DE2234518A1

DE2234518A1 - Regelschaltung fuer die abtastvorschubgeschwindigkeit eines abtastgeraetes

Info

Publication number: DE2234518A1
Application number: DE2234518A
Authority: DE
Inventors: Robert G Wise
Original assignee: Milacron Inc
Current assignee: Milacron Inc
Priority date: 1971-08-20
Filing date: 1972-07-13
Publication date: 1973-02-22
Also published as: JPS4830177A; CA975068A; DE2234518B2; GB1367222A; FR2150367A1; DE2234518C3; FR2150367B1; US3743910A

Description

Patentanwalt

Dipl.-Ing.

D-8023 München - Pullach ■

W'KHiärstr.U.Mdin. 7 933570,7 931782

vl/sta - 1202 München-Pullach, den 12..Juli 1972

Cincinnati Milacron Inc., 4701 Marburg Avenue, Cincinnati, Ohio 45209, rjSA

Regelschaltung für die Abtastvorschubgeschwindigkeit eines Abtastgerätes ' -

Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Abtastregler, und inabesondere betrifft sie einen automatischen Vorschubgeschwindigkeitsregler für das Abtasten innerer Ecken in einem .

Modell.

Der Gegenstand der Erfindung kann in einem Abtastsystem zur An- ' Wendung gelangen, bei dem eine Maschine mit einer Vielzahl von beweglichen Elementen ausgestattet ist, und ein Abtastkopf mit einem Abtastfinger in Berührung mit einem Modell steht. Wandler in dem Abtastkopf erzeugen Ablenksignale für einen Abtastregler. 0er Abtastregler erzeugt geeignete Treibersignale für den Antriebsmechanismus der Maschine zum Bewegen der Maschinen-_: führungen oder -schlitten, um dadurch den Abtastfinger um das j Modell, zu bewegen. Die allgemein Konstruktion und Theorie der Betriebsweise von Abtastreglern int auf dem vorliegenden Ge- Ί biet gut bekannt, und eine umfassende, detaillierte Beschrei- ^! bung irgendeines bestimmten Keglers würde hier nicht zum besse- ; ren Verständnis der Erfindung beitragen.

Allgemein folgt der Abtast finger einem Querschnitt des Modells innerhalb einer bestimmten Abtastebene. Der Einfachheit halber wird die Abtastebene als parallel verlaufend zu einer der or-

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thogonalen Koordinatenebenen der Maschine definiert. ;-Ss wird weiterhin angenommen, daß der Abtast finger nur Ablenkungen innerhalb der Abtastebene erfährt. Die Abtastköpfe sind allgemein mit Wandlern ausgestattet, die Ablenksignale erzeugen, die mit den Koordinatenachsen der Maschine koinzidieren. Die Ablenksignale werden von dem Abtastregler empfangen und werden so verbunden bzw. kombiniert, daß ein Abtastfehlersignal· erzeugt wird. Das Abtastfehlersignal kann so betrachtet werden, daß es aus zwei Vektoren zusammengesetzt ist, die innerhalb der Abtastebene gelegen sind, u. zw. an dem Berührungspunkt des Abtastfingers mit dem Modell, d. h. dem Abtastpunkt. Der erste Vektor oder Vorschubgeschwindigkeitsvektor verläuft tangential zur Modellfläche am Abtastpunkt und weist eine G-rö'ße auf, die einen bestimmten Geschwindigkeitswert darstellt. Der aweite Vektor oder Blindvektor verläuft senkrecht zur Modellfläche durch den Abtastpunkt und weist eine Größe bzw. länge auf, die einen Lage fehler des M.btast fingers relativ zum ?^rodell wiedergibt. Mit anderen V/orten ist der Blindfehler verantwortlich für das Beibehalten einer dauernden Berührung des Abtastfingers mit dem Modell; daher definiert der Blindfehler auch die Genauigkeit des Abtastvorganges. Der Abtastregler muß auf das AblenksignaJ. vom Abtastkopf ansprechen und erzeugt Treibersignale für die Abtastmaschine, die dann aie tangential verlaufende Geschwindigkeit des Abtastfingers auf einem bestimmten, konstanten Wert hält, während sie die Ablenkung des Abtastfinger:.! auf einem bestimmten Wert hält, d. h. in der freien Durchhänglage· oder Nullage.

Allgemein ist für relativ große Abta
ten, z. B. 12? cm pro Minute, die Ansprechzeit des Abtantsystems ausreichend, um die tangentiale Vorschubgüschwindigkeit im wesentlichen konstant zu halten und um den Blindfehler im wesentlichen auf null zu hatten. Wenn jedoch innere Jcken in einem Modell abgebastet werden, und diese Konturen darm plötzliche Hichtungsänd^rungen aufweisen, z. B. innere ycken, so int dann die Ansprechzeit des Abtast.systems nicht mohr ausreichend. Fit anderen Worten int das Abtastsystem bei pin t

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BAD ORiGINAU

A.btastvorschubgeschwindigkeitsänderungen nicht mehr dazu in der Lage, die "Richtung des Vorschubs entsprechend der Ecke zu ändern, wobei eine bestimmte Abtasttoleranz überschritten wird. Daher ist irgendein aufgrund des Abtastprozesses hergestelltes Tf?al mit untragbaren Fehlern behaftet. Die herkömmliche Lösung bestand darin, den bestimmten Wert der Abtastgeschwindigkeit zu reduzieren, Typisch wurde dabei die Geschwindigkeit auf- ca. die Hälfte des vorangegangenen Wertes reduziert. Diese Lösung ist mit dem Fachteil behaftet, daß die für das Abtasten des Modells- ^■forderliche Zeit wesentlich erhöht wird; demzufolge wurde der Vi "kungsgrad des gesamten Abtastprozesses, reduziert.

"de \rorliegemie -!Irfindung betrifft einen Abtastregler für eine automatische Steuerung der AbtastvorSchubgeschwindigkeit beim \btasten" einer inneren Ecke eines TJodells, wobei jedoch eine wesentliche Erhöhung der Abtastgeschwindigkeit unter Vermeidung Croßer "Fehler möglich ist.

.f=r Gegenstand der Erfindung betrifft somit einen verbesserten elektronischen Abtastregler, der zum Teil aus einem Gerät zum irzeugen eines Blindfehlersignals und eines Vorschubgeschwindigkeits-üefehl^signals besteht. Es sind TIittel vorgesehen, die auf das Blindfehleroignal zum Erzeugen eines Steuersignals in Abhängigkeit von einer momentanen Überablenkung des Abtastfingers ansprechen können. Der verbesserte Abtastregler enthält eine Einrichtung, die auf das Vorschubgeschwindigkei-ts-■ßefehlssignal und das Steuersignal ansprechen kann, um das Vorschubbefehlsnignal als ?unktion des Steuersignals abzuändern.

'"eitere Vorteile und jinzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Ilinweia Ruf die Zeichnung. Es zeigt:

-(¹Xg. 1 ein allgemeines Blockschaltbild eines Abtastreg-. lers mit den Merkmalen nach der Erfindung;

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Fig. 2 ein Blockschaltbild, welches die grandlegenden Elemente des Gegenstandes der Erfindung enthält; und

"PIg, 3 ein detailliertes Schaltschema der grundlegenden Komponenten gemäß der Erfindung.

Fig, 1 zeigt ein allgemeines Blockschaltbild 'des Abtastreglers mit den Merkmalen nach der Erfindung. Eine innere Kontur 10 eines Modells 12, welche eine Anzahl von inneren Ecken aufweist, die typisch bei 14 angezeigt sind, wird durch einen Abtastfinger 16 abgetastet. Der Abtastfinger 16 ist Teil eines· Abtastkopfes 18, der an einer nicht gezeigten Maschine angeordnet ist, u. zw. in herkömmlicher Weise. Der Abtastkopf 18 enthält Wandler (nicht gezeigt), die X-Achsen-, Y-Achsen- und Z-Achsen-Ablenksignale jeweils auf den Ausgangsleitungen 20, 22 und 24 erzeugen. Eine Ablenk-Summierschaltung 26, die in einem Abtastregler 28 enthalten ist, erzeugt ein Gesamtablenk-. signal auf einer Ausgangsleitung 30 und erzeugt ein Abtastebene-Ablenksignal auf einer Ausgangsleitung 32. Eine auf null einstellende Schaltung 34 entsprechend dem freien Durchhang wandelt das Gesamtablenksignal mit Hilfe eines Nullvorspannsignals entsprechend dem freien Durchhang ab, um ein Gesamtabtastfehlersignal zu erzeugen. Dieses bewirkt, daß der Abtastregler den Abtastfinger in einer Ablenklage stabilisiert, die von der mechanischen Nullage versetzt oder verschoben ist. Demzufolge kann der Abtastkopf zwischen einer Überablenkung und einer Unterablenkung unterscheiden. Der Nullabgleich oder die Nulleinstellung entsprechend dem freien Durchhang ist a.uf dem vorliegenden Gebiet gut bekannt. Ein Blindfehlergenerator 36 spricht auf das Abtastfehlersignal an, um auf der Ausgangsleitung 40 ein Blindfehlersignal zu erzeugen, welches einen Abtastfehlßr in der Abtastebene, die senkrecht zur Fläche des Modells 12 am Abtastpunkt verläuft, darstellt. Mit anderen Worten stellt dieses Signal einen Blindvektor dar, der den Abstand und die Tüchtung des Abtastfingers definiert, um welche der Abtast finger von der Nullage entsprechend der freien Aufhängung (hang free to null position) versetzt oder verschoben

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ist. Ein Vorschubgeschwindigkeits-Befehlsgenerator 38 erzeugt j auf der Ausgangsleitung 42 ein Vorschubgeschwindigkeits-Befehlssignal, welches eine Geschwindigkeit innerhalb der Abtast-;

i ebene darstellt, die tangential zur Fläche des Modells 12 am Abtastpunkt verläuft. Dieses Signal stellt einen Vorschubgeschwindigkeitsvektor dar, der die Richtung und die Größe der befehligten Geschwindigkeit definiert. Eine Vorschubgeschwindigkeits-PLegelschaltung 44 spricht auf das Blindfehlersignal und das Vors.chubgeschwindigkeits-Befehlssignal an. Bei dem Erfassen einer plötzlichen Richtungsänderung entsprechend einer inneren Ecke im Modell ändert die Schaltung 44"das Vorschubgeschwindigkeit s-Befehlssignal in Einklang mit einer bestimmten Verzögerungscharakteristik ab. Das abgewandelte Vorschubgeschwindigkeit s-Befehls-signal auf der Leitung 45 und das Blindfehlersignal geTahgen jeweils als Eingangsgrößen zu den X-Achsen- und Y-Achsen-Steuergeneratoren 46 und 48, Die Steuergeneratoren reduzieren die Eingangssignale auf die ge- . eigneten Koordinatenachsen-Komponenten und erzeugen Treibersignale aus den Ausgangsgrößen des Abtastreglers 28, u. zw. für die entsprechenden Antriebsmechanismen, um die Maschine derart zu bewegen, daß der Abtastfinger 16 genau entlang der inneren Ecke 10 des Modells 12 entlangfährt.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorschubgeschwindigkeits-Regelschaltung, die in Fig. 1 gezeigt ist. Das Blindfehlersignal auf der leitung 40 gelangt als Eingangsgröße zu einem Verzögerungssignalgenerator 50. Der Generator 50 erzeugt ein Steuersignal in Abhängigkeit von einer zu großen Ablenkung oder Überablenkung des Abtastfingers, wenn dieser in eine innere Ecke eintritt. Das Steuersignal und das Vorschubgeschwindigkeits-Befehlssignal auf der Leitung 42 gelangen als Eingangsgrößen zu einer Vorschubgeschwindigkeits-Einstellschaltung 52. Die Schaltung 52 wandelt das Vorschubgeschwindigkeits-Befehlssignal als Funktion des Steuersignals ab.

Es sei hervorgehoben, daß das Abtastsystem durch die inneren Ecken steuert, wobei das Steuersignal das Vorschubgeschwindig-

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keitssignal vermindert and daran anschließend erhöht. "Die Faschine erfährt demnach nicht nur eine Verzögerung, sondern ebenso eine Beschleunigung. Die Bezeichnung Verzögerung betrifft demnach allgemein die zweite zeitliche Ableitung des Abstandes und bedeutet nicht eine bestimmte Geschwindigkeitsänderungsweise. Offensichtlich stellt eine Beschleunigung nichts anderes als eine negative Verzögerung dar.

Oer Verzögerungssignalgenerator besteht aus einer Spitzenhalteschaltung 54 und einem Hochpaßfilter 56. Die Schaltang 54 erzeugt ein erstes Signal auf der Ausgangsleitung 55 in Abhängigkeit von einer nicht zyklischen, plötzlichen Zunahme in der Größe des Blindfehlersignals. Die Spitzenhalteschaltung filtert jegliche niederfrequenten Geräuschsignale aus. Wenn die Faschine gleichzeitig ein Werkstück in Abhängigkeit von dem Abtastprozeß schneidet, wird ein relativ niederfrequentes Geräusch in das Blindfehlersignal eingeführt. "Dieses Geräusch hat seinen Ursprung in dem Bearbeitangsprozeß, wenn die Schneidelemente am Werkzeug an das Werkstück angreifen. Dieser zyklische Kontakt bzw. diese zyklische Berührung erzeugt eine Vibration, die über die Maschinenkonstruktion zum Abtastkopf rückgekoppelt wird. Die Wandler in dem Abtastkopf sprechen auf die Vibration an und führen niederfrequente, zyklische Geräuschkomponenten in das Blindfehlersignal ein. Fährt nun der Abtast finger über eine rauhe Modellfläche, so kann auch hierdurch eine niederfrequente Geräuschkomponente in das Blindfehlersignal eingeführt werden. Die Spitzenhalteschaltung 54 ist dazu in der lage, einen wesentlichen Anteil dieser Geräuschsignale auszufiltern.

Das erste Signal auf der Ausgangsleitung 55 gelangt als Eingangsgröße zu einem Hochpaßfilter 56 zweiter Ordnung. Das Filter 56 erzeugt ein Steuersignal mit einer Wellenform, die der zweiten Ableitung der Eingangsgröße nach der Zeit angenähert ist. Da das Eingangssignal eine Punktion der Ablenkung oder eines Abstandsfehlers ist, stellt die gefilterte Ausgangsgröße einen entsprechenden Verzögerungsfehler dar. Wenn diese Größe gegenüber der Zeit aufgetragen wird, erhält man eine charäkte-

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ristische Kurve des Steuersignals, die die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit des Vorschubgeschwindigkeits-Befehlssignals in der Vorschubgeschwindigkeits-Einstellschaltung 52 definiert.

Wenn allgemein der Abtastfinger in eine innere Ecke eintritt, so ruft die unmittelbare übermäßige Ablenkung eine momentane Änderung in dem Steuersignal hervor, welches auf einen bestimmten Wert gebracht wird, und die Vorschubgeschwindigkeits-Einstellsohaltung reduziert das Vorschubgeschwindigkeits-Befehlssignal'auf einen minimalen Wert. Wenn der Abtastregler durch die Ecke lenkt, und das erste Signal aus"der Spitzenhalteschaltuhg abklingt, ändert sich auch das Steuersignal aus dem Hochpaßfilter; die Vorschubgeschwindigkeits-Einstellschaltung erhöht die Größe des Vorschubgeschwindigkeits-Befehlssignals auf dessen ursprünglichen, bestimmten Wert. Da die dynamischen Sirenschaften der Maschine und das Ansprechverhalten des Abtastsystems von System zu' System "unterschiedlich sind, schwankt auch die minimale YorSchußgeschwindigkeit und die Erholgeschwindigkeit der Vorschubgeschwindigkeit bei jedem Abtastsystem. 3s sei daran erinnert, daß die anfängliche übermäßige Ablenkung oder Überablenkung weit die Nullage entsprechend dem freien Hang überschreitet, so daß demzufolge die Größe des freien Durchhangs bsw. Wuliwertes (hang free to null value) umgekehrt proportional zur Zeitperiode ist, die für die Korrektur erforderlich ist. Damit beeinflußt die Größe des freien Durchhangs bzw. Hullwertes ebenso die Eigenschaft des Steuersignals. Da?; Hochpaßfilter kann so abgestimmt werden, daß es ein Steuersignal erzeugt, welches eine Verzögerungseigenschaft wiedergibt, die einem bestimmten Abtastsystem angepaßt ist, so daß dadurch die Regelung des Vorschubgeschwindigkeits-Steueroptimal gestaltet wird.

⁵Ig. 3 zeigt ein detailliertes Sehaltschema der Vorschubgeschwindi^keits-.lege Ischalt ung. Die Spitzenhaltes ehalt ung 54-iat mit einem "iingangs-Trennverstärker 58 ausgestattet, der auf das Blind fehlersignal auf der Leitung 40 ansprechen kann. )ie Ausf-nngB^röße des Verstärkers 53 gelangt als Eingangsgröße

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zu einem-Filternetzwerk 60. Das Filternetzwerk 60 erzeugt eine Ausgangsgröße in Abhängigkeit von einer nicht zyklischen, plötzlichen Zunahme in der Eingangsgröße. Die Ausgangsgröße fällt dann auf ihren ursprünglichen Zustand in Einklang mit den geeigneten Zeitkonstanten zurück, die durch die Widerstände 62, 63, 64 und 65 und die Kapazitäten 66 und 68 bestimmt sind. Die Ausgangsgröße des Filters gelangt als Eingangsgröße zu einem Verstärker 70, der dazu dient, die Impedanz zwischen dem Ausgang des Filters 60 und dem Hochpaßfilter 56 zweiter Ordnung anzupassen. Das Filter 56 besteht aus einem Verstärker 72", der wechselstrommäßig mit dem Ausgang des Verstärkers 70 gekoppelt ist. Erhält das Hochpaßfilter 56 keine Eingangsgröße, so erzeugt ein Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 73 und 75, ein Vorspannsignal am Eingang des Verstärkers 72, welches dessen Ausgangsgröße auf einem positiven Wert hält, u. zw. in der Fähe der Durchbruchsspannung der Zenerdiode 74. Demnach wird der Transistor 76 in der Vorschubgeschwindigkeits-Einstellschaltung 52 in seinem nichtleitenden Zustand gehalten, und das Vorschubgeschwindigkeits-Befehlssignal auf der Leitung 42 gelangt durch die Vorschubgeschwindigkeits-Einstellschaltung auf die Ausgangsleitung 45, ohne eine Änderung zu erfahren.

Wenn nun der Abtastfinger eine plötzliche Überablenkung aufgrund einer plötzlichen Richtungsänderung in der Kontur des Modells erfährt, so steigt das erste Signal aus der Spitzenhalte schaltung 54 scharf auf einen Spitzenwert an; das Steuersignal aus dem Hochpaßfilter 56 fällt scharf mit einer nachfolgenden, größeren Geschwindigkeit ab. Diese Änderung in dem Steuersignal treibt den Transistor 76 in den leitenden Zustand, und ein nachfolgender Abschnitt des Vorschubgeschwindigkeitssignals auf der leitung 42 wird über die Diode 80, den Widerstand 82 und den Transistor 76 geerdet. Der Leitpfad durch den Transistor 76 ermöglicht ebenso der Kapazität 84, sich zu entladen. Bei nur einem minimalen Potentialabfall über dem Widerstand 78 bewirkt das abgewandelte Vorschubgeschwindig-j keitssignal auf der Ausgangsleitung 45, daß die Geschwindigkeit j

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des Abtastfingers plötzlich und wesentlich reduziert wird. Wenn ■

i nun das erste Signal aus der Spitzenhalteschaltung 54 von sei- j .nem Spitzenwert langsam abfällt, so steigt das Steuersignal ' aus dem Hochpaßfilter 5& auf seinen- ursprünglichen Wert mit
wesentlich größerer Geschwindigkeit an; der Transistor 76 wird
dann in.seinen nichtleitenden Zustand geschaltet. Hierdurch
wird eine Änderung an der Kapazität 84 angezeigt, und es wird I die Größe des abgewandelten Vorschubgeschwindigkeitssignals
auf der Ausgangsieitung 45 erhöht, welches dann auf seine ursprüngliche Größe mit einer Geschwindigkeit.zurückkehrt, die j von der Ladezeitkonstanten der Kapazität 84 abhängig ist. |

Obwohl die vorliegende Erfindung in Einzelheiten anhand von ! bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie i nicht auf diese Einzelheiten beschränkt. Es sind eine Reihe : von Abwandlungen und Abänderungen und äquivalenten Ausführungs- : formen möglich, ohne jedoch dabei dian Rahmen der vorliegenden" : Erfindung zu -verlassen.

Sämtliche in der Beschreibung erwähnten und in den Zeichnungen \ veranschaulichten technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung. !

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Claims

Patentansprüche

Ί 1.!Elektronische Regelschaltung für die Abtastvorschubgeschwin- ^: digkeit eines Abtastgerätes mit einem Abtast finger, der die Fläche eines Modells abfährt, mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Blindfehlersignals und eines Vorschubgeschwindigkeits-Befehlssignals, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung folgende Merkmale und Einrichtungen aufweist:

a) einen Verzögerungssignalgenerator (50), der auf das Blindfehlersignal zum Erzeugen eines Steuersignals anspricht, welches eine negative Beschleunigungseigenschaft wiedergibt; und

b) eine Vorschubgeschwindigkeits-Einstellschaltung (52), die auf das Steuersignal und das Vorschubgeschwindigkeit a-Befehlssignal ansprechen kann, um das Vorschubge-

: schwindigkeits-Befehlssignal als Funktion der Negativbeschleunigungseigenschaft abzuwandeln.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Negativbeschleunigungssignalgenerator (50) folgende Einrichtungen aufweist:

a) eine Spitzenhalteschaltung (54), die auf das Blindfehler- : signal zum Erzeugen eines ersten Signals in Abhängigkeit von einer plötzlichen, nicht zyklischen Zunahme im Blindfehlersignal ansprechen kann; und

b) ein Hochpaßfilter (56), welches auf das erste Signal zum Erzeugen eines Steuersignals als Funktion einer zweiten

Ableitung des ersten Signals ansprechen kann.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzenhalteschaltung (54) folgende Einrichtungen aufweist:

a) einen Trennverstärker (53), der ale Eingangsgröße das

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Blind fehlersignal erhält; und ■ !

Td) ein Fi It er netzwerk (60), dessen Eingang mit dem Trennver- ' stärker verbunden ist, und welches ein Ausgangssignal in j Abhängigkeit von einer plötzlichen Zunahme in der Größe j des Blind fehlersignals erzeugen kann. · ;
4. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ! Spitzenhalteschaltung (54) einen Impedanzanpaßverstar- ! ker (70) enthälc, der an das Filternetzwerk angeschlossen
ist und ein erstes Signal in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal erzeugt.

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