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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der
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im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Steuereinrichtung für die Vorrichtung
nach Patentanspruch 1 sowie eine Verwendung der Vorrichtung und der Steuereinrichtung.
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Oftmals ist es wünschenswert, ausgehend von einem bestehenden, bearbeiteten
Werkstück oder Modell, möglichst identische Werkstücke auf einer Werkzeugmaschine
herzustellen. Dies kann dadurch erfolgen, dass das bearbeitete Werkstück oder Modell
auf der Werkzeugmaschine positioniert wird und mittels Handsteuerung durch eine
Bedienungsperson der Bearbeitungskopf um das Modell geführt wird, wobei die Steuerbefehle
gespeichert werden und für die Bearbeitung nachfolgender Werkstückrohlinge verwendet
werden.
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Bei komplizierten Formen und mehrachsig steuerbaren Maschinen ist
dieses Verfahren allerdings zu zeitaufwendig und damit zu teuer. Ferner ist die
erzielte Genauigkeit stark vom Geschick der Bedienungsperson abhängig. Unter Umständen
müssen die derart gewonnenen Daten mit beträchtlichem Rechenaufwand von Fehlern
befreit werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, nur die Position ausgewählter
Punkte der Kontur aufzunehmen und den Konturverlauf zwischen diesen Punkten durch
ein rechnerisches Interpolationsverfahren zu bestimmen. Bei komplizierten Konturen
müssen dabei sehr viele Punkte bestimmt werden, um ein möglichst wenig fehlerbehaftetes
Ergebnis zu erreichen und der
Abtast- und Rechenaufwand wird sehr gross. Die Punkte können von
Hand angefahren werden, wobei die Erfahrung der Bedienungsperson in der Regel eine
Verteilung der Punkte bewirkt, welche eine Verringerung des Rechenaufwandes ermöglicht.
Werden die Tastpunkte maschinell und im vorgegebenen Raster gewählt, ergibt sich
die Gefahr, dass die Punkte, d.h. die Stützstellen der Interpolation, auf eine der
Kontur unangepasste Weise gewählt werden und damit die Fehlerhäufigkeit im die Kontur
darstellenden Datensatz hoch ist.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Abtastvorrichtung
zu schaffen, welche die genannten Nachteile nicht aufweist. Dies wird durch eine
Abtastvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 erreicht. Ferner
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung für die Abtastvorrichtung
zu schaffen. Dies wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 10
erreicht, Ferner wird eine Verwendung der Abtastvorrichtung und der Steuereinrichtung
im Anspruch 13 gezeigt.
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Durch die erfindungsgemässe Vorrichtung kann die abzutastende Kontur
in jeder Abtaststellung in allen Bearbeitungsvorrichtungen erfasst werden, womit
eine einfache und genaue Abtastung ermöglicht wird.
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Durch die auf die Schaltersignale der Vorrichtung ansprechende Steuereinrichtung
kann demgemäss eine einfache und genaue automatische Abtastung erreicht werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsart enspricht der radiale Abstand
eines Schalterbetätigungs-
elementes von der Drehachse der Werkzeuge im Bearbeitungskopf dem
Radius eines bestimmten Werkzeuges. Dadurch sind die so ermittelten Abtastdaten
ohne Dimenionskorrekturen für die Steuerung eines Werkzeuges mit diesem Durchmesser
verwendbar.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der
Zeichnungen mäher erläutert.
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Dabei zeigen: Fig. la,b Ansichten einer bekannten Fräsmaschine mit
den möglichen Bearbeitungsachsen; Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Abtastvorrichtung;
Fig. 3a,b eine Darstellung der Abtastvorrichtung an einem Werkstück in zwei Stellungen;
Fig. 4 eine weitere Ausführung der Abtastvorrichtung; Fig. 5 eine Schaltung für
die optoelektronischen Schalter.
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Fig. la und lb zeigen eine Werkzeugmaschine mit einem in fünf Achsen
steuerbaren Bearbeitungskopf 1.
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Dabei sind in Fig. la die als x, y und z-Achsen bezeichneten Achsen
und eine Schwenkrichtung um eine Achse a des Kopfes 1 mit Pfeilen, in Fig. lb die
Schwenkrichtung um eine Achse b des Kopfes mit einem Pfeil dargestellt.
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In der nachfolgenden Beschreibung werden die Begriffe x, y und z-Achse
und Schwenkachse gemäss diesem gezeigten Beispiel verwendet. Bei der gezeigten -Fräsmaschine
werden die x- und y-Achse durch Bewegung des Tisches 2 verändert, was aber trotzdem
als x,y-Steuerung des
Bearbeitungskopfes 1 verstanden werden soll, da nur die Relativbewegung
zwischen dem Werkstück auf dem Tisch und dem Kopf 1 von Bedeutung ist. Mit einer
solchen Werkzeugmaschine mit fünf-achsig steuerbarem Bearbeitungskopf lassen sich
beliebige räumliche Formen bearbeiten, wenn der Schwenkwinkel in den Achsen a,b
je mindestens 0 45 beträgt. Die Abtastvorrichtung soll an einer Ausführung für eine
solche fünf-achsige Fräsmaschine beschrieben werden, kann aber natürlich in erfindungsgemäss
abgewandelter Form auch für Werkzeugmaschinen mit einer anderen Anzahl steuerbarer
Achsen verwendet werden.
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Fig. 2 zeigt eine Abtastvorrichtung in schematischer Ansicht. Ein
Schalterträger 3 weist dabei einen nur teilweise dargestellten Morsekonus 4 auf,
mittels dessen der Schalterträger 3 in der Werkzeugaufnahme des Bearbeitungskopfes
1 anstelle des in den Fig. la, b gezeigten Fräsers befestigbar ist.
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Ein Teil des Schalterträgers 3 ist mittels der Führungen 6, von denen
eine nur teilweise dargestellt ist, gegenüber dem anderen Teil 7 des Schalterträgers
3 mit dem Morsekonus 4 verschieblich gelagert. Der verschiebbare Teil 5 trägt im
dargestellten Beispiel die vier Schalter 8,9,10,11 und die Schaltfahne für einen
fünften Schalter 13, welcher am maschinenfesten Teil 7 befestigbar ist.
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Der Schalter 11 wird von einer Gabellichtschranke und einer Schaltfahne
gebildet, welche an dem im Teil 5 drehbar gelagerten bügelförmigen Schalterbetätigungselement
14 befestigt ist. Das bügelförmige
Betätigungselement stützt sich
beim Abtasten einer Kante eines plattenförmigen Werkstückes, wie in Fig. 3a gezeigt,
auf der einen Plattenoberfläche ab. In einer als Normalstellung bezeichneten Position
des Bügels 14 unterbricht die Schaltfahne des Schalters 11 dessen Lichtstrahl,und
der Schalter 11 befindet sich in einer seiner definierten Schaltstellungen. Ist
der Bügel 14 um einen bestimmten, z.B. durch Gestaltung der Schaltfahne wählbaren
Betrag aus der Normalstellung gedreht, wird der Lichtstrahl vom Sender zum Empfänger
der Gabellichtschranke nicht mehr unterbrochen, und der Schalter 11 geht in eine
zweite definierte Schaltstellung, Durch das bügelförmige Schalterbetätigungselement
14 in Verbindung mit dem Schalter 11 kann somit ein Verschwenken des Bügels 14 um
die b-Achse festgestellt werden wenn die Drehachse 15 des Bügels 14 in y-Richtung
gerichtet ist oder um die a-Achse, wenn die Drehachse 15 in x-Achsenrichtung gerichtet
ist.
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Beim dargestellten Beispiel dient das bügelförmige Betätigungselement
14 ebenfalls als Betätigungselement für den Schalter 13, indem der verschiebbare
Teil 5 des Schalterträgers durch den auf dem abzutastenden Werkstück aufliegenden
Bügel 14 gegenüber dem maschinenfesten Teil 7 verschiebbar ist. Dies bewegt die
am Teil 5 befestigte Schaltfahne des Schalters 13 in dessen Gabellichtschranke und
führt, wie bei Schalter 11 beschrieben, zur Einnahme eines der Schaltzustände des
Schalters 13, je nach dem, ob der bewegliche Teil 5 in Normalposition steht oder
daraus verschoben ist.
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Diese Verschiebung beinhaltet bei nicht um die a- und/ oder b-Achse
verschwenktem Kopf 1 nur eine Verschiebung in z-Achsenrichtung. Ist der Bearbeitungskopf
verschwenkt, kommt noch eine y- und/oder x-Komponente hinzu.
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Der Schalter 10 besteht ebenfalls aus einer Lichtschranke, welche
von einer nur schematisch dargestellten Leuchtdiode und einem Phototransistor gebildet
wird. Die Schaltfahne besteht dabei aus dem in seiner Längsrichtung verschiebbaren
Stift 17, welcher vom Betätigungselement 16 in Längsrichtung verschoben wird, wenn
dieses an der Wertkstückkante anliegt und dabei in seiner Normalstellung ist. Die
Verschiebung erfolgt dabei senkrecht zu der von den beiden am Werkstück anliegenden
Kanten des Betägigungselementes definierten Ebene.
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Verläuft die Kante, wie in Fig. 3a gezeigt, in x-Richtung, so erfolgt
die Verschiebung des Betätigungselementes 16 in y-Richtung. Hat sich die Kanten-0
richtung um 90 gedreht, verläuft die Kante also in y-Richtung, erfolgt die Verschiebung
des Elementes 16 in x-Richtung. Der Schalter 10 hat im wesentlichen die Funktion
mit seinem Schaltsignal anzuzeigen, ob die Vorrichtung in der Richtung senkrecht
zur Vorschubrichtung in Kontakt mit der abzutastenden Kontur ist oder nicht.
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Innerhalb der Ausnehmung des angenähert U-förmigen Betätigungselementes
16 ist ein weiteres Betätigungselement 18 vorgesehen, welches, ebenfalls über den
Stift 17, als Betätigungselement für die kreuz-
förmig angeordneten
Schalter 8 und 9 dient. Diese sind ebenfalls nur schematisch je als Leuchtdiode
und Phototransistor dargestellt. Das Betätigungselement 18 ist an der Verbindung
mit dem Stift 17 derart gelagert, z.B.
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in einer Kugelpfanne, dass es in x- und y-Richtung sowie um die a-Achse
gleichzeitig schwenkbar ist. Diese Bewegungen sind auch durch die über Kreuz angeordneten
Schalter 8 und 9 erkennbar, bzw. bewirken durch eine Auslenkung der kugelig ausgebildeten
Schaltfahne des Stiftes 17 im Bereich der Schalter 8 und 9 ein Schaltersignal des
Schalters 9 bei Schwenkung des Elementes 18 aus der Normalstellung um die a-Achse
und ein Schaltersignal 8 bei Bewegung aus der Normalposition in der x, Y-Achse.
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Das an der abzutastenden Werkstückkontur anliegende Betätigungselement
18 bewirkt also ein Signal, wenn die abzutastende Kontur eine Neigung des Elementes
18 aus seiner Normalstellung in der a-Achse bewirkt und ebenso, wenn sich eine Verschwenkung
des Elementes in x-y-Richtung ergibt. Letzteres bedeutet, dass die Abtastvorrichtung
den Kontakt mit der abzutastenden Kontur zu verlieren beginnt, sich verkantet",
da sie nicht um die Werkzeugdreheachse rotationssymmetrisch ist wie ein Werkzeug,
z.B. ein Fräser. Deshalb muss bei der dargestellten Schalteranordnung zumindest
der Teil 5 mit dem Betätigungselement 18 um die Werkzeugdrehachse gedreht werden,
bis das Element 18 in x,y-Richtung wieder in Normalstellung steht, was bedeutet,
dass das Element 16 mit seiner Berührungsfläche wieder
gleichmässig
an der Kontur anliegt. Diese Drehhilfsfunktion kann durch den Bearbeitungskopf der
Werkzeugmaschine ausgeführt werden, sofern diese dafür fein genug ansteuerbar ist,
z.B. im Falle eins Schrittmotors.
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In der Regel wird dies allerdings nicht der Fall sein, weshalb in
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der Abtastvorrichtung mit einer Dreheinrichtung erläutert
ist.
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Vorteilhafterweise ist der radiale Abstand der Berührungsfläche des
Elementes 18 von der Drehachse, welcher nachfolgend als Radius der Abtastvvorichtung
bezeichnet wird, gleich gross wie der Radius des Werkzeuges, welches mittels der
durch die Abtastvorrichtung gewonnenen Daten gesteuert wird. In diesem Falle kann
der Bearbeitungskopf mit dem Werkzeug namlich im gleichen Abstand vom Werkstück
geführt werden wie die Abtastvorrichtung. Es ist also keine Dimensionskorrektur
am Datensatz notwendig, da die Schneidfläche des Werkzeuges an derselben Stelle
in bezug auf die Drehachse liegt, wie dies die Abtastfläche tut. Dies ist bei komplizierten
Formen wichtig, da dabei der Rechenaufwand für eine Dimensionskorrektur zwischen
Abtastvorrichtung und Werkzeug sehr hoch oder sogar unpraktikabel ist.
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Es kann daher für jede Werkzeugdimension, z.B. für jeden Fräserdurchmesser,
eine Abtastvorrichtung mit der entsprechenden Geometrie vorgesehen werden. Es kann
andererseits die Abtastvorrichtung auch verstellbar ausgeführt werden, um den Abstand
der Abtastfläche, welche der Schneidfläche entspricht, von der Drehachse veränderbar
zu gestalten. Die Ausgestaltung der eigent-
lichen Berührungsflächen
der Betätigungselemente kann, wie im Beispiel, welches zur Abtastung von Kanten
ausgeführt ist, an die Geometrie und Dimensionen der oabzutastenden Formen angepasst
werden, wobei auch die Werkzeuggeometrie und Schneidform berücksichtigt werden kann.
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Nach der vorstehenden Erläuterung der Schalterfunktionen sollen nun
anhand der Fig. 3a, b zwei Stellungen der Abtastvorrichtung an einer abzutastenden
gerundeten Kante 19 einer Platte 20, wie z.B. einer Tischplatte, gezeigt werden.
Dabei wird die Vorrichtung nur schematisch anhand der Betätigungselemente dargestellt,
um deren Stellungen besser erkennbar zu machen.
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Fig. 3a zeigt eine Platte 20 mit einer gerundeten Kante 19, welche
in der Darstellung genau in x-Richtung verläuft. Das mittels der Achse 15 im nicht
dargestellten Schalterträgerteil 5 gelagerte bügelförmige Betätigungselement 14
liegt mit den Enden des Bügels auf der Oberfläche der Platte auf. Das Betätigungselement
16 liegt an der Kante 19 an, wie auch das Betätigungselement 18, welches der Kantenrundung
folgend um die a-Achse geschwenkt ist. Zu Beginn der Abtastung wird die Abtastvorrichtung
in eine Startstellung an der abzutastenden Kante gebracht, und es wird festgelegt,
in welche Richtung die Abtastung erfolgen soll, im dargestellten Beispiel erfolgt
dies , vom der Uebersicht halber dargestellten Koordinatenpunkt 0 aus, in zunehmender
x-Richtung entlang der Kante. Sobald die Abtastvorrichtung am Startpunkt angesetzt
und die Vorschubrichtung gewählt worden ist, kann die Vorrichtung von
einer
Steuereinrichtung automatisch entlang der Kante bewegt werden und somit deren Form
aufgenommen werden, indem die Steuerbefehle für den die Vorrichtung führenden Bearbeitungskopf
gespeichert werden. Die Steuereinrichtung braucht lediglich die Vorrichtung stückweise
in der gewählten Vorschubrichtung und den anderen Achsen, z.B. in der dazu senkrechten
Schwenkrichtung (bzw. in der parallelen Schwenkachse), um vorgewählte Einheiten
zu verschieben, sowie in Abhängigkeit von den Schaltersignalen den Bearbeitungskopf
in jeder Abtaststellung so einzustellen, dass alle Schalter in der Normalposition
stehen. In der Stellung der Fig. 3a ist daher der Bearbeitungskopf durch die Steuereinrichtung
so eingestellt worden, dass der Bügel 14 in Normalstellung steht, d.h.
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dass der Bügel gegenüber dem Schalterträger nicht verschwenkt ist
(Schalter 11) und dass der Bügel 14 bei gleichbleibendem Abstand der beiden Schalterträgerteile
5 und 7 auf der Platte aufliegt (Schalter 13). Ferner ist der Bearbeitungskopf so
zu der Platte positioniert, dass das Betätigungsteil 16 an der Kante anliegt (Schalter
10). In Fig. 3a ist das Betätigungsteil 18 noch verschwenkt gezeigt, d.z. nicht
in der zum Betätigungsteil 16 parallelen Lage. Die Steuereinrichtung wird nun den
Bearbeitungskopf so verschwenken, dass auch der entsprechende Schalter 9 die Normalstellung
des Elementes 18 meldet. Die entsprechende Position des Bearbeitungskopfes kann
im Speicher der Steuereinrichtung gespeichert werden, worauf ein definierter Vorschub
der ganzen Vorrichtung erfolgt, und bei einer konturbedingten
Stellung
der Schalter ausserhalb der Normalstellung, ein erneutes Anpassen der Stellung des
Bearbeitungskopfes erfolgt, um die Schalter in Normalstellung zu bringen. Auf diese
Weise kann die Kontur der Kante-aufgenommen werden, bis eine Verschwenkung des Betätigungselementes
18 in x,y Richtung erfolgt, was in Fig. 3b gezeigt ist, in welcher der Bügel 14
zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen worden ist. Das Verschwenken des Elementes
18 in x,y-Richtung zeigt an, dass die Vorrichtung den Kontakt zur Kante aufgrund
deren Verlauf zu verlieren droht, da die Vorrichtung, anders als das entsprechende
Werkzeug, nicht rotationssymmetrisch ist.
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Es erfolgt nun die bereits vorstehend erwähnte Drehung der Vorrichtung
um die Werkzeugdrehachse, bis das Element 18 auch in x,y-Richtung wieder in Normalposition
ist und eventuell eine entsprechende Verschiebung in den anderen Achsen, bis alle
Schalter wieder Normalstellung anzeigene Aendert die Kante ihren Verlauf um 900,
so erfolgt die Abtastung weiterhin gleich, doch erfolgt der Vorschub dann natürlich
in der y-Achse, das Element 16 erkennt den Kontakt mit der Kante in der x-Achse
und auch die Schwenkachsen wechseln.
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Die erwähnte Steuereinrichtung weist Eingänge für die Schaltersignale
aus der Vorrichtung auf und besitzt als Steuermittel eine Logik, welche vorzugsweise
von einem programmgesteuerten Mikroprozessor gebildet wird, sowie eine Schnittstelle
zur Steuerung der Werkzeugmaschine. Die Abtastdaten können unter Steuerung von der
Steuereinrichtung im Speicher der
Werkzeugmaschine oder aber vorzugsweise
auf einem speziellen Speichermittel, z.B. einer Diskette, der Steuereinrichtung
gespeichert werden. Ferner übernimmt die Steuereinrichtung die Erzeugung der Signale
zur Steuerung der hilfsweisen Drehung der Vorrichtung. An der Steuereinrichtung
können auch die wählbaren Steuergrössen, wie z.B. der Vorschub, eingestellt werden,
welche das Abtastraster festlegen.
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Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführung der Vorrichtung. Gleiche Teile
wie bei der bereits gezeigten Vorrichtung sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
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Das bügelförmige Flement 16 ist hier gefedert spreizbar ausgeführt
und greift an die untere Fläche einer abzutastenden Platte. Die Höhenführung des
beweglichen Teiles 5 wird von einem zusätzlichen Betätigungselement 20 übernommen,
welches als: Rolle ausgeführt ist. Das Betätigungselement 18 übernimmt hier auch
die Funktion der Feststellung des Kontaktes zur Kante, womit das Betätigungselement
16 wegfällt und nur der feste Rahmen 21 als Führung und Schutz für das Element 18
verbleibt.
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Schalterseitig bleibt die Anordnung aber gleich wie bei Fig. 2. Das
Element 18 ist im dargestellten Beispiel am maschinenfesten Teil 7 angeordnet.
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Mittels des Schrittmotors 25 ist der Schalterträger um die Werkzeugdrehachse
(Mittelachse des Morsekonus) über eine Untersetzung drehbar zur Ausführung der beschriebenen
Hilfsfunktion.
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Beim Kontakt der Vorrichtung mit der Form des Modells übernimmt die
Steuereinrichtung die An-
steuerung der Abtastvorrichtung und richtet
sich automatisch in Grundstellung aus, d.h. alle 5 Mikroschalter werden durch Bewegen
der 5-Achs-Motoren in die Ausgangsstellung gebracht. Vorgesehen ist nur die Richtung
im oder gegen den Uhrzeigersinn, wie die Vorrichtung um das Modell herumfährt. Dabei
wir die Vorrichtung durch den angelaufenen Schrittmotor immer soweit gedreht, dass
das Element 18 mit seinen 2 Auflagepunkten exakt an der Kontur anliegt (Hilfsfunktionen).
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Das Programm der Steuereinrichtung gibt nach dem Ausrichten eine
variable Wegeeinheit den fünf Achsen vor. Nachdem die Wegeeinheit ausgeführt ist,
überprüft die Steuereinrichtung die Stellung der fünf Mikroschalter. Wird dabei
eine nicht gewünschte Stellung erreicht, d.h. die Mittelstellung eines Schalters
verlassen, wird diese Achse in der nächsten Wegeeinheit in entgegengesetzter Richtung
gefahren, bis wieder die Mittelstellung erreicht wird. Auf diese Weise bewegt sich
die Vorrichtung im Bereich der eingestellten Mikroschalter an der Kontur entlang.
Die Achsposition aller fünf Achsen wird in einem variablen (entsprechend der Aufgabenstellung
und Genauigkeit veränderbaren) Raster als Datengrundmaterial für die Form als Anzahl
der gefahren nen Schritte zum jeweiligen Stützpunkt gespeichert.
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Als Raster denkbar ist eine Wegeeinheit, Zeiteinheit oder, wie hier
realisiert, eine Vorgabeeinheit (Vorschub).
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Ein Programm berechnet aus den Schrittänderungen im jeweiligen Raster
die Form, glättet die Daten und speichert die fertige Kontur auf Diskette ab.
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Bei der Produktion wird diese Information immer direkt aus dem Mikroprozessor
abgerufen. Der Aufnahmevorgang dauert bei einer 2500 mm langen Kontur je nach Schwierigkeit
und Aenderungsraten in den Schwenkachsen zwischen 30 und 40 Minuten, z.B. für eine
Stuhlsitzschale. Nachträgliche Berechnungen und Aenderungenin der Programmierung
sind überflüssig. In den Kurven (Ecken der Schale) bewirkt die Drehung der Vorrichtung
durch den Schrittmotor, dass sie immer an der Kante bleibt (Hilfsfunktion). Geht
die Drehung über 900 hinaus, muss ein Wechsel der Vorschubachse erfolgen. Entweder
x oder y-Achse (Tischbewegung) übernimmt im Wechsel die Vorschubrichtung, während
die jeweils andere durch Zustellen an der Kante verbleibt.
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Fig. 5 zeigt eine Schaltung für die beschriebenen optoelektronischen
Schalter mit Leuchtdiode bzw. Infrarotdiode 27 und Phototransistor 28. Die Auswertung
erfolgt durch zwei Operationsverstärker. Am Ausgang A stellt sich ein Signal 0 Volt
bei belichtetem Phototransistor und 5 Volt bei unbelichtetem Phototransistor ein.
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Am Ausgang B steht das komplementäre Signal zur Verfügung.
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Anstelle der optoelektronischen Schalter können auch normale mechanische
Mikroschalter verwendet werden.