegel in dem optischen-System benutzt werden, um das Abbild auf eine Ebene zu projizieren, die nicht parallel zu der Vorlageebene ist. Sie fallen auch dann nicht zusammen, wenn eine seitliche Versetzung vorgesehen ist, um den Durchmesser eines Werkzeuges oder die Schnittbreite eines Gasschweißbrenners zu kompensieren. In einem solchen Fall würde auch die Drehachse 22 des Abtastkopfes nicht mit der Drehachse des Bildes auf der lichtempfindlichen Einrichtung zusammenfallen. Für diese Beschreibung soll jedoch Koinzidenz angenommen werden.
Mittels der Signale an dem Lastwiderstand 48 kann ein Motor gespeist werden, der den Abtastkopf 20 um die Drehachse 22 dreht. Wie ersichtlich, befinden sich die empfindlichen Zonen 42, 42' vor der Drehachse 22, um in bekannter Weise einen Steuersinn zu erhalten. Mittels des Motors kann ein Abtastrad gelenkt oder der Rotor des Koordinatenwandlers in einem Koordinatenantrieb-Abtastsystem betätigt werden, um in bekannter Weise zu erreichen, daß der Abtastkopf 20 der Linie nachgeführt wird.

Die lichtempfindliche Vorrichtung 30 kann auch benutzt werden, daß ein phasen- und amplitudenempfindliches Wechselstromsignal von der lichtempfindlichen Einrichtung abgegeben wird. Um dies zu erreichen, bleiben die Vorrichtung 30 und der Schaltkreis gleich, aber die Lampen 24 werden zur Beleuchtung der Vorlage mittels eines Stromkreises 25 nach Fig. 2 derart moduliert, daß sie mit einer vorbestimmten Grundfrequenz blinken. Eine oder mehrere schnell ansprechende Neonlampen bekannter Bauart lassen sich für diesen Zweck vorsehen, die in Reihe mit einem Widerstand 58 an einer Wechseletromquelle 60 liegen. Vorzugsweise wird ein Rechtecksignal benutzt, doch versteht. sich, dsß jede gewünschte Wellenform anwendbar ist. Eine Diode 62 liegt parallel zur Lampe 24, so daß diese mit dem Signal der

Wechselstronquelle 60 blinkt. Die von den Fotozellen 31, 31'

erzeugten Ströme sind infolgedessen entgegengesetzt gerichtete

pulsierende Gleichströme.-Das am Lastwiderstand 48 auftretende

Signal hat eine Wechselspannungsgrundkomponente,"deren Phase

und Amplitude kennzeichnend für die Richtung und den Betrag der

Querabweichung der Abtastmittellinie 45 vom Mittelpunkt des Bil-

des der Vorlagenlinie 26 sind.

Wenn die Abtastmittellnie 45 wie in Fig. 1c auf die Linie

zentral eingestellt wird, verschwinden die Stromimpulse in dem

Widerstand 48, die durch das Lichtflackern erzeugt wurden. Wenn

sich dagegen die Abtastmittellinie 45 vom Rand der Linie weg-

bewegt, so wird die Photozelle 31 oder 31'', auf die der gering-

ste Teil der Linie 26 fällt, Impulse mit größerer Amplitude

abgeben-aln die andere. Es wird daher ein Signal mit der Iricht-

flackerfrequenz über den Lastwiderstand 48 gelegt. Seine Phase

wird durch die Lage des Bildes der Linie in Bezug auf die Photo-

zellen 31, 31' bestimmt.

Die oben erläuterten Grundlagen lassen sich bei-einer kompli-

zierteren und verwickelteren lichtempfindlichen Verrichtung 64

(Fig. 4Yanwenden, die-benutzt wird, um Signale zu erhalten,

die- nicht nur für -den Betrag und die Richtung der- Querabwei- -

chung sondern auch für die Richtung und den Betrag der Win-

kelabv@eichung der-Abtastmittellinie 45 vom Bild der'Kontur--

linie 26 bezeichnend sind. -

Die lichtempfindliche Vorrichtung'64=weist,-ein erstes Paar

von Sperrschicht-Photozellen 68, 68,; * sowie-,ein zweites Paar

von Sperrschicht--Photozellen 709,-701 äuf; die zusammen die -

Vorrichtung zur Ableitung der 'Winkel- -und Qüerabweichungs=@-:

signale bilden. Die -Photozellen 72-, 72' und---74- 74' -dienen @° - -

der Erzeugung eines Alarmsignals, wenn der Abtastkapf die Vorlagenlinie völlig verliert, wie dies im folgenden noch näher erläutert wird.

Die lichtempfindliche Vorrichtung 64 wird aus einem lichtelektrischen Bauteil 32, z.D. einem einzigen Photoelement 32, hergestellt, an dessen beiden Oberflächen Kupferfolien 34, 36 angeordnet sind (Fig. 4a) und das auf einer einzigen Unterlage 38 im wesentlichen in der zuvor für die Fig. 1b beschriebenen Weise angeordnet ist. Sägeschnitte 78, 78', die durch die Kupferfolien und das Siliziumelement hindurchreichen, trennen die einzelnen Zellen 68, 68', 70, 70', 72, 721, 74, 74' voneinander ab. Die empfindlichen Zonen 80, 80', 82, 82' haben sämtlich im wesentlichen gleiche Flächen, so daß sie im wesentlichen gleiche Ausgangssignale abgeben, wenn sie gleicher Lichtintensität ausgesetzt werden. Die Kupferfolienbegmente 84, 841 und 86, i36# auf der oberen Seite der Siliziumsegmente bilden jeweils eine Elektrode für die Zellen 68, 688, 70, 70', während die unteren Kupferfoliensegmente 85, 85', 87, 87' die anderen Elektroden bilden.
Die Photozellen beider Paare 68, 68' und 70, 70"liegen nebeneinander zu beiden Seiten der Abtastmittellinie 45, und die beiden Photozellenpaare befinden sich entlang der Abtastmittellinie in gleichem Abstand vor und hinter der Drehachse 22 des Abtastkopfes 20.
Die derart ausgebildeten und angeordneten Photozellen liefern gleiche Ausgangssignale, wenn die Abtastmittellinie 45 mit dem Bild der Vorlagenlinie 26 ausgerichtet ist. Bei einem Anschluß der Zellen jedes Photozellenpaares entsprechend Fig. 1a ist die algebraische Differenz der Ausgangssignale des ersten Photozellenpaares 68 und 68' ebenso gleich Null wie die algebraische Differenz der Ausgangsäignäle des zweiten Photozellenpaares 70 und 70'. ' Wenn jedoch das Bild der Vorlagenlinie 26 rechts der Abtast -mittellinie 45 liegt, wie dies mittels der unterbrochenen Linie 8Vangedeutet ist, sind die Ausgangssignaleder Photozellen-6ä' und 70' erheblich kleiner als die Ausgangssignale der Phötozellen 68 und 70s Infolgedessen liefert die alg.ebraisehe Subtraktion der Ausgangssignale der Zellen 68 und 68' -enerseit.s sowie der Photozellen 70'und 701 andererseits--kein' resultierendes Signal vöm Wert Null. Das T)ifferenzsignal-des fhotözelleripaares 68, 681 ist 'Jedoch gleich dem Differenz- ,-signäl des Photozellenpaares 70, 70--', und eine algebraische Subtraktion dieser Differenzsignale liefert-den-Wert Null, was erkennen läßt, daß keine Winkelabweichung 'zwischen der . Abtastmittellinie 45 und dem Bild der V'orlagenl'inie Vorhanden ist. Die algebraische Summe der beiden Paare von Differenz-# ist bezeichnend für die .Querabweichung d-er Abtast mittellinie 45 vom Bild der Vorlagenlinie.
Nimmt man nunmehr an, daß die Abtastmittellinie 45 mit dem Bild- der Vorlagenlinie 26 einen Winkel bildet und dabei durch die Drehachse 22 verläuft, wie dies durch die unterbrochene :Linie c33 veranschaulicht wird, so wird das Bild nur auf. die Photozellen 683 und 70' geworfen.'Die algebraische Differenz der Ausgangssignale zwischen dem Paar von Zellen 68 und C8' wird im wesentlichen gleich, aber entgegengesetzt der algebraisollen Differenz der Ausgangssignale zwischen dem Paar von -Photozellen 70 und 701. Infolgedessen liefert die algebraische Subtraktion dieser beiden Differenzsignale nicht, den Wert Null, sondern ein resultierendes Signal, dessen Phase und Amplitude kennzeichnend fizx- die Richtung und den Betrag der Winke 1äbweichung der Abtastmittellinie 45 von dem Bild der Vbrl_agenlinie 26 sind. In diesem Falle liefert die algebraische Addition der Differenzsignale ein Signal vom Wert Null, das erkennen läßt, daß keine Querabweichung der Linie von der Abtastmittellinie vorhanden ist.
Die Signalkombinationsschaltung 86 nach@Fig: 5 stellt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel-einer Einrichtung zur Kombination der Signale entsprechend der vorstehenden Beschreibung dar, um sowohl Winkel- als auch Querabweichungssignale zu erhalten. Die Photozellen 68, 68', 70, 70' sind als Dioden veranschaulicht, da--sie@elns`eitig gerichtete Ströme in einem System abgeben, das eine pulsierende Lichtquelle zur Beleuchtung der Linie benutzt.
Die Photozellen 68, 68' sind dabei so geschaltet, daß ein algebraisches Differenzsignal der betreffenden Ausgangssignale am Gleitkontakt 88 eines Abgleichpotentiometers 90 sowie am Potentiometer 100 erhalten wird. Dabei sind die Photozellen 68, 68' einander zwischen den Enden des Widerstands 92 des Po- " tentiometers 90 und einer Masseleitung 94 entgegengeschältet: Wie die Signale 96, 96' in Fig. 5 erkennen lassen, löschen die von den beiden Photozellen entsprechend dem Lichtflackern erzeugten pulsierenden Ströme einander aus und ergeben ein Nullausgangssignal am Potentiometer-Gleitkontakt 88, wenn die A b-- ` tastmittellinie 45 mit dem Bild der Vorlagenlinie 26 ausgerichtet ist. Das Ausgangssignal am Widerstand 98 des Potentiometers 100 ist infolgedessen ebenfalls gleich Null.
Die Photozellen 70, 70' sind in gleicher@Weise geschaltet, so daß ein Differenzsignal an dem Festwiderstand 102 erhalten wird. Die Signale 104, 104' lassen erkennen, daß das Differenzsignal am Widerstand 102 gleich Null ist, wenn Ausfluchtung besteht. Die Differenzsignale der betreffenden Photozellenpaare 68, 68' und 70, 70' werden im Primärkreis des Transformators 106 algebraisch addiert, so daß an den Klemmen 108 ein resultierendes Summensignal erhalten wird. Die Phase und Amplitude dieses resultierenden Summensignals sind bezeichnend für die Richtung und den Betrag der Querabweichung der Abtastmittellinie vom Bild der Vorlagenlinie: Der Sekundärkreis des Transformators 106 subtrahiert algebraisch die Differenzsignale der beiden Photozellenpaare, die an den Widerständen 98-bzw. 102 auftreten, so daß an den Klemmen 110 ein resultierendes Differenzsignal erhalten wird. Die Phase und Amplitude dieses resultierenden Differenzsignals sind bezeichnend für die Richtung und den Betrag der Winkelabweichung der Abtastmittellinie 45 vom Bild der Vorlagenlinie 26. -Wie zuvor erwähnt, können die Photozellen 72, 72' und 74, 74' feststellen, ob der Abtastkopf die Vorlagenline verläßt. Fig. 6 zeigt, wie diese Photozellen verbunden werden können, um ein Warnsignal abzugeben, wenn der Abtastkopf von der Linie abweicht. Die Photozellen 72, 72' sind ebenso wie die Photozellen 74, 74' additiv zueinander geschaltet. Dabei ist jedoch das Photozellenpaar 74, 74' dem Photozellenpaar 72, 72' entgegengeschaltet, so daß das Signal am Lastwiderstand 110 die algebraische Differenz zwischen den Summensignalen der betreffenden Photozellenpaare 72, 72' und 74, 74' darstellt. Diese Photozellen sind. ebenfalls so aufgebaut, daß ihre empfindlichen Zonen 112, 112' und 114, 114' gleiche Größe aufweisen. Wenn daher das Bild der Vorlagenlinie 26 auf eine oder beide Photo-°zellen 72, 72' geworfen wird, ist das kombinierte Ausgangssignal wesentlich kleiner als das kombinierte Ausgangssignal der Photozellen 74, 74', so daß am Lastwiderstand 110 ein Signal erscheint. Wenn jedoch der Abtastkopf derart wegläuft, daß das Bild der Vorlagenlinie 26 auf die eine oder andere der äußeren Photozellen 74, 74' fällt, nehmen die kombinierten Ausgangssignale dieser Photozellen ab, während das kombinierte Ausgangssignal der Photozellen 72, 72' größer wird, was zu einer 180o-Phasenverschiebung am Lastwiderstand 110 führt. Diese Phasenverschiebung oder der dabei auftretende Nulldurchgang können dazu. ausgenutzt werden, eine Alarmvorrichtung zu betätigen, die erkennen läßt, daß der Abtastkopf die Vorlagenlinie verlassen hat. Eine vollständige Anordnung zur Abtastung einer Vorlagenlinie unter Anwendung der oben beschriebenen Lehren ergibt sich aus dem Blockschaltbild der Fig. 3. Die gezeigte Anordnung ist in bekannter Weise als Koordinatenantrieb ausgelegt, wobei der Abtastkopf 20 mittels Leitspindeln 120 bzw. 122 entlang den X- und Y-Koordinaten des Koordinatensystems querverschoben wird. Die Zeitspindeln 120, 122 werden mittels X- und Y-Motoren 124 bzw. 126 angetrieben. Ein weiterer Motor 128 ist mit dem Abtastkopf 20 gekoppelt, um diesen um die Drehachse 22 zu drehen.
Der Abtastkopf 20 ist auf die Vorlagenkontur 26 gerichtet. Diese wird mittels der Lichtquelle 25 beleuchtet, die entsprechend der Frequenz der Bezugssignalquelle 60 moduliert wird. Der Abtastkopf gibt ein Ausgangssignal an die Signalkombinations-Schaltung 86 ab. Letztere liefert über einen Verstärker 130 ein Drehsignal an den Drehmotor 128, um den Abtastkopf entsprechend der Richtung der Vorlagenkontur zu drehen. Das Querabweichungssignal gelangt von der Signalkombinationsschaltung 86 über einen Verstärker 132 an die nicht veranschaulichte Querwicklung eines Drehmelders 134, dessen Ausgangssignal über Verstärker 136 und 138 den X- und Y-Motoren 124, 126 zugeleitet wird. Ein Geschwindigkeitssignal wird über eine Geschwindigkeitssignalschaltung 139 von der Bezugssignalquelle 60 an die nicht veranschaulichte Geschwindigkeitswicklung des Drehmelders 134 gegeben:, um den Abtastkopf in Vorwärtsrichtung anzutreiben. Die Geschwindigkeitssignalsehaltung kann die Vorlagenabweichungsschaltung 109 enthalten, um die Geschwindigkeitssignale an dem Drehmelder zu sperren, wenn der Abtastkopf die Vorlage verläßt. Der den Abtastkopf 20 drehende Drehmotor 128 dreht außerdem einen nicht veranschaulichten Rotor innerhalb des Drehmelders, um die richtige Beziehung zwischen den ankommenden Signalen von der Signalkombinationsschaltung 86 und der Geschwindigkeitssignalschaltung 139 in bekannter Weise herzustellen.
Auf diese Weise wird-ein Servokoordinatenantriebssystem geschaffen, bei dem die oben beschriebene neuartige Abtastung mit moduliertem Licht verwendet wird. Es versteht sich, daß das Prinzip auch zum Gebrauch bei abgewandelten Linienabtastungen ebenso wie bei Randabtastungen anwendbar ist, die im folgenden noch näher erläutert werden.
Hinsichtlich der abgewandelten Ausführungsform der Linienabtastung sei Bezug auf die Figuren 7 und 8 genommen. Die lichtempfindliche Vorrichtung 64a dieses Ausführungsbeispiels weist ein erstes Photozellenpaar 140, 140' und ein zweites Photozellenpaar 142, 142' auf, die im-wesentlichen in rechteckiger Gruppierung angeordnet sind. Die Trennlinie zwischen den Photozellen 140, 142 sowie den Photozellen 140' und 142' bestimmt dabei die Abtastmittellinie 45. Die empfindlichen Zonen 144, 144' der Photozellen 140, 140' liegen vor der Bilddrehachse 22, während die empfindlichen Zonen 146, 146' der Photozellen 142, 142' nebeneinander im Bereich der Bilddrehachse 22 angeördnet sind. Bei der in Fig. 8 veranschaulichten Signalkombinationsschaltung 86 dieses Ausführungsbeispiels sind die Photozellen 144 und 144' einander entgegengeschaltet, so daß das am Potentiometer 150 erscheinende Signal die Differenz zwischen d-en Ausgangssignalen dieser Photozellen darstellt. Die Photozellen 146, 146' sind ebenfalls einander entgegengeschaltet, um an dem Widerstand 152 und den Klemmen 154 ein Differenzsignal zu erhalten. Die Phase und Amplitude des Differenzsignals an den Klemmen 154 sind bezeichnend für die Richtung und den Betrag der Querabweichung der Abtastmittellinie 45 vom Bild der Vorlagenlinie, und zwar ebenso wie dies bei der einfachen Ausführungsform nach Fig. 1b der Fall war.
Die Signale am Potentiometer 150 und am Widerstand 152, die die Differenzsignale der betreffenden Photozellenpaare 144, 144' und 146, 146' darstellen, werden algebraisch addiert, und das resultierende Summensignal erscheint an den Klemmen 156 zwischen den Mittelabgriff der Induktivität 158 und der Masseleitung 160. Die an den Klemmen 156 und 154 auftretenden Signale können dem Drehmotor 128 und dem Drehmotor 134 der Anordnung nach Fig. 3 zugeführt werden, um den Abtastkopf 20 mit Bezug auf die Vorlagenlinie zu drehen und quer zu verschieben. Eine Phasenumkehr des Drehsignals an den Klemmen 156 liefert in bekannter, nicht veranschaulichter Weise die richtige Richtung. Falls erwünscht, können entsprechend den Fig. 4 und 6 Photozellen und eine entsprechende Schaltung hierfür vorgesehen werden, die erkennen lassen, wenn der Abtastkopf die Vorlage verläßt.
Die Abtastung mit moduliertem Licht kann auch angewendet werden, um einer Kontur zu folgen, die von einem Rand oder einer Kante 166 (Fig. 9) zwischen zwei kontrastierenden Farben einer Vorlage gebildet wird. Die lichtempfindliche Vorrichtung 168 des Randabtastgeräts weist ein erstes Photozellenpaar 170, 170' mit lichtempfindlichen Zonen 172 bzw. 172' auf, die parallel zueinander und quer zu dem Bild des Rands 166 angeordnet sind, wenn der Abtastkopf mit dem Konturrand ausgefluchtet ist. Die geometrischen Mittelpunkte der beiden empfindlichen Zonen 172, 172' bestimmen die Abtastmittellinie 45, die ebenso wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Längsachse des Abtastkopfes entspricht. Die empfindlichen Zonen 172 und 172' liegen im wesentlichen gleich weit vor bzw. hinter der Bilddrehachse 22. Benachbart den Seiten der empfindlichen Zonen 172, 172' des ersten Photozellenpaares befindet sich ein zweites Fhotozellenpaar 176, 176' mit empfindlichen Zonen 178, 1-78-': Die-geometrischen Flächen sämtlicher empfindlicher Zonen sind einander im .wesentlichen gleich, so daß die Photozellen im wesentlichen gleiche Signale abgeben, wenn sie gleichen Lichtintensitäten ausgesetzt werden.
Die Signale der Photozellen werden in der Signalkombinationsschaltung 86 nach Fig. 10 zusammengefaßt, um die Winkel- und Querabweichungssignale abzuleiten. Die Photozellen 170, 170' des ersten Photozellenpaares sind mit Bezug auf die Primärwicklung 180 des Transformators 182 so geschaltet, daß sich ihre Ausgangssignale algebraisch addieren und am Mittelabgriff 184 ein Summensignal erhalten wird. Die algebraische Differenz der Ausgangssignale der Zellen 170, 170' liegt an den Klemmen 186 der Sekundärwicklung 188 des Transformators 182. Die Phase und Amplitude des Signals an den Klem= -men 186 sind bezeichnend für die Richtung und Größe der Winkelabweichung der Abtastmittellinie 45 vom Bild des Randes 166. Das Summensignal der Ausgangssignale der Photozellen 170, 170' am Primärwicklungs-Mittelabgriff 184 wird mit der Summe der Ausgangssignale der Photozellen-176_, 176' an der Primärwicklung 190 des Transformators 192 verglichen. Die Differenz dieser beiden Summensignale erscheint an der Sekundärwicklung 19¢ und den Klemmen 196 und hat eine Phase sowie eine Amplitude, die bezeichnend für die Richtung bzw. den Betrag der Querabweichung der Abtastmittellinie ¢5 vom Bild des Vorlagenrandes 166 sind. Das Winkelabweichungssignal an den Klemmen 186 und@das Querabweichungssignal an den Klemmen 196 können dem Drehmotor 128 bzw. dem Drehmelder 13¢ der Anordnung nach Fig. 3 zugeführt werden, um den Abtastkopf 20 derart zu drehen und quer zu verschieben, daß er dem Vorlagenrand nachläuft.
Falls ein Randabtastsystem erwünscht ist, bei dem nur ein Drehantrieb erforderlich ist, beispielsweise bei einem Abtastrad oder einem einfachen Koordinatenantriebssystem, kann auf die Photozelle 170' verzichtet und die Schaltung nach Fig. 10 derart abgewandelt werden, daß die Photozelle 170 unmittelbar mit der Primärwicklung 190 des Transformators 192 verbunden wird, wie dies gestrichelt durch die Verbindung 193 angedeutet ist. Das Ausgangssignal an den Klemmen 196 wird dann benutzt, um in bekannter Weise einen Steuermotor anzutreiben.
Die Photozellen 198 und 198' werden benutzt, um anzuzeigen, wenn die lichtempfindliche Vorrichtung 168 den Vorlagenrand verläßt. Die Ausgangssignale der Photozellen 198, 198' werden an dem Potentiometer 199 der Vorlagenabweichungsschaltung 109 nach Fig. 11 algebraisch subtrahiert, und das resuliterende Differenzsignal erscheint an dem Lastwiderstand 200. Wenn der Abtastkopf mit dem Vorlagenrand nach Fig. 9 ausgerichtet ist, liefert die Photozelle 198 kein oder nur ein kleines Ausgangssignal, da es auf den dunklen Teil der Konturvorlage gerichtet ist, während die Photozelle 198 ein schwankendes Ausgangssignal entsprechend dem schwankenden Licht abgibt, das von dem hellen Teil der Vorlage reflektiert wird. Am Widerstand 200 tritt infolgedessen ein Ausgangssignal auf. Wenn sich die Vorlage. mit Bezug auf die lichtempfindliche Vorrichtung 168 derart verschiebt, daß die beiden Photozellen 198 und 198' auf den dunklen Teil gerichtet sind, geben beide Zellen kein Ausgangssignal ab und erscheint dementsprechend kein Ausgangssignal am Widerstand 200. Wenn andererseits beide Photozellen 198, 1981 nur auf den hellen Teil der Vorlage gerichtet sind, erzeugen beide ein Ausgangssignal, ist jedoch die algebraische Differenz dieser Signale wiederum gleich Null, so daß am Widerstand 200 kein Signal auftritt. Das Vorliegen eines Signals am Widerstand 200 läßt infolgedessen erkennen, daß die lichtempfindliche Vorrichtung 168 dem Vorlagenrand folgt, während ein Verschwinden des Signals dafür bezeichnend ist, daß der Abtastkopf den Vorlagenrand verlassen hat.

Claims

Patentansprüche 1. Vorrichtung zum Abtasten einer Vorlage mit_einem entlang der Vorlagenmarkierung zu führenden, drehbaren Abtastkopf, der mindestens eine mit einem Impulsstrom gespeiste Lichtquelle und ein lichtempfindliches Element, auf welches das von zwei beiderseits der Markierung der Vorlage gelegenen Bereichen reflektierte Licht projiziert wird, enthält, sowie mit einer Schaltung zur Erzeugung von Steuersignalen für die Drehung und den Vorschub des Abtastkopfes, dadurch gekennzeichnet, daß im Abtastkopf (20) außer dem einen lichtempfindlichen Element (31; 68, 68'; 142, 142'; 170, 170') noch mindestens ein zweites lichtempfindliches Element (31'; 70, 70'; 140, 140'; 176, 1769) derart angeordnet ist, daß die Ausgangssignale der beiden die Abtastbezugslinie (45) des Abtastkopfes (20) bestimmenden Elemente bei gleicher Beleuchtungsstärke gleich groß sind, und daß die Ausgänge der verschiedenen lichtempfindlichen Elemente mit der Schalung zur Ableitung der Steuersignale bei Abweichungen der auf die lichtempfindlichen Elemente projizierten abzutastenden Linie (26) von der Bezugslinie (45) verbunden sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste lichtempfindliche Element ein Paar lichtempfindlicher .` Zellen (68, 681; 140, 140') aufweist, die nebeneinander beiderseits der Bezugslinie (45) und gegenüber der Drehachse (22) des Abtastkopfes (20) nach vorn versetzt angeordnet sind, und daB die Schaltung eine Subtraktionsschaltung (92, 98, 149, 150) zur algebraischen Bildung eines ersten Differenzaignales aus den Ausgangssignalen des Zellenpaares enthält.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite lichtempfindliche Element ein zweites Paar lichtempfindlicher Zellen (70, 701) aufweist, die nebeneinander beiderseits der Bezugslinie (45) und gegenüber der Drehachse (22) des Abtastkopfes (20) nach hinten versetzt angeordnet sind, und daß die Schaltung eine zweite Subtraktionsschaltung (93, 102) zur algebraischen Bildung eines zweiten Differenzsignales aus den Ausgangssignalen des zweiten Zellenpaares, ` eine dritte Subtraktionsschaltung (106, 110) zur algebraisehen Bildung eines dritten Differenzsignales (Winkelabweichung) aus dem ersten und dem zweiten Differenzsignal, sowie eine Additionsschaltung (106, 108) zur algebraischen Bildung eines Summensignales (Querabweichung) aus dem ersten und dem zweiten Differenzsignal enthält (Pig. 4).
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite lichtempfindliche Element ein zweites Paar lichtempfindlicher Zellen (146, 146') aufweist, die nebeneinander beiderseits der Bezugslinie (45) angeordnet und mit der Drehachse (22) ausgerichtet sind, und daß die Schaltung eine zweite Subtraktionsschaltung (151, 152) zur algebraischen Bildung eines Differenzsignales (Querabweichung) aus den Ausgangssignalen des zweiten Zellenpaares und eine Additionsschaltung (156, 158) zur Bildung eines Summensignales (Winkelabweichung) aus dem ersten und dem zweiten Differenzsignal enthält (Fig. 6).
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß nebeneinander und beiderseits der Bezugslinie (45) ein drittes Paar lichtempfindlicher Zellen (72, 721) und beider- # .. seits-von diesen ein viertes Paar lichtempfindlicher Zellen .(74, 741) angeordnet sind und daß die Schaltung eine dritte Subtraktionsschaltung (109, 110) zur Bildung eines dritten Differenzsignales (Spurverlustsignal).aus den Summen der Ausgangssignale des dritten Zellenpaares bzw. des vierten Zellenpaares enthält (Fig. 4).
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindlichen ElAmente ein Paar lichtempfindliche Zellen (170, 170') aufweisen, die mit gegenseitigem Abstand parallel zueinander und rechtwinklig zur Bezugslinie (45) angeordnet sind, und daß die Schaltung eine Subtraktionsschaltung(182, 186, 188) zur algebraischen Bildung eines Differenzsignales (Winkelabweichung) aus den Ausgangssignalen der Zellen enthält (Fig. 9).
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindlichen Elemente ein weiteres Paar lichtempfindlicher Zellen (176, 176') aufweisen, die beiderseits des ersten Paares (170, 170#) angeordnet sind, und daß die Schaltung eine Additionsschaltung (180, 184) zur algebraischen Bildung eines ersten Summensignales aus den Ausgangssignalen des ersten Zellenpaares, eine weitere Additionsschaltung (189) zur algebraischen Bildung eines zweiten Summensignals aus den Ausgangssignalen des weiteren Zellenpaares und eine zweite Subtraktionsschaltung (192, 196) zur algebraischen Bildung eines zweiten Differenzsignales (Querabweichung) aus dem ersten und dem zweiten Summensignal enthält. B.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beiderseits der Bezugslinie (45) ein drittes Paar nebeneinander befindlicher lichtempfindlicher Zellen (198, 198') angeordnet ist, und daß die Schaltung eine dritte Subtraktionsschaltung (199, 200) zur algebraischen Bildung eines dritten Differenzsignales (Spurverlustsignal) aus den Ausgangssignalen des dritten Zellenpaares enthält.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindlichen Zellen Photozellen sind.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3, 4 und 7, gekennzeichnet durch eine Drehvorrichtung (128) für den Abtastkopf (20), der zur Ausrichtung der Bezugslinie (45) mit der Projektion der abzutastenden Linie (26) die Winkelabweichungssignale zugeführt werden, sowie durch eine Verschiebevorrichtung (124, 126, 134), der zum Verschieben des Abtastkopfes (20) quer und längs der abzutastenden Linie (26) die Querabweichungssignale zugeführt werden. `
11. Vorrichtung zum Abtasten einer Vorlage, bei der ein Abbild der abzutastenden Linie mit einer Bezugslinie verglichen wird " und mit einer Einrichtung zum Erkennen eines Verlierens der abzutastenden Linie (Spurverlusteinrichtung) vorgesehen ist, gekennzeichnet durch ein erstes lichtempfindliches Element mit sich über die Bezugslinie (45) erstreckenden lichtempfindlichen Flächen (72, 72#),durch ein zweites, beiderseits des ersten Elementes angeordnetes Paar lichtempfindlicher Elemente (74, 74') und durch eine Schaltung (109, 110)'zur algebraischen Zusammenfassung der Ausgangssignale des ersten Elementes mit den kombinierten Ausgangssignalen der zweiten Elemente zu einem Spurverlustsignal.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beleuchtung der abzutastenden Linie (26) eine Impulslichtquelle (24) vorgesehen ist, und daß die lichtempfind- , liehen Elemente Photozellen sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daB die Schaltung eine Additionsschaltung zur algebraischen Bildung eines Summensignales aus den Ausgangssignalen der zweiten lichtempfindlichen Elemente (7¢, 7¢9 und eine Subtraktionsschaltung (109) zur algebraischen Bildung eines Differenzsignales aus dem Summensignal und dem Ausgangssignal des ersten lichtempfindlichen Elementes (72, 72') enthält, derart, daß eine Polaritätsumkehr des Differenzsignales ein Verlieren der abzutastenden Linie (26) anzeigt.