DE1934667C3 - Vorrichtung zum Abtasten und Nachfahren von Kurven - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abtasten und Nachfahren von Kurven mit einem der Tangentenrichtung ψ der Kurven nachdrehbaren Tastkopf und einem mit dem Tastkopf verdrehbaren Winkelfunktionsgeber, der von einem die lineare Vorschubgeschwindigkeit repräsentierenden Wechselstromvorschubsignal der Amplitude U gespeist wird und dessen Ausgangssignale über durch Referenzsignale pha.sengesteuerte Demodulatoren Stellmotore zum Antrieb des Tastkopfes in zwei rechtwinkligen Koordinaten steuern, bei welcher durch ein der Querablage des Tastkopfes von der abzutastenden Kurve entsprechendes K.orrektursignal eine zusätzliche Bewegung des Tastkopfes zur Korrektur der Querablage eingesteuert wird.
Eine solche Anordnung ist beispielsweise bekannt

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uui L·!! uic UGUiaiiit; rvuaicgcacni ii ι ι ι wt jo*.. La aiiiu uwi ι drei Photodioden vorgesehen. Eine erste Photodiode sitzt auf der Drehachse des Tastkopfes. Eine zweite Photodiode sitzt dagegen etwas radial versetzt, wöbe durch die beiden Photodioden ein »Durchmessen bestimmt wird, der tangential zu der Kurve ausgerichte wird. Eine dritte Photodiode ist zur Hälfte abgedeck und dient als Bezugsgröße. Es entsteht darin ein erste; Signal als Differenz der Ausgangsspannung der erster und der dritten Photodiode und ein zweites Signal al; Differenz der Ausgangsspannungen der zweiten und dei dritten Photodiode. Ein unter dem Tastkopf liegendei Bereich, z. B. eines die Kurve oder Linie enthaltender Papiers.' wird in die Ebene der Photodioden abgebildet Im Sollzustand liegen die erste und die zweite Photodiode je zur Hälfte im Licht, so daß das erste unc das zweite Signal null wird. Der besagte Durchmesser also die Verbindungslinie der beiden Photodioden, liegi dann tangential zu der Kurve. Bei einer Verdrehung aus dieser tangentialen Lage heraus liefert die zweite Photodiode ein Signal, welches über einen erster Stellmotor eine Nachdrehung des Tastkopfes bewirkt Mit dem Tastkopf ist ein Sinus-Kosinus-Funktionsgeber verbunden. Diesem wird einmal ein Verschubsignal in Gestalt einer konstanten Wechselspannung von einer 50 Hertz-Stromquelle zugeführt und außerdem das erste Signal, das sich aus der Spannungsdifferenz der ersten und der dritten Photodiode ergibt. Der Sinus-Kosinus-Funktionsgeber liefert zwei Ausgangsspannungen, die zwei weiteren Stellmotoren zugeführt werden, von denen der eine (zweite) über eine Spindel eine Verstellung des Tastkopfes in der Α-Richtung und der andere (dritte) Stellmotor eine Verstellung des Tastkopfes in der dazu senkrechten y-Richtung bewirkt. Die Steuersignale für die Stellmotoren setzen sich aus zwei Komponenten zusammen: Das mit dem Kosinus bzw. dem Sinus des Azimutwinkels elektrisch multiplizierte Vorschubsignal bewirkt eine tangentiale Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit, deren Richtung sich mit der Verdrehung des Tastkopfes ändert. Die zweite Komponente jedes Stellmotor-Steuersignals entspricht dem Signal der ersten Photodiode, das der Seitenablage von der Sollbahn proportional ist, multipliziert jeweils mit dem Sinus bzw. dem negativen Kosinus des Azimutwinkels. Diese Komponenten der Stellmotor-Steuersignale bewirken eine Bewegung des Tastkopfes in der Richtung der Kurvennormalen.

Es ist ferner durch die deutsche Auslegeschrift 11 70 510 eine photoelektrische Vorrichtung zur automatischen Kurvennachführung bekannt, bei welcher ein drehbarer Tastkopf zwei photoelektrische Empfänger aufweist, welche zwei streifenförmige zueinander parallel und im. Abstand nebeneinander angeordnete lichtempfindliche Flächen über einen Schwingspiegel abtasten. Die Empfänger bewirken eine Art Phasenanschnitt. Das Signal des einen Empfängers bewirkt eine Verdrehung des Tastkopfes und Ausrichtung nach der Kurventangente, das des anderen bewirkt eine Korrektur der Seitenablage. Die beiden Signale beaufschlagen wieder über einen Koordinatenwandler zwei Stellmotoren für den Antrieb in zwei zueinander senkrechten Koordinatenrichtungen. Es ist bei dieser Anordnung bekannt, die Vorschubgeschwindigkeit bei starker Krümmung der Kurve zu vermindern, und zwar in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit des Koordinatenwandlers.

Übliche Sinus-Kosinus-Funktionsgeber sind nach Art eines Drehtransformators aufgebaut und arbeiten mit

(I ^LliaVIJUUlll. UJ C'l CUl IWUI UlllUiVlltt UtIUIUNg tJ\*~ kanntlich, jedes der beiden Eingangssignale mit dem Sinus und dem Kosinus des Drehwinkels elektrisch zu

I. lizieren _unc| dj_eSe Signale dann paarweise linear

i mbinieren. Zu diesem Zweck enthalten die

^Z" Kosinus-Funktionsgeber ein Paar von zueinander

^Sin"^S"_cnten feststehenden Spulen und ein Paar von

nander senkrechten drehbaren Spulen. Jede festste-

^Z d Spule induziert in jeder der drehbaren Spulen

■ Spannung nach Maßgabe des an der Spule

⁶Te nden signals und dem Winkel zwischen den

I d h. dem Sinus und dem Kosinus des

^DWenn die Steuerung der Stellmotore über den Cnus-Kosinus-Funktionsgeber nur proportional zu • bzw cos ψ erfolgt, dann bleibt die Abtastgeschwindigkeit dem Betrag nach wegen der Beziehung °.⁸ ₂ . _c0S2g, = l konstant. Wenn jedoch ein zusätzlich s Korrektursignal zur Korrektur der Querablage auf H-e Stellmotore aufgeschaltet ist, dann ändert sich bei Hen vorbekannten Einrichtungen damit auch der Absolutbetrag der Vorschubgeschwindigkeit. Das ist in j_[n Fällen unerwünscht, z.B. wenn von der Nachfahrvorrichtung Bearbeitungsvorgänge wie Fräen oder Brennschneiden gesteuert werden, weil dann Hurch die unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten der Bearbeitungswerkzeuge bzw. der zu bearbeitenden Werkstücke die Bearbeitung mit unterschiedlicher Qualität erfolgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abtast- und Nachfahrvorrichtung der eingangs erwärmen Art so auszubilden, daß der Betrag der Vorschubgeschwindigkeit unabhängig von der Querablage konstant

rJie erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung fuhrt das Korrektursignal zu einer Verdrehung des Geschwindigkeitsvektors um den Winkel ö, durch welche die Ouerablage korrigiert wird, ohne daß jedoch der Betrag der Geschwindigkeit sich ändert. Die Korrektur wirkt nämlich nicht für sich getrennt auf die Antriebe, sondern bewirkt eine andere Aufteilung der festgelegten Gesamtvorschubgeschwindigkeit auf die einzelnen Koordinaten. Durch die konstante Vorschubgeschwindiekeit ergeben sich die Vorteile der Erfindung. Hierdurch wird nämlich die Qualität der von den durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gesteuerten Bearbeitungsmaschinen bearbeitenden Oberflächen heraufgesetzt. Auch hat die Erfindung einen günstigen Einfluß auf die Abnutzung der Werkzeuge.

Die Erfindung kann auf verschiedene Weise verwirklicht werden. . ^5C

Die Anordnung kann so getroffen sein, daß der Winkel-Funktionsgeber einen Sinus-Kosinus-Fuiiktionsgeber zur Erzeugung amplitudenmodulierter Signale proportional zu Ush\ φ und t/cos φ sowie einen Wandler zur Umsetzung der amplitudenmodulierten Signale in phasenmodulierte Signale proportional zu l/sin (φ + wt) und U cos (ψ + wt) aufweist und daß diese Signale mit den Referenzsignalen zur Erzeugung der Stellmotor-Steuersignale demoduliert werden.

Eine andere Möglichkeit besteht dann, daß der t, Winkelfunktionsgeber ein Sinus-Kosinus-Funktionsgeber zur Erzeugung amplitudenmodulierter Signale proportional zu U sin ψ und i/cos<p ist. daß diese amplitudenmodulierten Signale durch je zwei phasenempfindliche Demodulatoren mit zwei um 90° zueinan- <■ der phasenverschobenen Referenzsignalen demoauiien werden und daß die Ausgangssignale der Demodulators paarweise überkreuz mit Vorzeichenumkehr eines der Signale zur Bildung der Stellmotor-Steuersignale additiv überlagert sind.

Die Erfindung ist nachstehend an einigen Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 dient der Veranschaulichung der geometrischen Verhältnisse,

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung und

Fig.3 ist ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Ein Sinus-Cosinus-Geber liefert bekanntlich an seinen beiden Ausgängen das mit dem Sinus bzw. Cosinus des Drehwinkels, den der drehbare Teil des Gebers gegenüber einer festen Bezugslage aufweist, multiplizierte Eingangssignal. 1st das Eingangssignal von der Form u = iisin wt, so heißen die Ausgangssignale

= U ■ sin ι/ · sin wt

= L' COSi; ' Sill U7

(D

wobei φ der Drehwinkel und w die Kreisfrequenz der Wechselspeisespannung ist. Diese Spannungen wirken über Demodulationsmittel auf die Antriebe eines rechtwinkligen Koordinatenantriebes.

Die Demodulation kann in der Weise erfolgen, daß die Spannungen u\ und u₂ über eine halbe Periode integriert werden (Einweggleichrichtung). Die Eingangsspannungen der Antriebe und damit die Geschwindigkeiten in beiden Richtungen des rechtwinkligen Koordinatensystems sind damit

V., - U ■ cos <

V. -U- sin 7.

(s. Fig. Il

Es ist zu sehen, daß die Vorwärtsgeschwindigkeit V_:

rennt aut die AntneDe, sondern der Abtasteinrichtung, die sich aus der geometrischen Aufteilung der festgelegten 40 Summe von V_w und V_u ergibt, unabhängig von φ und

proportional iiist:

V,~U

und bei konstanter Eingangsspannung also konstant ist. Die Vorwärtsgeschwindigkeit V₁ stellt die Geschwindigkeit in Richtung der Kurventangente dar. Die Vorwärtsgeschwindigkeit wird aus einem ersten Abtastsignal abgeleitet.

Die Abweichung der Abtasteinrichtung von der Kurve selbst wird durch ein zweites Abtastsignal erkannt. Die Steuerung der Antriebe wird beim Stand der Technik dadurch korrigiert, daß zusätzliche Spannungen die Geschwindigkeiten in beiden Richtungen beeinflussen. Zu V₁ addiert sich eine zweite , Komponente V_q, so daß die Gesamtvorschubgeschwindigkeit Vabhängig ist von der Größe der Querabweichung, d. h. von der Änderung der Bewegungsrichtung bzw. von der Größe der nachzufahrenden Kurvenradien.

j Dies ist an Hand der Fig. 1 erklärt, in welcher die Verhältnisse der Deutlichkeit halber übertrieben dargestellt sind.

Eine nachzufahrende Kurve wird mittels einer (nicht dargestellten) Abtasteinrichtung abgetastet. Diese Abs tasteinrichtung ist um einen Bezugspunkt 2 drehbar, um einen vorgegebenen »Durchmesser« der Abtasteinrichtung in die Tangentenrichtung zu drehen. Dieser Durchmesser ist in F i g. 1 durch die Richtung des

Vektors V, dargestellt. Die Abtastung der Lage der Kurve 1 erfolgt im wesentlichen senkrecht zu diesem Durchmesser einmal auf einer durch den Bezugspunkt 2 gehenden Linie und zum anderen auf einer Linie, die durch einen dem Bezugspunkt 2 längs des besagten Durchmessers vorlaufenden Bezugspunkt 3 verläuft. Die Abtasteinrichtung wird in Abhängigkeil von der durch den Bezugspunkt 3 erfolgenden Abtastung jeweils so nachgedreht, daß der Bezugspunkt 3 auf der Kurve 1 liegt. Der Antrieb der Abtasteinrichtung in x- und y-Richtung erfolgt dann, wie geschildert, mit Geschwindigkeiten proportional Ucos φ bzw. i/sin φ, wobei φ der Winkel zwischen dem besagten Durchmesser und der x-Richtung ist. Wenn der Bezugspunkt 2 ebenfalls auf der Kurve 1 liegt, erfolgt damit die Vorschubbewegung, dargestellt durch den Vektor V₁, im wesentlichen in Tangentenrichtung. Bei der in F i g. 1 dargestellten Situation ist jedoch der Bezugspunkt 2 auf dem gestrichelten Weg 4 von der Kurve 1 abgewichen. Die durch den Bezugspunkt 2 erfolgende Abtastung ergibt ein der Abweichung analoges Signal.

Diese Richtungsänderung wird durch V, korrigiert. V, ist um so größer, je kleiner die Kurvenradien sind. Wird Vq wie beim Stand der Technik zu V, geometrisch addiert, so ist die Gesamtvorschubgeschwindigkeit immer eine Funktion der Querbewegung bzw. der Kurvenradien bzw. der Änderung des Drehwinkels φ.

Die Erfindung geht einen anderen Weg.

Bei der Erfindung wirkt das durch die Querabweichung bedingte Abtastsignal auf die Demodulation der durch die Gleichungen (t) gegebenen Spannungsverläufe in der Art ein, daß die geometrische Summe von V_x und Vy immer konstant bleibt. Dies wird beispielsweise auf folgende Weise realisiert.

Zunächst werden die amplitudenmodulierten Spannungen gemäß Gleichung (1) nach bekannten Verfahren in phasenmodulierte Spannungsverläufe umgewandelt:

Ein Blockschaltbild einer so arbeitenden Vorrichtung ist in F i g. 2 gezeigt.

Der Sinus-Cosinus-Geber 6 wird aus der Wechselstromquelle 5 gespeist und in Abhängigkeit des Abtastergebnisses für die Tangentenrichtung gesteuert, was durch den Pfeil 12 angedeutet sein soll. An den Ausgängen des Gebers 6 stehen die amplitudenmodulierten Spannungen nach Gleichung (1). In der Schaltung 7 wird die Amplitudenmodulation in eine Phasenmodulation gewandelt, an den Ausgängen von 7 stehen die Spannungen nach Gleichung (2).

In dem Demodulator 8 werden die Spannungen über eine halbe Periode integriert. Die Integration ist phasenbezogen und wird von der Wechselspannung der Quelle 5 abgeleitet, so daß die Phasenbeziehung eindeutig festgelegt ist. Die Wechselspannung aus der Quelle 5 wird im Impulsformer 9 geformt und wirkt über eine Schaltung 10 auf den Demodulator 8. In der Schaltung 10 wird die Phase der geformten Wechselspannung gegenüber der Bezugsphase (Wechselspannung der Quelle 5) in Abhängigkeit der durch das zweite Abtastergebnis festgestellten Querabweichung verschoben. Dies ist durch den Pfeil 11 angedeutet. An den Ausgängen 12 und 13 liegen die Ausgangssignale gemäß Gleichung (3).

Die verwendeten Schaltungen sind von bekannter Art, so daß sie hier nicht mehr erklärt zu werden brauchen.

Der Erfindungsgedanke kann natürlich auch anders

yo als in F i g. 2 realisiert werden.

Neben dem geschilderten Weg zur Gewinnung der Steuersignale ist grundsätzlich auch folgender Weg möglich:
Wie aus F i g. 1 zu sehen ist, ist die Gesamtvorschubgeschwindigkeit in x- Richtung

V_x = V, ■ cos 7 — V_q ■ sin 7

U₀= -U- COs(q + Wt) ,

u_h = U ■ sin {ψ + wt).

(2) und in )>-Richtung

V_y - V₁ · sin 7 + V_q ■ cos 7

Durch Integration über eine halbe Periode von 0 bis Die Spannungen zur Gewinnung dieser Geschwindig

772, wenn mit Γ die Periodendauer der Schwingung keiten werden aus den Spannungen nach den Gleichun

bezeichnet ist, erhält man die Steuerspannungen für die 45 gen (1) auf folgende Weise gewonnen:

Antriebe und damit die Geschwindigkeiten: ,

V_x, ~ U · cos ν . V_y, ~ U · sin _ψ .

Diese Gleichungen gelten, wenn die Querabweichung gleich Null ist. Wird aufgrund der Querabweichung ein Abtastergebnis geliefert, so wird dadurch je nach Größe der Abweichung das Intcgrationsintervall um eine bestimmte Zeit Δί verschoben, d.h. die Integration erfolgt von At bis T/2+ Δι oder in Winkelmaßen ausgedrückt von δ bis π + δ. Der Winkel δ ist bestimmt durch die Querabweichung. Fs ergeben sich für

V_x - U cos (7 H- Λ), I',, - 17 sin (7 -I- Λ).

(3)

Es ist zu sehen, daß die Gesamtvorschubgcschwindigkeit unabhängig von der Querabweichung, dargestellt durch den Winkel δ, ist und bei konstanter Spannung U konstant ist.

rr + .i 2 ' ■■

U_x= I U- cos 7 · sin wt d wt — I U - sin 7■ · sin u'f d wt

.1.1 τ H Λ ν, I Λ

Uy= I U ■ sin7' · sin«7 dwi H- / U · cos7'sinwi di.

Der Winkel δ ist wiederum durch die Größe de Querabweichung bestimmt.

Wie die Rechnung zeigt, ist auch bei dieser Verfahren

V_x - U ■ cos (7 -ι- />).
I'',, - C ■ sin (7 H- Λ)

und damit die Gcsamtvorschubgeschwindigkcit b< konstantem fkonstant.
Die Realisierung dieses Verfahrens sieht so aus, da

zur Gewinnung von V_x die Spannung ^(Gleichung 1) über eine halbe Periode der Speisewechselspannung und die Spannung u\ (Gleichung 1) auch über eine halbe Periode der Speisewechselspannung integriert werden, wobei zwischen beiden Integrationsintervallen eine Phasenverschiebung von 90° liegt. Durch vorzeichenbchafteie Addition beider Ausgangsgrößen erhält man U_x. Für U₁ gilt entsprechendes.

Ein entsprechendes Blockschaltbild ist in F i g. 3 dargestellt, wobei entsprechende Teiie mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind wie in F i g. 2.

Es werden hier unmittelbar die amplitudenmodulierten Signale (isin<p und t/cos<p des Sinus-Kosinus-Funktionsgebers 6 benutzt, ohne Umsetzung in eine Phasenmodulation. Das Referenzsignal von der phasen-

schiebenden Schaltung 10 wird mittels einer Schaltung 14 in zwei zueinander um 90° verschobene Referenzsignale an den Ausgängen a und b umgesetzt. Das Signa! Ucos φ von dem Funktionsgeber 6 wird auf die phasengesteuerten Dernodulatoren 15 und 16 gegeben das Signal {7 sin φ auf die Demodulatoren 17 und 18. Die Demodulatoren 15 und 17 werden von dem Referenz signal am Ausgang a von Schaltung 14 gesteuert und die Demodulatoren 16 und 18 vom Referenzsignal arr Ausgang b. Die Signale an den Ausgängen dei Demodulatoren 15 und 17 werden addiert, die Signals von den Demodulatoren 16 und 18 werden subtrahier und liefern an den Ausgängen 12 und 13 die Spannunget U_x und Uy, die nach bekannten geometrischen Gesetzet ebenfalls zu V* und V₁ gemäß Gleichung(3) führen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

709 04fi/

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Abtasten und Nachfahren von Kurven mit einem der Tangentenrichiung ψ der s Kurven nachdrehbaren Tastkopf und einem mit dem Tastkopf verdrehbaren Winkelfunktioi jlt, der von einem die lineare Vorschubgesc:. .vindigkeit repräsentierenden Wechselstromvorschubsignal der Amplitude U gespeist wird und dessen Ausgangssignale über durch Referenzsignale phasengesteuerte Demodulatoren Stellmotore zum Antrieb des Tastkopfes in zwei rechtwinkligen Koordinaten steuern, bei welcher durch ein der Querablage des Tas'kopfes von der abzutastenden Kurve entsprechendes Korrektursignal eine zusätzliche Bewegung des Tastkopfes zur Korrektur der Querablage eingesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase ό des Referenzsignals nach Maßgabe des Korrektursignals relativ zu dem Vorschubsignal veränderlich ist und die phasengesteuerten Demodulatoren (8; 15—18) Teile einer Schaltung zur Bildung von Stellmotor-Steuersignalen proportional zu cos (φ + <5) und sin (φ + δ) bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelfunktionsgeber einen Sinus-Kosinus-Funktionsgeber zur Erzeugung amplitudenmodulierter Signale proportional zu £7 sin ψ und Ucos φ sowie einen Wandler (7) zur Umsetzung der amplitudenmodulierten Signale in phasenmodulierte Signale proportional zu Usin (φ + wt) und Ucos (φ + wt) aufweist und daß diese Signale mit den Referenzsignalen zur Erzeugung der Stellmotor-Steuersignale demoduliert werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- .vs zeichnet, daß der Winkelfunktionsgeber ein Sinus-Kosinus-Funktionsgeber (6) zur Erzeugung amplitudenmodulierter Signale proportional zu t/sin ψ und (7cos φ ist, daß diese amplitudenmodulierten Signale durch je zwei phasenempfindliche Demodulatoren (15, 16; 17, 18) mit zwei um 90° zueinander phasenverschobenen Referenzsignalen (a, b) demoduliert werden und daß die Ausgangssignale der Demodulatoren (15... 18) paarweise überkreuz mit Vorzeichenumkehr eines der Signale zur Bildung der ^ Stellmotor-Steuersignale additiv überlagert sind.