DE2008171A1

DE2008171A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abtasten einer Umrißlinie

Info

Publication number: DE2008171A1
Application number: DE19702008171
Authority: DE
Inventors: Kenneth Victor; Forbes Arthur Stuart; Bath Somerset Diprose (Großbritannien). P B02b
Original assignee: Hancock & Co. (Engineers) Ltd., Slough, Buckinghamshire (Grossbritannien)
Priority date: 1969-02-21
Filing date: 1970-02-21
Publication date: 1970-12-23
Also published as: FR2033366B3; US3614448A; DE2008171C3; DE2008171B2; FR2033366A7; JPS4814994B1; GB1213785A

Description

DR. HUGO WILCKEN · DIPL.-ING. THOMAS WILCKEN

D - 24 LÜBECK. BREITE STRASSE 52-54

20. Feb. 1970

Anmelder: Hancock & Co. (Engineers) Limited, Slough, Buckinghamshire,England

Verfahren und Vorrichtung zum Abtasten . einer Umrißlinie

Die Erfindung betrifft im allgemeinen Umrißlinien-Nachlaufsysteme und insbesondere ein verbessertes Abtastsystem für einen Umrißlinien-Nachlaufkopf.

Automatische fotoelektrische Umrißlinien-Nachlaufsysteme werden für viele industrielle Zwecke verwendet, und in einer üblichen Anordnung wird die Umrißlinie von einer Unterlage getragen,* z.B. von einem Blatt Zeichnungspapier, und automatisch von einem Nachlaufkopf nachgefahren, der den Betrieb eines Maschinensatzes steuert, um eine besondere Arbeitsoperation auszuführen, welche gewöhnlich im Erzeugen einer Form besteht, die der Umrißlinie eines Werkstückes entspricht. .

Ein Beispiel besteht in dem automatischen Schneiden von Stahlplatten in gewünschte Formen durch eine Sauerstoffstraiifcchneid- [ maschine, und die Erfindung wird in Bezug hierauf besehrieben. \ In solchen Maschinen ist für die Stahlplatte ein Support vorge- ι sehen, wobei die Platte das Werkstück bildet, und ein Sauerstoff- | schneidbrenner ist so montiert, daß er sich in einer waagerech- \ ten Ebene über dem Werkstück in allen Richtungen bewegen kann. j Die die Umrißlinie tragende Unterlage liegt auf einem der Schneid-j maschine zugeordneten Tisch, und der Nachlaufkopf wird in Gang ge-' setzt, um der Umrißlinie nachzufahren. Dabei bewegt er den Sau- ^ erstoffschneidbrenner in einer genau ähnlichen Wegstrecke und "> brennt aua der Stahlplatte das Werkstück aus, dap die gleiche

er? Form aufweist wie der Verlauf der UmriBXinie.

^ Um dem Nachlauf kopf zu ermöglichen, einer UraK-Iilinie au folgen,

ist ein Abtastsystem vorgesehen, und verschiedene Abtastverfahren wurden hierzu konstruiert. Nach einem bekannten Verfahren kreuzt ein kleiner Lichtfleck dauernd die Umrißlinie, die aus einer dunklen Farbe auf einem weißen Untergrund besteht, und der Betrag des Lichtes, der von jeder Seite der Umrißlinie reflektiert wird, wird auf ein fotoelektrisches Element oder mehrere solcher Elemente gerichtet. Wenn die Richtung, in der sich der Nachlaufkopf augenblicklich bewegt, genau mit der Richtung des Teiles der abzutastenden Umrißlinie entspricht, ist der Betrag des Lichtes, der vom fotoelektrischen System auf beiden Seiten der Umrißlinie "gesehen" wird, identisch und der Nachlaufkopf fährt entlang dem eingestellten Weg weiter. Wenn die Umrißlinie jedoch abweicht, unterscheidet sich auch der Betrag des Lichtes, der auf beiden Seiten der Umrißlinie "gesehen" wird, voneinander, und diese Änderung wird durch ein fotoelektrisches System erfaßt, das ein Steuerungssignal erzeugt, um den Nachlaufkopf zu veranlassen, seine Wegrichtung zu ändern, um der Abweichung der Umrißlinie zu folgen.

Verschiedene Verfahren zum Antrieb des Nachlaufkopfes und des Schneidbrenners sind kontruiert worden. Nach einem Verfahren 1st die Umrißlinie stationär, und ein kleiner Motor in dem Nachlaufkopf treibt ein gezahntes Rad an, welches in eine Oberfläche der Unterlage beißt, um den Nachlaufkopf zu bewegen, und das Steuerungssignal bewirkt die Steuerung dieses Rades. In anderen Systemen ist der Nachlaufkopf stationär angeordnet und ein die Unterlage tragender Tisch und der Sauerstoffschneidbrenner werden zusammen angetrieben.

In vielen Fällen wird ein Koordinatenantrieb verwendet. Dieser benutzt zwei Motore, die so angeordnet sind, um den Nachlaufkopf und den Schneidbrenner in Richtungen anzutreiben, die zueinander im rechten Winkel liegen, und das Steuerungssignal wird in einer Weise "hergestellt", um zwei getrennte Signale zur Verwendung bei den entsprechenden Motoren vorzusehen, so daß sie bei verschiedenen Geschwindigkeiten und/oder in verschiedenen Richtungen laufen, ι um den Nachlaufkopf, der den Schneidbrenner mit sich trägt, zu ver-

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anlassen, in der gewünschten Richtung der Umrißlinie zu folgen.

In einem anderen Abtastverfahren, welches grundsätzlich eine Umkehrung des oben beschriebenen Verfahrens ist, wird ein kleiner Bereich der Umrißlinie unterhalb des Nachlaufkopfes angestrahlt, und ein optisches System veranlaßt einen winzigen Fleck des beleuchteten Feldes, auf ein fotoelektrisches System fokussiert zu werden. Dieses winzige "Sichtfeld" kreuzt andauernd die Umrißlinie, so daß das fotoelektrische System abwechselnd auf beide Seiten der Umrißlinie "sieht" und dadurch Jede Abweichung der Linie erfaßt.

Ein drittes bekanntes Abtastsystem besteht darin, daß ein kleiner Lichtfleck auf einem kreisförmigen Weg rotiert, der einen Teil der abzutastenden Umrißlinie kreuzt, wobei Signale von den Kreuzungspunkten des Lichtflecks Über der Umrißlinie abgeleitet werden, die zum Steuern des Nachlaufkopfes benutt werden. Verständlicherweise kann eine Umkehrung dieser Anordnung dadurch konstruiert werden, daß ein kleines Sichtfeld veranlaßt wird, einen kreisförmigen Weg über einem beleuchteten Bereich einer Unterlage abzutasten.

Das erste beschriebene Verfahren besitzt den Vorteil, daß das Abtastmuster von einer Bedienungsperson der Maschine als eine breite bzw. deutliche Linie klar gesehen werden kann, die einen Teil der Umrißlinie kreuzt, und dies erleichtert beträchtlich das anfängliche Einstellen und Ingangsetzen der Maschine. Es besitzt jedoch den Nachteil, daß Änderungen in der Umgebungsbeleuchtung das System beeinflussen. Andererseits ist das zweite Verfahren

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durch die Umgebungsbeleuchtung weit weniger beeinflußt, aber der angestrahlte Bereich über einem Teil der ümrißlinie gibt der Bedienungsperson beim anfänglichen Einstellen der Maschine wenig Unterstützung und muß gewöhnlich zu Einstellzwecken durch einige Arten künstlicher Anhaltspunkte ergänzt werden.

Die Hauptaufgabe der Erfindung besteht in dem Vorsehen eines Abtastsystems, in dem sowohl ein Lichtfleck als auch ein kleines Sichtfeld quer über die Umrißlinie bewegt werden, so daß die Vorteile der beiden vorstehend beschriebenen Verfahren erhalten werden und insbesondere die Nachteile der beiden Verfahren auf ein Minimum herabgesetzt oder ausgeschaltet sind.

In einer Hinsicht besteht die Erfindung aus einem Verfahren zum Abtasten einer Umrißlinie und kennzeichnet sich dadurch, daß der Lichtstrahl durch eine halbreflektierende Fläche geschickt wird, daß ein Prisma in Umdrehung versetzt wird, das eine ungerade Anzahl reflektierender Flächen aufweist, daß der Strahl von der halbreflektierenden Fläche durch das Prisma geschickt wird, daß der aus dem Prisma austretende Strahl auf einen Punkt bzw. Fleck einer Unterlage fokussiert wird, um die Umrißlinie hin- und hergehend zu kreuzen, daß der Lichtstrahl auf demselben Weg zur halb· reflektierenden Fläche zurückgeworfen wird und daß das von der halbreflektierenden Fläche nunmehr zurückgeworfene Licht erfaßt wird, um ein Umrißlinien-Kreuzungssignal zu erzeugen.

In einer anderen Hinsicht besteht die Erfindung aus einer Vor- ,

richtung zum Abtasten der Umrißlinie von einer Unterlage und

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kennzeichnet sich durch eine halbreflektierende Fläche, durch die der Strahl hindurchtritt, eine Luftturbine, ein Prisma mit einer ungeraden Anzahl reflektierender Flächen, das im Turbinenrotor befestigt ist, wobei der Strahl vom halbreflektierenden Element das Prisma passiert, eine Linse, um den Lichtstrahl auf einen Punkt bzw. Fleck einer Unterlage zu fokussieren, wobei das Licht von der Unterlage entlang dem genannten Strahlenweg zurückgeworfen wird, und gekennzeichnet durch ein fotosensitives Element zur Erfassung des zurückgeworfenen von der halbreflektierenden Fläche reflektierten Lichtes.

Vorzugsweise sind Geschwindigkeits-Steuereinrichtungen vorgesehen, um die Geschwindigkeit bzw. Drehzahl der Turbine im wesentlichen konstant zu halten. Die Drehzahlsteuerungseinrichtung kann eine elektrodynamische Bremse umfassen, um am Turbinenrotor eine variable Bremsbelastung anwenden zu können.

Um die volle Einschätzung der Erfindung zu fördern, wird nachstehend ein Ausführungsbeispiel mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm, das dien Weg eines Lichtflecks durch ein rotierendes Glied zeigt, welches einen Abtastkreis er-> zeugt,

Fig. 2 ein dem der Fig. 1 ähnliches Diagramm, jedoch im rechten Winkel zu Fig. 1 gesehen,

Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch eine praktische Aus- _; führungsform eines Umrißlinien-Nachlaüfkopfes nach j der Erfindung, ^!

Fig. h eine Reihe von Diagrammen, die Signale zeigen, die j während des Betriebes erzeugt sind, ;

Fig. 5 einen Schaltkreis eines Hllfsmechariismusses. !

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• · • ·

Gemäß Fig. 1 ist eine Lochplatte 11 mit einer öffnung in Form eines Okularloches bei 12 versehen, durch das Licht von einer Quelle (nicht gezeigt) in Form eines Strahles 13 austritt. Der Strahl 13 trifft auf eine obere Fläche 14 eines F.echan-Schmidt-Edamas auf. Das Prisma besitzt bei 15 eine Verbindung mit einem Luftspalt und die beiden schrägen Seitenflächen_;entsprechend 16 und 17, sind versilbert, um reflektierende" Flächen zu bilden. Der Strahl 13, nach dem er in das Prisma eingetreten ist, folgt einem Weg 18, bis er die Verbindung 15 erreicht, wo er bei 19 reflektiert wird und auf die versilberte Fläche 16 auftrifft, er wird dann entsprechend 20 zur Verbindung zurückreflektiert. Die Achse des Strahles steht normal auf der Oberfläche der Verbindung, und der größte Teil des Strahles passiert die Verbindung, wie bei 21 angezeigt, und trifft auf die untere Fläche 22 des Prismas auf, wo er in Form eines Strahles 23 reflektiert wird, der wiederum auf die versilberte Fläche 17 auftritt und wieder als Strahl 2k reflektiert wird. Der Strahl 24 trifft unter einem Winkel auf die Verbindung 15 auf und wird als Strahl 25 reflektiert, der, auf die untere Fläche 22 in einem Winkel annähernd einem rechten Winkel auftreffend, zur Hauptsache die untere Fläche bei 26 passiert. Der Strahl 26 passiert eine öffnung 27 zu einer Linse 28 und 1st auf einen Punkt auf einer Unterlage 29 fokussiert, die die Umrißlinie trägt, die bei 29a angezeigt ist.

Das Okularloch 12 ist aus der optischen Achse 30 versetzt, und es sei erwähnt, daß der Strahl fünfmal reflektiert wird, d.h. in ungerader Anzahl. Wenn daher das Prisma um die optische Achse 30 rotiert, zu der es symetrisch angeordnet ist, folgt der Punkt 29

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t » if

• I · t

einem kreisförmigen Weg mit der optischen Achse 30 als sein Zentrum, und der Punkt 29 führt dabei zwei Umdrehungen bei je einer Umdrehung des Prismas aus.

Da die obere und untere Fläche 14 bzw. 22 normal zu der optischen Achse stehen, bleibt die Länge des Weges durch das Prisma konstant, wenn das Prisma rotiert,und folglich kenn das Prisma mit nicht^parallelem Licht beschickt werden, ohne daß Astigmatismus eingeführt wird. Außerdem besteht der Vorteil, daß, wenn das Prisma korrekt montiert ist, dieses dynamisch in Bezug auf die optische Achse (die auch die Rotationsachse ist) ausbalanciert ist, und es kann daher mit hoher Drehzahl in Umdrehung versetzt werden, ohne daß unerwünschte Wirkungen hinsichtlich einer Unwucht eingeführt sind.

In konventionellen Umrißlinien-Nachlaufköpfen ist es üblich, den Abtastfleck (sei es ein Lichtfleck oder ein Lichtfeld) bei einer Hauptfrequenz, d.h. bei 50 oder 60 Zyklen pro "Sekunde,, vibrieren zu lassen oder anzutreiben, und die Zeitdauer eines halben Zyklus , ist natürlich erforderlich, um jede Änderung in der Richtung der Umrißlinie zu erfassen und das Verfahren zu starten, welches ein

* Steuerungssignal erzeugt. Mit einem ausbalanciertem Rotationsglied, z.B. einem Pechan-Schmldt-Prisma, wenn es wie oben beschrie· , ben benutzt wird, ist es möglich, bei einer höheren Drehzahl zu

i '

arbeiten und einen Nachlaufkopf vorzusehen, in dem die Abtast- ;

anordnung z.B. bei 6000 Umdrehungen pro Minute angetrieben wird. Diese Drehzahl kann in einer sehr einfachen Weise durch Verwen- _: dung eines Luftturbinenantriebs und durch die Verwendung von_ « _i

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luftgeschnlerten Lagerungen erreicht werden. Dies ergibt ein Abtastmaß von 200 Zyklen pro Sekunde, wobei in Rechnung gestellt ist, daß der Abtastfleck zwei Umdrehungen bei je einer Umdrehung des Prismas macht.

Bei Benutzung eines Nachlaufkopfes ist es nötig, dasjenige Material zu berücksichtigen, das das Schneidwerkzeug, sei es ein Sauer stoff schneidbrenner oder ein Fräswerkzeug, unvermeidlich beim Herausarbeiten der auszuarbeitenden Fläche bzw. des Werkstückes wegnimmt. Wenn die Achse der Sauerstoffschneidflamme oder des Fräswerkzeuges einen Weg beschriebe, der genau der Umrißlinie entspräche, würde das resultierende Werkstück schmaler sein als die durch die Umrißlinie dargestellte Form, und zwar um die halbe Weite des Schnittes, der durch das Schneidwerkzeug entsteht. Es let üblich, dies durch Versetzen der Achse des Nachlaufkopfes in Bezug auf die Umrißlinie auszugleichen. Das Versetzen wird oft als Brennschnittspaltzugabe !gezeichnet.

Eine praktische AusfUhrungsform der Erfindung ist in Flg. 3 gezeigt, die einen senkrechten Schnitt durch einen Umrißllnien-Nachlaufkopf darstellt. Er enthält ein oberes Körperelement 31, das auf einem unteren Körperelement 32 befestigt ist, und einen Deckel 33» der auf dem Oberende des oberen Körperelementes befestigt ist. iinerhalb des Körpers ist ein Lampengehäuse 34 angeordnet, das eine Lampe 35 enthält, die mit einer Stromquelle über ein Kabel 36 zusammengeschaltet 1st. Der untere Teil der Lampe 35 ist in einem Gehäuse 37 enthalten, und der untere Teil des Gehäuses 37 enthält eine sphärische Linse 38, durch die ein Lichtstrahl von einem Fa-

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den oder seinem Äquivalent In der Lampe 35 projiziert wird. Das Licht passiert eine öffnung in einer Lochplatte 39 und tritt in ein Element 40 ein, das verschiedene Formen aufweisen kann. Es kann aus einem halbversilberten Spiegel bestehen, der die Hälfte des Lichtes des Strahles durchläßt und die andere Hälfte nach rechts auf die Zeichnung reflektiert, oder es kann aus einem Spiegel bestehen, der ein zentrales kreisförmiges Loch in der Versilberung aufweist, durch das der Strahl passieren kann, wobei das Licht reflektiert wird, wenn der Strahl von der entgegengesetzten Richtung den Spiegel passiert, aber es besteht vorzugsweise aus einem Swann-Block, der aus zwei Prismen besteht, die an einer Fläche 41 zusammengekittet sind, wobei dieser Block ebenfalls die eine Hälfte des Lichtes durchläßt und die andere Hälfte nach links auf die Zeichnung reflektiert. Der Lichtstrahl passiert dann ein in Umdrehung versetzbares Glied 43, das in der Tat aus einem Turbinenrotor besteht. Der Rotor 43 weist die Form einer Hülse mit einem einwärts gerichteten Flansch auf, wobei die HUlse ein Pechan-Schmidt-Prlsma abstützt und einen auswärts gerichteten Flansch 44 mit einem äußeren Ring 45 aufweist, wobei der Ring an dem

Flansch befestigt 1st und Getriebezähne 46 aufweist, die in seinen Umfang eingearbeitet sind. Die Getriebezähne stellen eine einfache Methode zum Vorsehen von Schaufeln an einem Elementartyp einer Luftturbine dar. Die Turbine ist sehr klein, und wegen der später beschriebenen Merkmale 1st nur ein sehr kleiner Betrag an Kraft erforderlich, um die Turbine anzutreiben, so daß eine verhältnismäßig leistungsschwache Konstruktion der Turbine ausreicht. Die Luft zum Antreiben der Turbine wird durch ein oder mehrere Löcher geliefert, eines davon 1st gestrichelt mit 47 angedeutet.

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EIn Schieberventil 105 1st vorgesehen, um das Steuern der Turbine und die Umkehrung der Drehrichtung zu ermöglichen. Die Fähigkeit zur Umkehrung der Rotationsrichtung der Turbine macht es möglich, der Umrißlinie in jeder Richtung zu folgen oder über einen Teil der Umrißlinie zurückzufahren, wenn dieser Teil schon einmal nachgefahren worden war, oder aus irgend einem anderen gewünschten Grund, z.B. wenn der Schnitt zufällig "verloren" gegangen war. Wo, wie es normalerweise der Fall sein wird, eine Brennschnittzu-W gäbe eingehalten wird, 1st es notwendig, daß der Nachlaufkopf eine Zugabe aus dem Grunde machen sollte, wenn, wie im Falle des Nachfahrens In umgekehrter Richtung, die Brennschnittzugabe auf der gegenüberliegenden Seite der Umrißlinie gemacht werden muß.

Der Flanschteil 44 1st mit einer unteren Fläche 48 versehen, dt auf einer stationären Fläche 49 eines ringförmigen Gliedes 50 ruht. Luft, die durch die Turbinendüse 47 geliefert wird, wird unter Druck ebenfalls zu einem Kanal 51 geliefert, der mit einem Rezess 52 kommuniziert. Eine flache Nut 53 ist maschinell in die Fläche des Ringes 5o eingearbeitet und der durch den Kanal 51 zugeführte Luftdruck stützt das Gewicht des Rotors 43 ab und sieht

, eine fast reibungslose Rotation vor. Luft wird ebenfalls von dem i

; Rezess 52 entlang einem Teil 54 mit reduziertem Durchmesser geliefert und von diesem Teil 54 wird Luft durch einen schmalen ' Durchgang 55 zu einem Zapfenlager eingelassen, In dem der äußere ^: Durchmesser des Rotors 43 gelagert 1st. Um die Reibung soweit

j wie möglich zu reduzieren und zu sichern, daß, wenn die Luftzufuhr abgeschnitten ist, während die Turbine bei voller Drehzahl läuft, keine Beschädigung der Lager eintritt, kann das Glied 50 zweck-

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mäßigerwelse mit Polytetrafluoräthylen überzogen sein, und die Oberfläche 48 des Flansches 44 oder das gesamte Glied 4.3 kann anodisiert sein, wobei das Glied selbst aus Aluminium besteht. Die Luft, die von den Druck- und Zapfenlagern abströmt, gelangt entweder durch eire^Spiegel 56 in das Gehäuse oder sammelt sich in einem Rezeee 57 in der Kammer 50 und gelangt dann durch die Kanäle 58 in den inneren Teil des Gehäuses. In jedem Fall kann die Luft durch ein Abströraloch 59 in die Atmosphäre abströmen.

Das in Umdrehung versetzbare Glied 43 enthält das Ptchan-Schmidt-Prisma 60. Der Lichtstrahl wird an der Verbindung 6l im Prisma reflektiert, wird weiter an den schrägen versilberten Flächen 62 reflektiert, wird weiter an einer unteren Fläche 63 des Prismas reflektiert und ebenfalls an der zweiten schrägen versilberten Fläche 64 des Prismas, wird dann schließlich durch Reflektion an der Verbindung nach unten gerichtet und tritt- mis Strahl 65 aus, der eine Linse 66 passiert, durch welche er scharf auf einen Punkt 67 auf der Oberfläche 68 der die Umrißlinie enthaltenden Unterlage fokussiert wird.

Der Nachlaufköpf braucht nicht rechtwinklig zur Oberfläche der normalerweise horizontalen Unterlage gesetzt sein, aber aus Vereinfachungsgründen in Bezug auf Zeichnung und Beschreibung ist der Kopf in senkrechter Lage dargestellt, während die Unterlage 68 in einem Winkel von ungefähr 10 ° geneigt gezeigt ist.

Um den Versatz oder die Brennschnittzugabe des Nachlaufkopfes einstellen zu können, sind das Laapenhaus 34 und das untere Gehäuse 37 durch JSehrftiibejB _6S ftn;^ijier_Platte JO befestigt, die ge--

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gen einen inneren vorspringenden Ring 71 im oberen Gehäuseglied mittels Bolzen 72 und 73 montiert ist. Der Bolzen 72 weist einen verdickten Teil Ik auf, dessen Schultern gegen den Ringteil 71 im Gehäuse liegen,urid die verschiebbare Platte 70 ist durch ein federndes Glied 75 in Kontakt gehalten. Eine Bohrung 76 mit Spiel für den Schaft des Bolzens 73 ist vorgesehen und der Bolzenkopf ist mit einem Puffer 77 versehen, auf dem die Platte 70 schwingen kann. Um die Einstellung der Höhe des Puffers 77 vorsehen zu kön·» nen, ist das Loch in dem Ringteil 71 mit einem Gewinde versehen, und die Mutter 78 bildet die Kontermutter. Das Schwingen der Platte 70 wird durch einen Stift 79 gesteuert, der an der Platte 70 befestigt ist. Dieser Stift' wird durch eine Daumenscheibe 80a am Ende einer Welle 80 betätigt, die sieh durch eine Lagerbuchse 81 in der Wandung des oberen Gehäuses 31 erstreckt und an ihrem äußeren Ende eine befestigte,geeichte Skala 82 aufweist, die zusammenhängend mit einem Einstellknopf zum Verdrehen der Welle 80 und der Skala 82 ausgebildet ist.

Der beschriebene Nachlaufkopf ist zum Erzeugen zweier Signale zur Anwendung an zwei Motoren eingerichtet, die entsprechend den Nachlaufkopf und das Schneidwerkzeug in Richtungen antreiben, die parallel zu zwei zueinander rechtwinklig liegenden Koordinaten liegen, um der Umrißlinie zu folgen. Dies an sich ist eine wohlbekannte Antriebsform, und das Verfahren zum Erzeugen der beiden Signale ist in unserem britischen Patent 1 096 798 offenbart, auf dessen Beschreibung Bezug genommen ist, um alle Einzelheiten zu erhalten. Demgemäß braucht die hier gegebene Beschreibung nur ausreichend zu sein, usi das volle Verständnis der vorliegenden

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Anmeldung zu ermöglichen.

Eingeschlossen in dem dem Nachlaufkopf zugeordneten Schaltkreis ist eine Einrichtung zum Erzeugen einer Rechteckwelle, wobei die Einrichtung die Form eines monostabilen Multivibrators aufweist. Dieser ist so aufgebaut, daß, einmal getriggert, der Multivibrator in seiner "Betriebs"-Stellung für eine Zeitperiode bleibt, die der Zeit einer halben Umdrehung des Rotors ¹B gleich ist. Er wird durch die Einrichtung einer Fotozelle getriggert, die bei jeder Umdrehung von der Lampe 35 einen Lichtblitz empfängt, so daß die Rechteckwelle in Phase zur Rotation des Rotors 43 festgelegt ist. Der Multivibrator verbleibt in seiner "Betriebs"-Stellung für eine halbe Umdrehung und schaltet dann für den Rest der Umdrehung in seine "Außerbetriebs"-Stellung um. Zwei weitere Signale werden durch die Potoelektrische Einrichtung erzeugt, in der eine Anzahl fotosensitiver Elemente verwendet sind, von denen , eines mit dem Bezugszeichen 97 angedeutet ist. Jedes dieser Fotoelemente ist mit einem Widerstand in Reihe geschaltet, z. B. mit \

dem Widerstand 98. Der Rotor 43 enthält einen Schlitz 99 mit einet solchen umfangsmäßigen Länge, daß wenigstens die Hälfte der Foto-!

j elemente 97 zu jeder Zeit beleuchtet sind. Die Fotoelemente arbeif

ten lediglich als Schalter, die "eingeschaltet" sind, wenn sie beleuchtet sind, und die "ausgeschaltet" sind, wenn sie durch den Rotor 43 verdunkelt sind. Bei einer konventionellen Abtastanord- j \ nung sind die Fotoelemente mit gleichem Abstand voneinander in j

'· einem Ring um die Lampe 35 herum angeordnet, aber wenn das Pechanj-

Schmidt-Prisma benutzt wird, ratSiert der Abtastfleck mit der doppelten Rotordrehzahl und es wird eine abweichsEde Anordnung der

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Fotoelemente vorgenommen. Die Widerstände 98 sind hinsichtlich ihres Wertes so gewählt, daß, wenn eine konstante Gleichspannung angewendet wird, ihre Konduktanzen die erforderlichen Verhältnisse aufweisen, um eine Spannung zu erzeugen, die sich einer Sinuswelle annähert, wenn die Blende rotiert. Das ist das Kriterium, das beherrscht werden muß, wie auch immer die Potoelemente angeordnet sind. Die Fotoelemente sind in Gruppen geschaltet, um vier Quadranten zu bilden, so daß sie mit der genannten angewendeten konstanten Gleichspannung zwei angenähert sinusförmige Wellen erzeugen werden, die in Bezug zueinander um 90° Rotordrehung phasenverschoben sind.

Die Fotoelemente und ihre Widerstände sind jedoch nicht mit einer konstanten Gleichstromquelle zusammengeschaltet, sondern die Rechteckwellenform vom Multivibrator wird an die Elemente und ihre Widerstände angelegt, so daß der Wechsel des Multivibrators von seiner "Betriebs"- in seine "Aufterbetriebs"-Stellung und umgekehrt die Wirkung hat, daß eine Hälfte jeder Welle umgekehrt wird. Daher besteht das Ausgangssignal aus zwei sich wiederholenden Wellenformen, wobei jede eine Grundfrqpenz aufweist, die der doppelten Drehzahl der Rotation des Rotors 43 entspricht. Die kombinierte Wirkung ist die, daß sich jede Wellenform so ändert, daß ihr mittlerer Gleichstromwert ein Maximum ist, wenn die Richtung des Teiles der Umrißlinie, der gerade nachgefahren wird, parallel zu der zugehörigen Koordinate liegt, und dass der Wert auf Null abfällt, wenn die Richtung des Teiles der Umrißlinie, der gerade nachgefahren wird, rechtwinklig zu der zugehörigen Koordinate liegt« Ein Differenzialverstärker ist für Je-

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de Wellenform vorgesehen, und der Verstärker besorgt die Kraft zum Antreiben des entsprechenden KoordinatenmoJbors.

Im Betrieb passiert das Licht von der Lampe 35 die sphärische Linse 38 und die öffnung in der Platte 39 zum Okularloch 42 und durch das Okularloch zum rotierenden Prisma. Wie früher beschrieben, veranlaßt die Rotation des Prismas den daraus austretenden Strahl 65, einem kreisförmigen Weg zu folgen, so daß der Lichtpunkt 67, der auf die Unterlage 68 auftrifft, sich ebenfalls auf einem kreisförmigen Weg bewegt, der die Umrlßllnle zweimal während jeder Umdrehung kreuzt. Das von der Unterlage reflektierte Licht wandert durch die Linse 66 und das Prisma zurück, wobei es genau demselben Weg folgt wie der Lichtstrahl, bis es die halbreflektierende Fläche ti erreicht, an der die Hälfte des vnn der Unterlage zurückkehrenden Lichtes durch eine öffnung in einer Öffnungsplatte 100 zu einem fotosensitiven Element 101 reflektiert wird. Es 1st das Kreuzungssignal, das durch das Fotoelement 101 entwickelt ist, welches (nach Verstärkung,wenn nötig) benutzt wird, den Multivibrator zu triggern.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich offenkundig, daß die durch den Multivibrator erzeugte Rechteckwelle sich in der S Phase mit Bezug auf die Rotation des.Rotors 43 in Abhängigkeit ; von der Richtung der Umrißlinie ändert, wogegen die Einstellung ! bzw. die Regelung der beiden sich wiederholenden Wellenformen,

! ι

die durch den Ring des Fotoelements 97 erzeugt werden, zur Rota-!

tion des Abtastflecks festgelegt ist. Demgemäß ändert sich die j Abänderung der beiden sich wiederholenden Wellenformen in Abhän-_£ ^! j gigkeit von Richtung der JJmrißlinie, und dies ändert in der Folge j

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die Spannungen, die den beiden Koordinatenmotoren zugeführt werden.

Es wurde oben ausgeführt, daß der Multivibrator oder die Flip-Flop-Einrichtung so eingerichtet ist, daß, nachdem in die "Betriebs"-stellung getriggert worden ist, er bzw. sie für eine Hälfte der Dauer einer Umdrehung des Rotors 43 in der Betriebsstellung verbleibt und dann in die "Außerbetriebs"-Stellung für die verbleibende halbe Umdrehung zurückkehrt. Dieser Zustand kann nur aufrechterhalten werden, wenn der Rotor im wesentlichen mit einer konstanten Drehzahl umläuft. Wenn ein elektrischer Wechselstrom-Synchronmotor benutzt wird, let das verhältnismäßig einfach zu erreichen, aber wenn der Antrieb durch eine hochtourlge Turbine durchgeführt wird, wie es welter vorstehend angeführt ist, ist es notwendig, die Drehzahl der Turbine zu regeln, so daß sie im wesentlichen konstant ist.

Die Drehzahlsteuerung bzw. Drehzahlregelung für die Turbine ist erreicht durch Einschließen einer elektrodynamischen oder Wirbelstrombremse mit einer festen Windung 83 (Fig. 3 und 5), die in einem Gehäuse placiert ist, das am unteren Körperelement 32 befestigt ist, wobei die Windung in einer Hülse 84, die vom unteren Ende des Rotors 43 gebildet wird, einen Wirbelstrom erzeugt. Die Turbine ist eingerichtet, um bei einer normalen Drehzahl von 6oooι

Umdrehungen pro Minute zu laufen, um eine Abtast- oder Linien- ι

I kreuzungsfrequenz von 2oo Linienkreuzungen pro Sekunde vorzusehen^ und die Wirbelstrombremse 1st so eingerichtet, bei dieser Drehzahl ein Bremsmoment zu erzeugen, das angenähert gleich dem dop-

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pelt en Beschleunigungsmoment der Turbine entspricht. Folglich 1st ,j wenn die Bremse bei der halben Kraft ist, das Netzbeschleunigungs-i moment gleich Null und die Drehzahl bleibt konstant. <;

Die Hilfsregelung ist so eingerichtet, daß, wenn die Drehzahl auf 5.925 Umdrehungen pro Minute abfällt, die Wirbelstrombremse ausgeschaltet 1st. Zwischen 5*925 und 6.075 Umdrehungen pro Minute · . empfängt die Bremse eine Reihe elektrischer Impulse, deren Dauer |

sich mit der Drehzahl ändert, und bei bzw. ab 6.075 Umdrehungen !

pro Minute 1st die Bremse dauernd eingeschaltet.

j ; i

I ; Die Betriebsweise der Hilfseinrichtung 1st durch eine Reihe von

¹ in Fig. 4 gezeigten Diagrammen dargestellt, und der tatsächliche !

^: Schaltkreis 1st in Flg. 5 gezeigt. Eine Fotozelle (nicht gezeigt) ! wird benutzt, um einen monostabilen Multivibrator oder sein Äqui-

■ yalent durch Empfang eines Lichtblitzes bei jeder Umdrehung der ' Abtasteinrichtung zu triggern. Die Fotozelle 85 ist zwischen zwei

ι Widerständen Rl und R2, die ihrerseits zwischen einer positiven

ι ■ -

j 12-Volt-Linie 86 und einer Erdungs-oder Grundlinie 87 geschaltet

I sind. Die Verbindung der Fotozelle und R" ist an die Basis eines η·»ρ-η-Transistors VTl geschaltet, dessen Emitter mit der Erdungslinie 87 verbunden ist. Der Kollektor von VTl ist über einen Widerstand R3 mit der positiven Linie 86 verbunden, und die Verbindung VTl, Kollektor und R3 ist mit einer Seite eines Kondensators Cl verbunden, dessen andere Seite mit der Verbindung eines Widerstandes Rk und der Anode einer Diode Dl zusammengeschaltet ist, deren Kathode über einen Widerstand R5"mit einer negativen 12-Volt-Linie 88 verbunden ist. - 18 -

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Die durch die auf die Fotozelle 85 auftreffenden Lichtblitze veranlagten Stromänderungen veranlassen Stromimpulse in VTl, und die Spannungsänderungen an seinem Kollektor werden Cl zugeführt und die Ausgangssignale von Cl werden der Diode Dl zugeführt. Die ancfer Verbindung der Kathode Dl und R5 ankommenden Impulse werden der Basis eines n-p-n-Transistors VT2 zugeführt, dessen Emitter mit der negativen 12-Volt-Linie 88* verbunden und dessen Kollektor mit den in Reihe geschalteten Widerständen R6 und R7 verbunden ist, wobei die Verbindung dieser Widerstände über einen weiteren Widerstand R8 mit einer Seite eines Hochleistungskondensators C2 und mit der BaSxß^efaares n-p-n-Transistoren VT3 und VT4 verbunden 1st, die den monostabilen Kreis bilden. Die Emitter von VT3 und VT 4 sind zusammen über einen gemeinsamen Widerstand R9 mit der negativen 12-Volt-Linie 88 verbunden. Der Kollektor VT3 ist über einen Widerstand RIO zur positiven Linie 86 geschaltet, während der Kollektor von VT4 direkt mit dieser Linie zusammengeschaltet 1st. Die Verbindung des Kollektors von VT 3 und RIO ist mit der Basis eines p-n-p-Transistors VT5 zusammengeschaltet, der als Verstärker arbeitet. Dessen Emitter 1st mit der positiven

Linie 86 verbunden und sein Kollektor über zwei in Reihe geschal-j tete Widerstände RIl und R12 mit der Erdungslinie 87, wobei die j Verbindung dieser beiden Widerstände mit der Basis eines weite- j

ren Transistors VT6 zusammengeschaltet sind, dessen Emitter mit der Erdungslinie 87 zusammengeschaltet 1st, während sein Kollektor mit der Bremsenwindung 83 zusammengeschaltet 1st. Zur Bremsenwindung 83 liegt eine parallel geschaltete Diode D3, deren Polarität derart 1st, daß sie Strom durchläßt, wenn VT6 ausgeschaltet ist und das Feld der Windung 83 zusammenbricht. Dies

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verhindert die Entwicklung von flüchtigen Hochspannungen bzw. hohoi Ausgleichspannungen in der Bremsenspule.

Die Arbeitsweise des Kreises wird mit Bezug auf Fig. 4 verständlich, die in drei Abschnitte (a), (b) und (c) eingeteilt ist, welche entsprechend die Bedingungen zeigen, wenn die Turbine langsam läuftI d.h. unter 6.000 Umdrehungen pro Minute), die Bedingungen, wenn die Turbine mit der richtigen Drehzahl läuft, und die Bedingungen, wenn die Turbine schnell läuft.

In der Fig. 4 stellt die bei 4 (b) (1) gezeigte Wellenform den Stromfluß durch die Fotozelle dar, die durch die Rotation des Rotors abwechselnd ein- und ausgeschaltet wird. Abschnitt 4 (b)(2) stellt die Wellenform des monostabilen Kreises dar, wobei die Periode T die ⁿEin"-Periode (Eingeschaltet sein) des monostabilen Kreises darstellt, der einmal getriggert worden ist. Das Ausgangs- \ signal des monostabilen Kreises wird geglättet und seine Wellen- ■

form ist im Abschnitt 4 (b)(3) gezeigt, wobei der Transistor VT6

während der Periode leitend ist, während das Ausgangssignal unter-*· halb der Null-Linie liegt, d.h., während der Zeitabschnitte 89 und 90 der Wellenform. Wie im Abschnitt 4 (b)(4) gezeigt, wird daher ϊ die Bremse für eine Hälfte der Gesamtzeit in jeder gegebenen Periode gespeist, und die Kraft der Turbine ist ausreichend, um siei bei der richtigen Drehzahl mit dieser Bremskraft laufen zu lassen ,

Wenn die Turbine aus irgendeinem Grund langsam laufen sollte, fallen die in den Kurven des Abschnittes 4 (a) gezeigten Bedingungen an. Abschnitt 4 (a)(l) zeigt die Wellenform des Fotozellenstro- ! mee, wobei die "Ein"-Periode gleich der "Aus"-Perlode ist Jedoch

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sind beide Perloden länger. Die "Ein"-Periode des monostabilen Kreises bleibt unverändert und ist wieder durch den Buchstaben X dargestellt, Jedoch sind die "Aus"-Perioden entsprechend länger. Dies hat zum Ergebnis, daß die Ausgangswelle des monostabilen Kreises einen größeren Teil aufweist, der über der Null-Linie liegt, wie im Abschnitt 4 (a)(3) gezeigt ist, so daß entsprechend längerer "Aus"-Perioden und kürzerer "Ein"-Perioden für die Bremse bestehen, wie im Abschnitt ¹I (a) (¹I) gezeigt ist, wobei die "Ein"-Perioden mit 93 und 9¹I bezeichnet sind.

Wenn die Turbine schnell läuft (über 6.000 Umdrehungen pro Minute) wie es die Kurven im Abschnitt ¹Kc) zeigen, in dem die entsprechenden "Ein"-Perioden für die Fotozelle bei ¹I (c) (1) gezeigt sind, sind diese Perioden hinsichtlich der höheren Drehzahl kürzer. Andererseits verbleiben die "Ein'-¹-Perioden für den monostabilen Kreis, wie bei ¹I(c)(2) gezeigt ist, wie zuvor und sind gleicht, so daß die "Aus"-Perioden entsprechend gekürzt sind. Dies erzeugt die Wirkung in dem geglätteten Ausgangssignal des monostabilen Kreises, die bei ¹I(c) (3) gezeigt ist, worin die Teile 95 und 96 verlängert sind, so daß die "Ein"- Perloden für die Bremse, bei ¹J(C)(¹I) gezeigt, länger sind als die "Aus"-Perioden, wie mit 97 und 98 angezeigt ist.

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Claims

PATENTANWÄLTE

DR. HUGO WIUCKEN · DIPL.-ING. THOMAS WILCKEfsg 008171

D - 24 LÜBECK. BREITE STRASSE 52-54

20. Febr. 1970 $4 Cz./L

Anmelder; Nancock & Co. (Engineers) Limited, Slough, Buckinghamshire,England

Patentansprüche

1. Verfahren zum Abtasten einer Umrißlinie durch einen Lichtstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl durch eine halbreflektierende Fläche geschickt wird, daß ein Prisma in Umdrehung versetzt wird, das eine ungerade Anzahl reflektierender Flächen aufweist, daß der Strahl von der halbreflektierenden Fläche durch das Prisma geschickt wird, daß der aus dem Prisma austretende Strahl auf einen Punkt bzw. Fleck einer Unterlage fokussiert wird, um die Umrißlinie hin- und hergehend zu kreuzen, daß der Lichtstrahl auf demselben Weg zur halbreflektierenden Fläche zurückgeworfen wird und daß das von der halbreflektierenden Fläche nunmehr zurückgeworfene Licht erfaßt wird, um ein Umrißlinien-Kreuzungssignal zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma mittels einer Luftturbine in Umdrehung versetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß' die Turbinendrehzahl durch Änderung der Erregung einer elektrodynamischen Bremse gesteuert bzw. geregelt wird, wodurch ein Ändern der auf die Turbine wirkenden Bremsbelastung eintritt.

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Vorrichtung zum Abtasten einer Umrißlinie von einer Unterlage durch einen Lichtstrahl, gekennzeichnet durch eine halbreflektierende Fläche, durch die der Strahl hindurchtritt, eine Luftturbine, ein Prisma mit einer ungeraden Anzahl reflektierender Flächen, das im Turbinenrotor befestigt ist, wobei der Strahl vom halbreflektierenden Element das Prisma passiert, eine Linse, um den Strahl auf einen Punkt bzw. Fleck einer Unterlage zu fokussieren, wobei das Licht von der Unterlage entlang dem genannten Strahlenweg zurückgeworfen wird, und gekennzeichnet durch ein fotosensitives Element zur Erfassung des zurückgeworfenen und von der halbreffektierenden Fläche reflektierten Lichtes.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Drehzahlsteuerungseinrichtung bzw. Drehzahlregelungseinrichtung, um die Drehzahl der Turbine im wesentlichen konstant zu halten.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die

) Drehzahlregelungseinrichtung eine elektrodynamische Bremse umfaßt, um auf den Turbinenrotor eine veränderbare Bremsbelastung anzuwenden.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche k bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung bzw. Lagerung für den Turbinenrotor Luftlager bzw. luftgeschmierte Lagerungen umfaßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Teil des Turbinenrotors, der die Zapfen- und Endlagerungs-

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oberflächen bildet, aus Aluminium besteht und anodisiert ist.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen- und Endfestlegungslagerungen des Turbinenrotors mit Polytetrafluoräthylen ausgekleidet sind.

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