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Einrichtung zur Erzeugung einer Bewegung eines Bauteils mit
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einem vorgegebenen Geschwindigkeitsverlauf Die vorliegende Erfindung
betrifft eine Einrichtung zum Erzeugen einer Bewegung eines Bauteils mit einem vorgegebenen
Geschwindigkeitsverlauf, insbesondere einer periodisch hin- und hergehenden, geradlinigen
Bewegung, bei der die Geschwindigkeit während eines mittleren Teiles jedes Bewegungshubes
mindestens eine der beiden alternierenden Bewegungsrichtungen im wesentlichen konstant
ist. mit einer Antriebsvorrichtung fUr das Bauteil, ferner Mit einer Vorrichtung,
welche eine sich gleichmäßig und monoton ändernde primäre Steuergröße erzeugt, und
mit einer Umwandlungsanordnung, welche die primäre Steuergröße in eine sekundäre
Steuergröße umwandelt, die die Antriebsvorrichtung steuert und einen solchen Verlauf
hat, daß sich der geforderte Geschwindigkeitsverlauf der Bewegung des Bauteils ergibt.
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Eine Einrichtung zum Erzeugen einer Bewegung eines Bauteils mit einem
vorgegebenen Geschwindigkeitsverlauf wird zum Beispiel bei der punktweisen Abtastung
eines Bildes oder eines Aufzeichnungsträgers benötigt, bei der eine Meßfläche konstanter
Größe über ein Bildfeld bewegt wird. Hierbei wird eine konstante Relativgeschwindigkeit
eines Abtaststrahles bezüglich der Bildvorlage gefordert, um eine von Bildpunkt
zu Bildpunkt gleichbleibende Meßzeit zu gewährleisten.
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Es ist bekannt, eine Abtasteinrichtung zum zeilenweisen Abtasten
einer photometrisch auszumessenden Bildfläche mittels einer Schraubenspindel zu
verschieben, die durch einen in der Drehrichtung umsteuerbaren Motor angetrieben
wird. An den Enden jeder Zeile wird die Drehrichtung des Motors umgekehrt, wobei
sich die Drehzahl vom Wert Null bis zu einem positiven bzw. negativen Maximalwert
ändert. Das Anfahren und Abbremsen des Motors erfordert eine erhebliche Zeitspanne,
die insbesondere beim Abtasten mit hoher Geschwindigkeit ins Gewicht fällt und entweder
nicht für die Messung zur Verfügung steht, da die Abtastgeschwindigkeit während
des Abbremsens oder Beschleunlgens des Motors nicht konstant ist, oder ungenaue
Messungen liefert, da die Abtastgeschwindigkeit nicht konstant ist.
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Es sind zwar mechanische Getriebe bekannt, zum Beispiel Kurvengetriebe
mit herzförmiger Steuerkurve, mit denen eine kontinuierliche, drehzahlkonstante
Drehbewegung in eine hin- und hergehende Bewegung mit im wesentlichen konstanter
Geschwindigkeit umgesetzt werden kann. Solche mechanischen Getriebe sind jedoch
teuer in der Herstellung und lassen sich schlecht an sich ändernde Aufgaben anpassen.
Hohe Genauigkeit kann nur mit erheblichem Aufwand erzielt werden und läßt sich wegen
des unvermeidlichen Verschleißes auch selten über längere Betriebszeiten aufrechterhalten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung
der eingangs genannten Art anzugeben, die flexibel ist, sich durch einen relativ
einfachen Aufbau auszeichnet und ohne großen Aufwand hohe Genauigkeitsanforderungen
auf bei längeres Betrieb zu erfüllen gestattet.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Einrichtung der
eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die Einrichtung gemäß der Erfindung ist sehr flexibel, sie läßt sich
also leicht an unterschiedliche Aufgaben, insbeandere unterschiedliche HUbe und
Geschwindigkeitsverläufe anpassen. Soweit mechanische Teile benötigt werden, sind
diese einem relativ geringen Verschleiß unterworfen und leicht herzustellen, so
daß sie ggfs. ohne große Kosten ausgewechselt werden können.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher erläuterte es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung
eines erstenAusführungsbeispieles der Erfindung; Fig. 2 eine Draufsicht auf ein
mechanisches Getriebe der Einrichtung gemäß Fig. 1a Fig 3 eine Seitenansicht des
Getriebes gemB Fig 2s Fig. 4 eine graphische Darstellung des Verhältnisses der Windegeschwindigkeit
einer Antriebswelle des Getriebes gemäß Fig. 2 und 3 zu einer vorgegebenen Grenzgeschwindigkeit
in Abhängigkeit vom Drehwinkel a
Fig. 5 eine graphische Darstellung
des gleichen Winkelgeschwindigkeitsverhältnisses wie in Fig. 4 sowie der Geschwindigkeit
der Linearbewegung eines von dem Getriebe gemäß Fig. 2 und 3 angetriebenen Bauteils
in Abhängigkeit vom Ort x des Bauteils; und Fig. 6 eine schematische Darstellung
eines zweiten Ausführungs-Beispieles der Erfindung.
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Die Figuren 1 bis 5 beziehen sich auf ein erstes Ausführungsbeispiel
der Einrichtung gemäß der Erfindung, bei dem eine periodisch hin- und hergehende,
geradlinige Bewegung eines Bauteils, zum Beispiel einer Blende- und einer Abtastvorrichtung,
mit einem Geschwindigkeitsverlauf erzeugt wird, bei dem die Geschwindigkeit während
eines möglichst großen mittleren Teiles jedes Bewegungshubes der beiden alternierenden
Bewegungsrichtungen im wesentlichen konstant ist. Die Einrichtung gemäß Fig. 1 enthält
einen Motor lo, der mit einem Drehzahlregler 12 versehen ist und mit einer durch
den Drehzahlregler 12 einstellbaren, konstanten Drehzahl läuft. Der Motor lo treibt
eine Lochacheibe 14 mit konstanter Drehzahl an, welche als Speicher für Daten dient,
die in Verbindung mit einem mechanischen Getriebe 16 den Geschwindigkeitsverlauf
einer gradlinigen Hin- und Herbewegung einer Platte 18 steuern. Die Lochschelb n14
sind auf einem zu ihrer Drehachse konzentrischen Xreis mit unterschiedlichen gegenseitigen
Winkelabständen Aß angeordnet, worauf nqch näher eingengangen wird. Die Löcher werden
durch eine optisch-elektrische Abtastvorrichtung 20 abgetastet, die eine auf der
einen Seite der Lochscheibe 14 angeordnete Lichtquelle einem auf der anderen Seite
der Lochscheibe angeordneten Photoempfänger, z B. eine Photodiode, enthalten kann.
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Anstelle der Locher kann die Lochscheibe selbstverständlich auch Markierungen
anderer Art tragen, die durch reflektiertes Licht abgetastet werden können. Weitere
Möglichkeit besteht darin, die Löcher an der Peripherie anzuordnen, so daß sich
eine
Zahnscheibe ergibt. Auf weitere Variationen wird am Schluß
der Beschreibung noch hingewiesen.
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Die Abtastvorrichtung 20 liefert beim Durchgang jedes Loches einen
elektrischen Ausgansimpuls, der von einem Impulsverstärker 22 verstärkt wird, mit
dessen Ausgang ein Schrittschaltmotor 24 verbunden ist, der durch jeden Impuls um
einen Drehschritt weitergeschaltet wird. Der Schrittschaltmotor 24 treibt eine Scheibe
26 an, an der ein radial verstellbarer, zapfen- oder rollenförmiger Mitnehmer 28
angebracht ist. Der Mitnehmer 28 greift in einen geraden Schlitz 30 der Platte 18
ein, die zwischen seitlichen Führungsrollen 32 in Richtung des Doppelpfeiles 34
geradlinig verschiebbar gelagert ist.
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Bei konstanter Drehzahl der den Mitnehmer 28 tragenden Scheibe 26
führt die Platte eine hin- und hergehende Bewegung mit sinusförmigem Geschwindigkeitsverlauf
aug Durch die Verteilung der Locher der Lochecheibe 14 wird jedoch die Drehzahl
des Schrittschaltmotors nach einer vorgegebenen Funktion, auf die noch eingegangen
wird, zwischen einer unteren und einer oberen Grenze derart verändert, daß der Absolutbetrag
der Geschwindigkeit der Platte 18 auf dem größten Teil des Bewengungshubes konstant
ist. Ss ergibt sich dadurch ein Geschwindigkeitsverlauf ähnlich einem Trapes, wobei
die Trapezflanken sehr steil gemacht werden können. Bereits mit kleinen Verhältnissen
von oberer zu unterer Gronzdrehzahl läßt sich eine konstante Geschwindigkeit in
einem sehr großen Teil jedes Hubes erzeugen, zum Beispiel bei einem Drehzahlverhältnis
1:2 kann eine konstante Geschwindigkeit in 86,6 % % d der Länge jedes Hubes erreicht
werden, bei 1:3 ergeben sich schon 94,3 % und bei 1@6 schließlich 98,6 %.
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Die Größe des Hubes kann durch Verstellen des Abstandes des Mitnehmers
28 von der Drehachse 36 der Scheibe von Null bis zu einem Maximalwert 2D verstellt
werden, der vom Durchmesser der Scheibe 26 abhängt. Wenn ein Reihe beabstandeter
Zeilen nach Art eines Rasters abgetastet werden soll, genügt es, die Platte 1@ mit
ihren Führungen 32 in Längsrichtung des Schlitzes
30 schrittweise
oder kontinuierlich zu verschieben. Der Schrittschaltmotor und die Scheibe 26 brauchen
dabei nicht mit verschoben zu werden. Die Länge des Schlitzes 30 in der zur Richtung
des Doppelfeiles 34 senkrechten Richtung muß selbstverständlich so groß bemessen
werden, daß die Platte 18 um die gewüschte Strecke in der Richtung der zweiten Abtastkoordinate
(senkrecht zum Pfeil 34) möglich ist.
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Als Beispiel für die Berechnung der Abstände der Löcher oder Markierungender
Lochscheibe 14 soll angenommen werden, daß das Verhältnis der oberen zur unteren
Grenzdrehzahl des Schrittschaltmotors 24 gleich 2 ist, daß der Winkel a - O der
Ordinatenrichtung und der Weg x der Abszissenrichtung eines in Fig. 2 eingezeichneten
Koordinatensystems ist, durch dessen Ursprung die Drehachse 36 der Scheibe 26 geht.
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Die Kurve in Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit der momentanen Wikelgeschwindigkeites
der Scheibe 26 bezogen auf (d.h.
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geteilt durch) die der unteren Grenzdrehzahl entsprechenden minimalen
Winkelgeschwindigkeit #u in Abhängigkeit vom Drehwinkel a der Scheibe 26.
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Innig. 5 zeigt die ung*sogen gezeichnete Kurve die Abhängigkeit von
A u und die gestrichelt gezeichnete Kurve die AbhXngigkeit der Geschwindigkeit dxdt
der Platte 18 vom Ort x der Platte 18.
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Der Winkelabstand der Löcher oder Markierungen der Lochscheibe 14
in Abhängigkeit vom Winkel ß bezüglich der Drehachse der Lochscheibe 14 ist umgekehrt
proportional zum Ordinatenwert der in Fig. 4 dargestellten Kurve, wobei der Proportionalitätsfaktor
so gewählt sein muß, daß der die Löcher oder Markierungen enthaltende Kreis auf
der Lochscheibe 14 eine ganze Anzahl von Perioden entsprechend dem Bereich von Null
bis 1800 der Kurve gemäß Fig. 4 enthält. Ferner müssen die Anzahl dieser Perioden
und
die Drehzahl des Motors 10 so auf den Schrittwinkel des Schrittschaltmotors 24 abgestimmt
sein, daß die Schrittfrequenz der geforderten Gleichmäßigkeit der mit konstanter
Geschwindigkeit ablaufenden Verschiebung der Platte 18 in x-Richtung geneigt und
der Schrittschaltmotor 24 die gewünschte Anzahl von Umdrehungen pro Zeiteinheit
ausführt. Gegebenenfalls kann der Impulsverstärker22auch ein Frequenzvervielfacher
oder Frequenzteiler in Reihe geschaltet sein, dessen Vervielfachungs-bzw Teilungsfaktor
dann in den Proportionalitätsfaktor eingeht.
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Die größte Gleichmäßigkeit und Genauigkeit der Verschiebung der Platte
18 erhält man, wenn man eine halbe Umdrehung des Schrittmotors 24 mit einer ganzen
Umdrehung der Lochscheibe 14 steuert.
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Die mathematischen Grundlagen fUr die Berechnung der Kurven gemäß
Fig 4 und 5 sind in einem mit "Ableitung der Umdrehungszahlen Überschriebenen Anhang
der Beschreibung erläutert, der auch eine tabellarische Aufstellung der Werte der
ausgezogen gezeichneten Kurven in Fig. 4 und 5 enthält.
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Der Absolutwert der Geschwindigkeit v (Fig. 5) kann durch Verändern
der Drehzahl des Motors lo geändert werden.
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Da anhand des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 erläuterte Erfindungsprinzip
läßt sich auch auf andere Weise realisieren, wie im fangenden anhand von Fig. 6
erläutert werden soll.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 enthält wie das Ausführungsbeispiel
gemäß Fig 1 einen durch einen Impulsverstärker 22 gesteuerten Schrittmotor 24, der
über ein Getriebe 16 eine Platte 18 antreibt. Insoweit entspricht dieses Ausführungsbeispiel
dem gemäß Fig 1. Zum Erzeugen der den Schrittmotor bzw.
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Impulsverstärker steuernden Impulse enthält das Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 2 einen elektronischen Festwertspeicher (ROM) 30, in dem die Werte einer
Steuerfunktion, z.B. entsprechend der
Kurve in Fig. 4, digital
gespeichert sind. Diese Werte werden durch ein Taktsignal von einem Taktsignalgenerator
32 in gleichen Zeitabständen abgerufen und in einem Digital-Analog-Umsetzer (DAC)
34 in eine analoge Steuerspannung umgewandelt. die die Frequenz eines spannungsgesteuerten
Oszillators (VCO) 36 steuert. Die vom Oszillator 36 erzeugte frequenzveränderliche
Schwingung wird in einem Impulsformer 38 in Steuerimpulse umgewandelt, die dem Eingang
des Impulsverstärkers 22 zugeführt werden.
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Der Verlauf der momentanen Drehzahl oder Winkelgeschwindigkeit (Schaltfrequenz)
des Schrittmotors 24 wird durch die im Festwertspeicher 30 gespeicherte Steuerkurve
bestimmt und kann durch Andern des Inhaltes des Festwertspeichers oder durch Umschalten
der Adressierung auf eine andere gespeicherte Steuerfunktion geändert werden. Die
Anzahl der Umdrehungen des Schrittmotors 24 pro Zeiteinheit läßt sich durch Andern
der Taktfrequenz ändern.
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Abwandlungen des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele bestehen
z.B. darin, daß man statt einer mit optischen Markierungen versehenen Lochscheibe
eine Impulsgeberscheibe mit Markierungen auf induktiver oder kapazitiver basis vorsieht,
etwa durcb an die Scheibe geklebte Magnete oder durch Ausbildung von Magnetzonen
in der Scheibe in Verbindung mit einem induktiven Abnehmer, oder auch durch Vorsehen
einer mit der Scheibe eine Kapazität bildenden Gegenelektrode, wobei an der Scheibe
dann die Kapazität verändernde geometrische Verformungen (z.B.
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Löcher, Stege, Zähne etc.) ausgebildet sind. Solche Verformungen können
übrigens auch bei einer Scheibe au magnetisch permeablem Material in Verbindung
mit einem induktiven Abnehmer mit einer um einen Magneten gewickelten Spule verwendet
werden.
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Ableitung der Umdrehungszahlen x = Weg der Platte t = Zeit A = gesamter
Weg der Platte max v = Geschwindigkeit der Platte # = = momentane Drehzahl #u =
untere Drehzahlgrenze x = #max . sin #t #t ) α
v soll möglichst lange konstant bleiben und zwar auf dem Wert, der für #u gilt,
dies ist gleichzeltig die höchste Geschwindigkeit (x = o), also vmax = #max . #u
Es folgt vmax = v(x) bzw. vmax = v(α) bis zu einem Grenzwert von # = #@ =
2#u, also
Das ergibt folgende numerische Werte: (Amax wurde gleich 1 gesetzt).
| #/#u α x |
| 1 0 0 |
| 1,0098 8° 0,1392 |
| 1,0328 14,48° 0,25 |
| 1,1 24,62° 0,4166 |
| 1,2 33,56° 0,5528 |
| 1,3 39,72° 0,639 |
| 1,4 44,42° 0,6998 |
| 1,5 48,19° 0,7454 |
| 1,6 51,32° 0,7806 |
| 1,7 53,97° 0,8087 |
| 1,8 56,25° 0,8315 |
| 1,9 58,24° 0,8503 |
| 2,0 60° 0,8660 |