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Vorrichtung zum Abtasten eines Musters zum Steuern, insbesondere von
Werkzeugmaschinen, unter Verwendung eines Druckmittelstrahles Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zum Abtasten eines Musters, wie sie insbesondere für die Steuerung
von Werkzeugmaschinen in Betracht kommt, bei denen z. B. der Strahl nach einer bestimmten
Kurve zu führen ist. Dabei handelt es sich um .eine Weiterausgestaltung einer solchen
Vorrichtung nach dem Hauptpatent 720 391.
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Nach diesem dient zum Abtasten ein Druckmittelstrahl, zwischen dessen
Austrittsdüse und einer den Strahl aufnehmenden sowie mit der Austrittsdüse starr
verbundenen Auffangdüse eine quer zum Strahl bewegte Steuerkante als Abschirmkante
angeordnet ist. Weiter soll nach dem Hauptpatent der in der Auffangdüse herrschende
Druck die beiden Düsen im Sinne einer Gleichhältung des Auffangdüsendruckes nachsteuern.
und gleichzeitig den zu steuernden Körper, also z. B. einen Werkzeugträger, in Übereinstimmung
mit dem Verlauf der Steuerkantenkurve bewegen.
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Eine solche Vorrichtung kann insofern noch verbessert werden, als
es gelegentlich erwünscht ist, die Steuerkante des Musters mit gleichbleibender
Geschwindigkeit abzutasten, d. h. mit dem abtastenden Druckmittelstrahl an der Steuerkante
mit gleichbleibender Geschwindigkeit entlang zu fahren. Dies wird vornehmlich bei
der Anwendung der Vorrichtung nach dem Hauptpatent für Werkzeugmaschinen, d. h.
für die Fälle erwünscht sein, für welche dieses besonders gedacht ist. Handelt es
sich z. B. darum, einen Schneidbrenner selbsttätig nach einer vorgegebenen Kurve
zu steuern, so wird es tunlich sein, die Abt:astgeschwindigkeit gleichzuhalten,
um eine gleichmäßige und möglichst gleichbleibende Brenngeschwindigkeit zu gewährleisten.
Bei
Brennschneidmaschinen ist es an sich bekannt, den Brenner in zwei zueinander senkrechten
Richtungen zu bewegen und fürjede Bewegungsrichtung einen besondereii4@ Antriebsmotor
vorzusehen. Damit di;' Schnittgeschwindigkeit konstant bleibt, ,oll bei diesen bekannten
M:ascihinen das Verhältnis der Geschwindigkeit der beiden gleichzeitig arbeitenden
Motore dem Kathetenverhältnis entsprechen, wenn :die Schnittlinie als zugehörige
Hypotenuse angesehen wird. Die Werte zur Einstellung der Motorgeschwindigkeiten
von Hand sollen bei der bekannten Maschine in einer Tabelle festgelegt sein.
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Um dieser Forderung nach :gleichbleibender Geschwindigkeit auch bei
einer nach dem Hauptpatent ausgebildeten Maschine zu genügen, soll nach der Zusatzerfindung
für den das Muster in seiner Längsrichtung verstellenden Antrieb eine zusätzliche
Steuereinrichtung mit einem auf .die Geschwindigkeit des Musters und einem auf die
Nachsteuergeschwindigkeit ansprechenden Meßsystem vorgesehen -werden, deren Meßwerte
als Steuerkräfte auf ein die Antriebsleitung für das Muster beherrschendes Steuerorgan
:derart geschaltet sind, daß das Verhältnis der Muster- und der Nachsteuergeschwindigkeit
im Sinne einer Gleichhaltung der Abt.astgeschwindigkeit, also jener Geschwindigkeit
ferie!htigt wird, mit welcher der Druckmittelstrahl die Steuerkante des Musters
abtastet. Sofern .die Vektoren der Muster- und der Nachsteuergeschwindigkeit zueinander
senkrecht sind, wie dies im allgemeinen der Fall sein wird, so läßt sich die zusätzliche
Steuereinrichtung verhältnismäßig einfach gestalten, wenn die beiden Meßwerte dem
Oüadrat der Muster- bzw. der Nachsteuerzeschwindigkeit verhältnisgleich gemacht
und additiv auf das Steuerorgan geschaltet werden, das alsdann auf Gleichhaltung
der Summe der beiden quadratischen Meßwerte zu regeln hat. Betrachtet man nämdi:ch
die Geschwindigkeit der drei Bewegungen (Mustergeschwindigkeit,Nachsteuergeschwindigkeit
und Abtastgeschwindigkeit) v ektori:ell, so ist eine Gleichhaltung des Abtastgeschwindigkeitsvektors
(als Hypotenuse in einem rechtwinkligen Dreieck mit den 1)eiden anderen Geschwindigkeitsvektoren
als Katheten) dann gewährleistet, -wenn die Summe aus den O_uadraten der Muster-
und der Nachsteuergeschwindigkeit gleichgehalten wird.
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Der Umstand, d.aß hiernach nicht mit den Geschwindigkeitswerten selbst,
sondern mit den Quadraten zu rechnen ist, bedeutet keine Iiomplizierung, wenn der
das :4iuster in ihrz#i Längsrichtung verstellende Motor und fler den Abtaststrahl
bewegende Nachsteuernrotor mit einem Druckmittel betrieben werden; denn in diesem
Fall läß.t sich aus der Druckinittelm:enge, welche der Arbeitsgeschwinrligkeit des
Motors verhältnisgleich ist, durch .Abnahme eines dynam-i.sdhen Strömungsdruckes
sehr einfach ein dem Ouadrat der Geschwindigkeit verhältnisgleicher Wert in Form
des Strömungsdruckes gewinnen. Es braueht dann jedem der beiden Motore nur ein Drucksystem,
z. B. in Form einer Steuermembran, zugeordnet zu werden, das finit dem zugehörigen
Strömungsdruck heaufschlagt wird, wobei die beiden Drucksysteme additiv ,geschaltet
und mit Hilfe einer Gegenkraft ausgewogen werden. Die Größe der Gegenkraft ist dann
ein Maß für die Abtastgeschwindigkeit. Durch *l#nderu:ng der Gegenkraft, z. B. durch
Änderung der V orspannung einer Gegenfeder, hat man die Möglichkeit, die Abtastgeschwindiglceit
in -weiten Grenzen zu verändern. Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel
des Erfindungsgegenstandes.
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Nach diesem Beispiel ist die eigentliche liachsteuervorrichtung in
der im Hauptpatent beschriebenen Weise ausgebildet. Die Leitkurve i schirmt bei
einer Bewegung in Richtung des Pfeiles :2 .die Auffangdüse4 mehr ;-der -weniger
ab, verändert dadurch den auf die Membran i8 wirkenden Druck und vermittels des
Strahlrohres i9 en Arbeitsdruck im nachzusteuernden Servomotor 13, 1.l.
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Die zusätzliche Steuereinrichtung nach der Zusatzerfindung besteht
im wesentlichen aus zwei Membrankammern 26, -27, deren --\iembranen hintereinandergeschaltet
an. einem Steuerschieber 28 angreifen, auf denen in entgegengesetzter Richtung eine
Gegenkraft 29 einwirkt. Der Steuerschieber 28 steuert in an sich bekannter
Weise die Zufuhr eines den Servomotor 3o antreibenden Druckmittels, dessen Kolben
31 mit der Leitkurve i verbunden ist und die Aufgabe hat, dieser die Bewegung in
Richtung des -Pfeiles -2 zu erteilen. Die beiden vom Schieber ?8 gesteuerten Abflußkanäle
32 und 33 münden in eine Leitung 3q., in welcher zur Abnahme eines Strömungsdruckes
ein Staurand 35 vorge-:eben ist. In Abflußrichtung vor dem Staurand 35 ist eine
Steuerdruckleitung 37' abgezwei-t, die in die Membrankammer 26 eininündet.
Der Staurand 35 ist so gewählt, daß in bekannter Weise der Strömungsdruck :ich quadratisch
mit der Durchflußmenge ändert: so daß der Druck in der Leitung 37' und in der lleinbrankainmerz6
dein Ouadrat der Abtlußmen,e und -damit dem Quadrat cler Geschwindigkeit des Kolbens
31 folgt. Die aus dein Servomotor 3o austretende Druckmittelmenge
ist
gleichbedeutend mit der Geschwindigkeit des Kolbens 31.
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In genau der gleichen Weise wird die vom Nachsteuermotor 14 kommende
Druckmittelmenge :durch einen Staurand 36 geleitet und der so gewonnene Strömungsdruck
vermittels einer Steuerdruckleitung 37 der Membrankammer 27 mitgeteilt, so .daß
also in dieser Membrankammer ein ,dem Quadrat der Geschwindigkeit des Nachsteuerkolbens
13 verhältnisgleicher Druck herrscht.
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Damit sich bezüglich der Abnahme eines Strömungsdruckes von der aus
dem Motor 14 kommenden Druckmittelmenge auch dann keine Schwierigkeiten ergeben,
wenn der Kolben während der Nachsteuerbewegung .seine Bewegungsrichtung umkehrt,
empfiehlt es sich, in Abweichung von der im Hauptpatent dargestellten Anordnung
den Motor 13, 14 nicht unmittelbar nach dem vom Strahlrohr i9 eingesteuerten Druck,
sondern unter. Zwischenschaltung eines sogenannten an sich bekannten Folgekolbens
38. zu steuern, der seinerseits einen Steuerschieber 3,9 verstellt. Von diesem führen
genau wie beim Steuerschieber 28 zwei Abflußkanäle in eine gemeinsame Abflußleitung
40, in welche der Staurand 36 eingesetzt ist.
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Nach einer einmaligen Einstellung der Vorspannung der Gegenfeder 29
wird bei irgendeiner Störung des Gleichgewichtes zwischen der Federkraft und der
Summe der beiden Steuerdrücke der Schieber 28 verstellt und damit die Summe der
Steuerdrücke so lange geändert, bis sich wieder Gleichgewicht ergibt, d. h. mit
anderen Worten, bis die Summe der Steuerdrücke wieder den einmal durch die Vorspannung
der Feder vorgeschriebenen Wert angenommen, hat. Eine Gleichhaltung der Summe der
Steuerdrücke in den Membrankammern 26, 27 bedeutet aber, wie aus folgender Überlegung
hervor geht, ein Gleichhalten der Geschwindigkeit, mit welcher der aus der Düse
3 austretende Druckmittelstrahl .die Steuerkante der Leitkurve i entlang fährt.
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Die Abtastgeschwindigkeit ergibt sich vektoriell betrachtet als .die
Summe S aus den beiden Geschwindigkeitskomponenten, nämlich der Nachsteuergeschwindigkeit
v1 und der Leitkurvenbewegungsgeschwindigkeit v2. Geometrisch gesehen ist nun der
Vektor der AbtastgeschwindigkeitS Hypotenuse in einem rechtwinkligen Dreieck mit
den Katheten v1 und v2, so daß die Summe der Quadrate der beiden Katheten gleich
dem Hypotenusenquadrat ist.
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Abb. 2 zeigt ein anderes Beispiel, bei welchem für die Bewegung der
Abtastdüse 3 einerseits und der Steuerkurve i andererseits nicht ein Druckmittelmotor,
sondern z. B. je ein Elektromotor vorgesehen ist, so daß die Steuergeschwindigkeiten
der Düse 3 und der Steuerkurve i nicht durch Abnahme eines Strömungsdruckes gemessen
werden können.
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Hier ist zwischen jeden der beiden Motoren 41 und 42 und die Abtastdüse
3 bzw. die Steuerkurve i je ein Übersetzungsgetriebe 43 bzw. 44 eingeschaltet, dessen
Übersetzung von. :dem Motor 13, 14 bzw. 30; 31 verändert wird. Dabei wird. davon
ausgegangen, daß die Antriebsmotoren 41, 42 mit gleichbleibender Drehzahl arbeiten.
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Mit der Abtriebswelle 45 bzw. 46 der beiden Übersetzungsgetriebe ist
je eine Gewindespindel 47 bzw. 48 verbunden, deren Spindelmutter 49 bzw. 5o die
AbtastdüSe 3 'bzw. den Kurvenkörper i trägt und derart geführt ist, daß eine Drehung
der Spindel 47 bzw. 48 eine axiale Verschiebung der Mutter 49 bzw. 5o verursacnt.
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Nach dem in Abb. i veranschaulichten Beispiel ist nun wesentlich,
daß von den Geschwindigkeiten der beiden Motoren je ein mit dem Quadrat der Geschwindigkeit
sich ändernder Impuls abgeleitet wird zu dem Zweck, um .diese beiden Impulse zu
addieren und ihre. Summe konstant zu halten. Für die Erzeugung eines mit dem Quadrat
der Geschwindigkeit veränderlichen Impulses dient die in Abb.3 veranschaulichte
Einrichtung, die sich im wesentlichen aus einem Fliehkraftpendel und einem Druckmittelkraftschalter
zusammensetzt. Das Fliehkraftpendel mit seinen Gewichten 54 52 wird
über zwei Kegelräder 53, 54 von der Abtriebswelle 45 bzw. 46 der beiden. Übersetzungsgetriebe
aus angetrieben, so daß also das Fliehkraftpendel mit seiner Umlaufgeschwindigkeit
der Umfangsgeschwindigkeit der Welle 45 (46) und damit der Geschwindigkeit der Abtastdüse
3 (K..txrvenkörper i folgt. Beim Steigen der Umlaufgeschwindigkeit drücken die Gewichte
51, 52 vermittels einer Stoßstange 55 stärker auf das Strahlrohr 56 eines Strahlrohrkrafts
!halters, das bei 57 mit einem Druckmittel gespeist wird. Das Strahlrohr 56 erfährt
eine Aufwärtsbewegung und beaufschlagt deshalb stärker die Auffangdüse 58, an welche
die Steuerleitung 37 angeschlossen ist. Diese führt (wie im Beispiel nach Abb. i)
zu der Membrankammer 27. Die gleiche Einrichtung ist auch für den Antrieb des Kurvenkörpers
i vorgesehen. Von diesem führt also sinngemäß die Leitung 37' zu der Membrankammer
26. Außerdem pflanzt sich der vom Strahlrohr 56 eingestellte Druck in eine Membrankammer
59 fort, deren Membran 6o eine Rückführkraft vermittels eines Stößels 61 auf das
Strahlrohr ausübt und in an sich bekannter
Weise dafür sorgt, daß
sich der Druck in 59 und 37 (37' ) stets verhältnisgleich der Fliehkraft-
der Gewichte 51, 52 ändert. Die Fliehkraft ihrerseits ändert sich quadratisch mit
der Drehzahl der Welle .1 .5 bzw. 46, d.11. ,ler Steuergeschwindigkeit der Abtastdüse
"; bzw. des Kurvenkörpers i.
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Bei dem Beispiel nach Abb.3 w-irl:t die Stoßstange 55 nicht unmittelbar
auf das Strahlrohr 56, sondern in an sich bekannter Weise auf .einen Gegenhebel
62 und einen in dessen Längsrichtung verschiebbaren Verhältnisschieber 63, durch
dessen Verlagerung das Übersetzungsverihältnis zwischen deni durch die Stange 55
ausgeübten Stfuerimpuls und- der Rückführkraft der :Membran 6o geändert werden kann,
wie es für .eine bequeme Einstellung und Anpassung an die jeweiligen Betriebsverhältnisse
'erwünscht .ist.
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Die Einrichtung nach Abb.3 sorgt also (lafür, daß der Druck in den
Steuerleitungen 37 und 37' sich genau so wie bei der Ausführung nach Abb. i quadratisch
mit der Geschwindigkeit der Abtastdüse -3 und des Kurvenkörpers i ändert. Dabei
ist bemerkenswert, daß der Druck in den SteucrIeitungen 37 und 37' unabhängig von
der Drehrichtun-- ist. Der übrige Aufbau ergibt sich ohne weiteres aus dem Beispiel
nach Abb. i. Der Motor 13, 1q. steuert die Übersetzung des Getriebes .I3
und der Motor 30,. 3, die übersetzung des Getriebes .I4. An die Stelle des
Steuerschiebers 28 nach Abb. z kann ein Strahlrohr 28' treten, dessen Steuerleitungen
zu dem Motor 30 führen, ohne dadurch an der Wirkungsweise etwas. zu ändern;
denn der Stimme der beiden Impulse 26 und 27 hält die Gegenfeder 29 genau so wie
bei der Anlage nach Abb. i das Gleichgewicht, sorgt also mit anderen Worten für
die Gleichhaltung dieser Summe und damit für die Gleichhaltung der Geschwindigkeit,
mit welcher der aus der Düse 3 austretende Strahl die steuernde Kante des Kurvenkörpers
i abtastet.