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Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines
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Arbeitsvorganges nach optischer Abtastung einer Vorlage Die Erfindung
bezieht sich auf die Steuerung eines Arbeitsvorganges nach optischer Abtastung einer
Vorlage, insbesondere einer Linie oder Kante zum Steuern beim Brennschneiden.
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In der Brennschneidtechnik besteht die Aufgabe, Zeichnungen von auszubrennenden
Metallteilen abzutasten und synchron mit der Abtastung eine Brennerbewegung so zu
steuern, daß ein Metallteil aus einer Metallplatte ausgeschnitten wird, dessen Form
und Maße dem gezeichneten Teil entspreden oder zu ihm in einem bestimmten Maßstabverhältnis
stehen können.
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Diese Aufgabe wird üblicherweise durch sogenannte optische Abtaststeuerungen
gelöst, bei denen eine um seine Hochachse drehbar gelagerter optischer Abtastkopf
einer gezeichneten Kontur folgt. Die Bewegung des Abtastkopfes in Zeichenebene wird
mechanisch oder elektrisch auf eine Koordinatenmaschine übertragen, so daß die an
der Koordinatennatenmaschine befestigten Schneidbrenner eine der
Bewegung
des Abtastkopfes analoge Bewegung ausführen. Die konventionellen Abtastköfpe verwenden
zum Verfolgen der Zeichnüngslinien in der Regel zwei bis vier Fotodioden oder Fotozellen,
mit deren Hilfe entdeckt werden kann, ob sich der Mittelpunkt des Abtastkopfes über
der Linie befindet oder nicht. Der Drehwinkel des Abtastkopfes, der von der Richtung
der verfolgten Linie abhängt, bestimmt, in welche Richtung der Zeichnungsebene der
Maschinenbrenner gefahren wird. Dazu wird die fest eingestellte Bahngeschwindigkeit
des Brenners nach Maßgabe der Winkelstellung des Abtastkopfes in X- und Y-Geschwindigkeftskomponenten
zerlegt.
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Diese vom Abtastkopf ermittelten Komponenten ergeben die Größe der
Spannungen und damit die Drehzahlen der Maschinenantriebsmotoren in X- und Y-Richtung.
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Bei derartigen bekannten Systemen muß in Kauf genommen werden, daß
durch die mechanische Drehung des Abtastkopfes aufgrund von dessen Massenträgheit
eine Zeitverzögerung auftritt, die der Abtastgeschwindigkeit eine obere Grenze setzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Zeitverzögerung zu
vermeiden und damit höhere Geschwindigkeiten beim Abtasten von Vorlagen zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch Verwendung einer
Fernsehaufnahmeröhre od. dgl. mit punktweiser Abtastung des Bildfeldes als Tastkopf
zum Steuern von Arbeitsgeräten nach einer vorgegebenen Linie oder Kante, insbesondere
zum Steuern einer Brennschneidmaschine, wobei der Taststrahl kreisfcrm g geführt
wird.
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Durch die kreisförmige Führung des Taststrahls, beispielsweise durch
ein Paar von entsprechend gespeisten Ablenkspulen für den Elektronenstrahl der Röhre
läßt sich eine vollelektronische Trennung von Tastpunkt und Bezugspunkt erreichen,
ohne den Tastkopf beim Verfolgen der Linie oder Kante mechanisch zu drehen. Das
Tasten der Linie erfolgt dabei zeitlich etwas früher als der gesteuerte Arbeitsvorgang,
indem der Bezugspunkt der zu steuernden Vorrichtung, z.B. einer Brennschneidmaschine,
einer Bohrmaschine od. dgl. zugeordnet wird. Die physikalische Trennung von Tastpunkt
und Bezugspunkt wird durch Vergrößerung des Linienbildes auf der Aufnahmeröhre und
durch Einstellen des Durchmessers für den Tastkreis überwacht.
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Ein besonderer Vorteil ergibt sich dadurch, daß durch Ändern des Durchmessers
des Abtastkreises die Vorverlegung der Abtastung gegenüber dem Steuervorgang wahlweise,
auch während des Betriebs, geändert werden kann, was beim Umfahren scharfer Ecken
mit hohen Geschwindigkeiten sehr wichtig sein kann.
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Ein besonderer Vorteil der kreisförmigen Abtastung durch den Elektronenstrahl
liegt darin, daß Sinus- und Kosinuswellenformen keine kostspieligen Stromkreise
erfordern. Diese Wellenformen werden gewöhnlich während der Wechsel von hell zu
dunkel in einem Video-Signal geprüft. Während der Elektronenstrahl rotiert, wird
die abzutastende Linie zweimal gekreuzt, nämlich am Tastpunkt und am Bezugspunkt.
Die Lage des gesteuerten bzw. mechanischen Teils ist so, daß sich in gleichem zeitlichen
Abstand Kreuzungssignale einstellen, und ist im übrigen der Lage des Bezugspunktes
zugeordnet.
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Für diesen Zweck werden durch einfache Summierverstärker Signale für
Abweichungen von der X- und Y-Achse erzeugt.
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In der beigefügten Fig. 1 ist verdeutlicht, wie durch kreisförmige
Abtastung der Bildelemente der Tastpunkt S von dem Bezugspunkt EL getrennt wird.
Die abzutastende Linie, hier eine Gerade, ist mit L bezeichnet und die Bezuggsachse
mit A Fig 2 zeigt zwei Betriebsbedin0ingen. Angeommen, der Ab taststrahl bzw. elektronenstrahl
befindet sich an einem A Punkt r, der unter einem Winkel # zur Mittel-bzw.Bezugsacher@
des Tat reises liegt. Die Punkte R und S erscheinen im Falle der Abtastung einer
geraden Linie @ auf der Kurve für Sinus O und Kosinus 0 mit einem gegenseitigen
Abstand von T . Dieser Fall einer geraden Linie ist in Fig. 2a wiedergegeben Durch
die Summe und,Differenz der Ordinaten a und b erhält man die Steuersignale für das
zu steuernde Arbeitsgerät. Es ist ersichtlich, daß für eine gerade Linie a+b=O a
- b = 2a ist.
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Für den in Fig. 2b dargestellten Fall einer gekrümmtan Linie L' ergeben
die beiden vorstehenden Gleicbungen - anders als bei einer geraden Linie - beide
einen endlichen Wert Das Wesen der Erfindung läßt sich auch wie folgt anhand der
Fig. 3 uni 4 darstellen.
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Gemäß der Erfingung soll - anstelle der Fotowiderstände bzw.
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Fotozellenanordnung üblicher Abtastköpfe - eine-Aufnahmeröhre z.B.
eine standardmäßige Vidicon-Fernsehaufnahmeröhre verwendet werden. Es wird jedoch
keine zeilenförmige Abtastung vorgenommen, sondern es werden die X - und Y - Ablenkspulen
der Röhre mit solchen Strömen beaufschlagt,
daß der. ElektronenstrahI
einen Kreis beschreibt.
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Dieses geschieht, wie z.B. bei Elektronenstrahloscilloscopen üblich,
durch Beaufschlagung der Ablenkspulen mit sinus -förmigen Strömen, die gegeneinander
phasenverschoben sind (Lissaious-Figuren).
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In Fig.3 ist ein so entstehender. Abtastkreis gezeigt.ud zwarsfur
den Fall einer Geraden , entsprechend Fig.2a.
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Der Durchmesser dieses Kreises beträgt wenige Millimeter; er entspricht
der sogenannten Vorverlegung bei den konventionellen Abtastköpfen. Diese Vorverlegung
ist immer notwehdig, um ein Funktionieren des Abtastsystems zu bekommen.
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Ste bewirkt, dass der Brenner zeitlich und örtlich betrachtet, immer
etwas hinter dem Abtastkopf herläuft. Damit merkt der Abtastkopf etwas früher als
der Brenner, in welche Richtung gefahren werden muß.
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Bei der Erfindung besteht jedoch der besondere Vorteil, daß diese
Vorverlegung durch Änderung des Durchmessers des Abtastkreises, auch während des
Betriebs, wahlweise verändert werden kann.
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Das Erkennen der Richtung der abzutastenden Linie also der zu verfolgenden
Kontur, nach welcher das Arbeitsgerät, z. B. eine Br'ennschneidnschine, gesteuert
wird.
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lässt sich wie folgt darstellen: Wie in Fig. 3 gezeigt liegt der Mittelpunkt
des von dem Elektronenstrahl beschriebenen-Kreises auf der abzutastenden Linie (verfolgte
Kontur). Es ergeben sich darin zwei Schnittpunkte, in denen der-ohne Drehung des
Tas.L-kopfes uns seine Hochachse mit diesem der Linie nachgeführte - Kreis die Linie
schneidet, nämlich de;r Tastpunkt S und der Bezugs punkt R.
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Gegenüber einem-festen, einmal angenommenen X-Y-Koordinaten- 1 System
kann nun der Winkel #1 durch eine einfache Zeitmessung bestimmt werden, da die Bahngeschw½digkeit
des Abtaststrahies jeweils konstant ist. Ist der Winkel #1 bekannt, so ergeben sich
daraus die Geschwindigkeitskomponenten für die Maschine in X- und Y-Richtung zu
Vx = V. sin Vy = V. Cos wobei V die fest eingestellte Bahngeschwindigkeit ist.
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Die Spannungen Vx und Vy werden den entsprechenden Antriebsmotoren
der Maschinen zugeführt; die Maschine fahrt in Richtung des abgetasteten Linie.
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Die Schaltung ist in der Lage,zu erkennen, ob die abgetastete Linie
durch den Mittelpunkt des Abtastkreises läuft; es muß nämlich gelten sind #1 = -
sin cons #1 = - cos Durch überwachen dieser Bedingung und eine entsprechende Regeischaltung
kann immer sichergestellt werden, daß die Abtastlinie durch den Mittelpunkt verläuft.
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Nachstehend ist anhand der Fig. en 4 der Fall einer Richtung änderung
der abzutasten Linie gezeigt, entsprechend Fig. 2b, wobei die Richtungsänderung
einfach als scharfe Ecke E, etwa rechtwinklig angenommen ist, obwohl sie natürlich
in der Praxis beliebigen , insbesondere abgerundeten Verlauf haben kann. Am Prinzip
ändert dies nichts.
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Mit Richtungsänderung gemäß Fig.
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gilt im Punkte S nicht mehr, daß = # ist.
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Die Richtung, in die der Brenner zum verfahren wird, wird durch den
Winkel bestimmt, der zwischen der Sehne S R und der y - achse auftritt.
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Die Nähei'ungsformel zur Bestimmung des Winkels # bezw. der beiden
Geschwindigkeitskomponenten lautet nun: Vx = V . sin # CH2 = V . 1 ( sin #1 - sin
Vy = V. cos # = V. 1/2 ( cos #1 - cos #2 ) Man sieht leicht, dass diese-Formeln
für die gerade Linie in die- oben abgeleiteten Geschwindigkeitskomponenten übergehen.
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Es wird aber auch deutlich, dass der Brenner, wie beim kon -ventionellen
Abtastverfahren,nicht eine scharfe Ecke fahren kann, sondern im Bereich einiger
Millimeter vor oder hinter der Ecke auf Sehnenstücken fährt, was eine Ausrundung
der Ecke ergibt.
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In Fig.4 ist außerdem die Strecke k angegeben. Sie stellt als
voreinstellbarer
Wert die Breite der Schnittfuge dar. Der Endpunkt von k ist natürlich wahlweise
und braucht nicht, wie in Fig. 4 dargestellt ist, auf der Y-Achse zu liegen.
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Wie beim konventionellen Abtastsystem ist demnach auch beim hier
vorliegenden ein Einstellen einer Schnittfugenkom pensation möglich.
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Nach der Erfindung können natürlich auch, wie bei üblichen Abtastsystemen,
in analoger Weise Kanten oder sonstige für derartige Systeme geeignete vorgegebene
Konturen abgetastet werden.
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Mit Anwendung der Erfindung, die es gestattet eine Kontur ohne mechanische
Drehung des Tastkopfs - also der Aufnahmeröhre -um die Hochachse abzutasten, sind
Geschwindigkeiten von etwa 12-mSmSn ohne weiteres erreichbar, so daß moderne Schneidverfahren,
die hohe Schnittgeschwindigkeiten erlauben, voll ausgenutzt werden können.