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Steuerung von Werkzeugen an Arbeitsmaschinen Im Hauptpatent 696 80q.
ist eine Steuereinrichtung für den elektrischen Antrieb von Arbeitsmaschinen beschrieben,
die es gestattet, ein Werkstück in Übereinstimmung finit einer Vorlage zu bringen.
Es werden im allgemeinen zwei Hauptarten von spanenden Kopiermaschinen unterschieden.
Bei dere ,inen Art wird das Werkstück (bzw. Werkzeug) und die Vorlage in, einer
Richtung mit gleichförmiger Geschwindigkeit dauernd bewegt und in einer zweiten
zur ersten quer oder radial stehenden Richtung vom abtastenden Glied gesteuert.
Bei der zweiten Art steuert das abtastende Glied beide Bewegungen und erzeugt so
eine treppenförmige Stufung an der Werkstückoberfläche. Das Hauptpatent bezieht
sich auf die zweite Art. Als Vorlage dient eine Reihe von Zeichnungen, .die aufeinanderfolgende
Ebenenschnitte darstellen und aneinandergesetzt die körperliche Darstellung ergeben.
Das Abtasten der Zeichnungsstriche erfolgt mittels einer lichtempfindlichen photoelektrischen
Zelle, welche gemäß dem Hauptpatent die Vorschubkupplungen ein- und ausschaltet.
Damit es möglich wird, mit der abtastenden Photozelle stetig einer gekrümmten Linie
zu folgen, ist es notwendig, daß in den verschiedenen Ouadranten bzw. Abschnitten,
in die sich eine in sich geschlossene Umrißlinie (Ebenenschnitt) einteilen läßt,
die Vorschübe verschiedene Richtung haben. Das Umschalten der Vorschubrichtungen
erfolgt, wie im Hauptpatent angegeben, z. B. mit besonderen Marken auf der Zeichnung,
die an den Stellen liegen, von wo aus neue Vorschubrichtungen gelten und mittels
einer zusätzlichen Photozelle, oder aber auch, nach dein Zusatzpatent 7186ro, durch
kontinuierlichesVerdrehen des Zellenträgers mittels zwei vor und hinter der Abtastzelle
laufenden Hilfszellen. Schließlich ist eine Kompensation des Durchmessers cles Fräsers
bekannt, bei der der Pantograph, der die abbildgleiche Bewegung zwischen Fräser
und Photozellenträger vermittelt, au dem drehbar angeordneten Zellenträger befestigt
ist und wobei der Abstand zwischen Befestigungspunkt des Pantographen und Tastzellenmittelpunkt
gleich dem Fräserradius unter Berücksichtigung des Maßstabes
zwischen
Zeichnung und Werksdick jrhalten wird.
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Diese Kompensation hat jedoch den 1@tc@iteil, daß der kleinste zu
umfahrende Krüniniungslialbinesser durch den Abstand der zwei Drehzellen vor und
hinter der- Hauptzelle bestimmt ist und einen bestimmten Ra,lius nicht unterschreiten
kann. Die Größe des kleinsten Radius kann je nach der Licht-'eInpfindlichkeit und
damit nach der Lichtöffnung der Zelle erhebliche Werte annehmen.
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Dieser Nachteil wird nun erfindungsgemäß dadurch vermied n, daß die
die Umrißliriie abtastende photoelektrische Zelle nicht mehr stetig der Umrißlinie
entlang läuft, sondern eine periodisch kreisende Bewegung ausführt. so daß immer
nur beim Beriihren der kreisen-(1211 Zelle mit der Unirißlinie Stroininlptilsv zur
Steuerung des Vorschubes gegeben werden. Der Durchmesser des Rotationskreises der
;Photozelle ist gleich dein Fräserdurchrnesser, wenn die Zeichnung mit der wirklichen
Gröle a es Arbeitsstückes übereinstimmt. Er ist entsprechend dem Maßstab zwischen
Arbeitsstiick und Z2iclinting kleiner oder gröber, falls die Zeichnung nicht in
natürlicher Größe ausgeführt ist. Die Stromimpulse, die beim Berühren des kreisenden
Lichtspaltes mit der Unirißlinie entstehen, werden von einer Kontaktscheibe, dem
sogenannten Sektorwä hier, weitergegeben, der synchron .die Drehungen ausführt,
die die Fräse beine Unilaufen uni das Werkstück bzw. die Photozelle beim Abtasten
der U mrißli.nie mitzumachen hat. Der Sektorwähler ist in vier oder mehr Sektoren
,eingeteilt, so daß beim Rotieren der Fräse um das Werkstück abwechselnd jeder der
Sektoren stromschlüssig wird. Je nach der Winkelstellung, in welcher die Berührung
des Rotationskreises des Lichtträgers mit der Zeichnungskontur erfolgt, fließt über
einen der Sektoren ein Stromstoß, welcher zur Herbeiführung der in dieseln Augenblick
erforderlichen Vorschubrichtung oder Vorschubgeschwineligkeit dient, lind welcher
durch Steuerung eines zweckmäßig hinter dem Sektor angeordneten Verzögerungsrelais
in einen über die Zeitdauer des Arbeitens in dein betreffend eii Sektor anhaltenden
Dauerstromstoß umgewandelt werden kann.
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An Hand der Fig. i bis 5 der Zeichnung wird -nachstehend die Einrichtung
in schematischer Darstellung und ihre Wirkungsweise näher beschrieben.
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Gemäß Fig. i besteht die Abtastvorrichtung aus einem Gerät, in dein
die photoelektrische Zelle und ein um den Punkt 9 rotierender Spalt io angeordnet
sind, welch letzterer durch eine Lichtduelle- beleuchtet wird und auf der Zeichnung
einen Lichtfleck erzeugt. Dies°r Spalt hat eine rechteckige oder noch zweckmäßiger
eine linsenförmige Form. Das von der Zeichnung re$jektierte Licht fällt auf die
Photozelle, die derart geschaltet ist, daß 1iei Verdunkeln des Spaltes und damit
bei Wegfall des reflektierten Lichtes infolge eines durch den Spalt berührten Zeich-!iungsteiles
eine Relaisbetätigung erfolgt. Der l,Zaclius des vorn Spalt io beschriebenen Kreises
ist verstellbar und ist entweder gleich dem Radius der Fräse oder besitzt eine entsprechend
dem {'bertragungsverhältnis veränderte Größe. Rotiert der Spalt io uni den Punkt
9, so findet bei Annäherung des von ihm beschriebenen Kreises an die Kurve r i in
einem bestimmten Augenblick eine Berührung der Kurve ii durch den Spalt io statt.
Durch diese Berührung wird sowohl die Tatsache der Annäherung signalisiert als auch
der Ort auf dem Kreisuinfanr, der durch den Spalt beschrieben wird. Ini vorliegenden
Falle ist der Kreis in acht Sektoren (i bis (N) unterteilt, die den acht Sektoren
des Kontaktapparats (Sektorwählers) entsprechen. Die Berührung findet bei der links
oben gezeichneten Lage iin fünften, bei der rechts unten gezeicliiieten Lage (Fig.
i) iin achten Sektor statt. Die @'erclunkelung des Spaltes wird nun dazu benutzt,
die Bewegung der Fräse zii ändern; das Eintreten dieses Ereignisses in einem bestimmten
Sektor des Kontaktapparates wird dazu verwendet, die ieweils erforderliche Be-.vegungsrielitung
der Fräse zti bestimmen. Es sind somit grun"ls:itzlicli die Voraussetzungen erfüllt,
uni eine Kurve v(>11-ständig zu umfahren.
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Grundsätzlich würden für das Unifahren einer Kure vier Sektoren genügen,
uni die Richtung der Fräse jeweils umzusteuern, wenn der Spalt io die Kurve ri berührt.
1's zeigt sich jedoch, daß in '(`bergangsgelüeten von einem O_uadranten in den anderen
Schwierigkeiten eintreten können, die zti einer teilweisen Fehlfräsung führen können.
Derartige Fehler können durch die Aufteilung des Sektorwählers in acht Otiadranten
grundsätzlich vermieden werden. Es zeigt sich nämlich. daß die vier Relais und die
vier Bewegitngsmöglichlzeiten der Fräse ausreichen, i um acht Bewegungsrichtungen
durch- bzw. herbeizuführen. lin Diagramm (Fi-g. 2) ist die!lrbeitsw<.ise der
vier verwendeten Relais angedeutet. Relais I steuert, wenn der Spalt io bei seinem
Umlauf keine Kurve berührt, die Frise nach rechts: sobald der Spalt die Kurve berührt,
nach oben. Analoge Umsteuerungen in anderen Richtungen bewirken die Relais I1-IV,
je nachdem der Spalt die Kurve nicht berührt (hell) oder die Kurve trifft (dunkel).
Das Wesen der Steuerung besteht nun darin,
daß der innerhalb eines
gewissen Sektors auftretende Steuerimpuls nicht immer nur eines der -Relais I-IV'
steuert, sondern auch Paare dieser Relais. Die hieraus sich ergebenden Kombinationen
sind im Diagramm gemäß Fig.3 zusammengestellt. Erfolgt die Verdunkelung im Sektor
i, so werden die Relais HI und IV eingeschaltet. Die Folge davon ist (Fig.3), daß
beim Zustand hell die Fräse gleichzeitig eine Aufwärts- und eine Linksbewegung ausführt.
Die resultierende Bewegung verläuft infolgedessen in einem Winkel von q.5° gegenüber
der Horizontalen. Es leuchtet ohne weiteres ein, daß durch diese kombinierten Relaisbewegungen
vier weitere Richtungen herbeigeführt werden können. Als 171-gebnis dieser acht
Möglichkeiten ergibt sich ein Umlaufen der Kurve nach Fig. d.. Der Einfachheit halber
ist hier eine Kreiskurve 1 i aufgezeichnet, die vom rotierenden Spalt 1o abgetastet
wird. Der Mittelpunkt g des vom Spalt umschriebenen Kreises und damit der Mittelpunkt
der Fräse verläuft nun, wie aus der Figur zu ersehen ist, in einer Zickzacklinie.
Die Zickzacklinie ist im vorliegenden Beispiel übertrieben groß dargestellt. In
Wirklichkeit sind es Bruchteile von Mill-imetern, wie sich aus der vorangehenden
Genauigkeitsbetrachtung ergibt. Es zeigen sich beim Umlaufen der Kurve 8 verschiedene
Treppenarten, wobei bemerkenswert ist, daß in den Übergangsgebieten von einem Sektor
zum arideren beide benachbarten Gangarten richtig sind, d. h. ein fälschliches Einfräsen
in das Material oder ein Weglaufen von der Leitkurve ausgeschlossen ist. Die Tatsache,
claß bei einer Bewegung 'Im-45' gegenüber rler Horizontalen oder Vertikalen die
Geschwindigkeit der Fräsbewegung das 7-uveifache der Horizontal- bzw. Vertikalsteuerung
beträgt, stellt keinen Nachteil dar.
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Fig.5 zeigt ein Schaltungsschema der Steuereinrichtung nach der Erfindung.
Der Übersichtlichkeit halber sind nicht alle erforderlichen elektrischen Leitungen
eingezeichnet, sondern nur diejenigen, die zum Verständnis des Zusammenwirkens .der
einzelnen Teile der Steuerung erforderlich sind. Mit 1-: ist der Träger des Spaltes
bezeichnet, der die Rotation des Spaltes um die Drehaclismitte und Verstellung des
Spaltabstandes von der Drehachsmitte gestattet. Von dem Transformator 13 wird der
Speisestrom für die Lampe geliefert, die den Spalt beleuchtet und .die in dem Gerät
14 untergebra.cht ist. Das Gerät 1d., in dem sich auch die photoelektrischen Zellen
befinden, ist mit dem Steuerverstärker 15 verbunden. Der Verstärker 15 steuert über
das Vorrelais 16 das Hauptrelais 17; welches anspricht, sobald der Spalt durch ein
Kurvenstück verdunkelt wird. Das Hauptrelais 17 hat zwei Aufgaben zu erfüllen, nämlich
erstens die Steuerung der Sektorrelta2is I-IV und zweitens sie Umsteuerung der Fräse,
je nachdem der Spalt in die Kurve ein- oder aus einer solchen austritt. Die Betätigung
der Sektorrelais I-IV erfolgt von .dem Hauptrelais 17 aus über den Kontaktapparat
(Sektorwähler 18). Dieser besteht aus einem Kontaktarm ig, der über vier Kontaktsegmente
20, 21, 22, 23 läuft. Diesen vier Kontaktsektoren sind die Relais I-IV zugeordnet.
Steht in dem Augenblick, da das Hauptrelais 17 infolge Verdunkelung des Spaltes
anspricht, der Kontaktarm, der selbstverständlich mit dem Spalt synchron laufen
muß, auf dem Sektor 5, wie bezeichnet, so spricht sowohl das Relais I als auch das
Relais II an. Diese Relais sind mit einem Ilaltekontakt verbunden, so daß sie in
dieser Lage bleiben. Sind die Relais I und II eingeschaltet, so ergibt hell eine
Bewegung nach rechts unten und dunkel eine Bewegung nach rechts oben nach Fig. 3.
Um diese Steuerungen durchzuführen, muß das Hauptrelais das Steuerrelais 24 betätigen.
Dieses letztere ist mit einer Rücklaufverzögerung ausgerüstet, da selbstverständlich
die Umsteuerung der Fräse längere Zeit erfordert, als die Berührung zwischen Spalt
und Kurve währt. Der Bewegungssinn, der beim Ansprechen des Steuerrelais 24 sich
ergibt, wird, wie bereits erwähnt, durch die Sektorrelais I-IV bestimmt, über deren
Kontakte der Sekundärkreis des Steuerrelais 24 geführt ist. Mit 25, 26, 27, 28 sind
die vier Kupplungen bezeichnet, welche die vier durch Pfeile angedeuteten Grundbewegungen
der Fräse einzeln oder die vier kombinierten Bewegungen herbeiführen.
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Um die mit Haltekontakten versehenen Sektorrelais I-IV wieder in Ruhelage
zu bringen, wenn die Spaltverdunkelung in einem benachbarten Sektor eintritt, müssen
die Haltestromkreise der Relais I-IV bei jeder Betätigung des Hauptrelais 17 unterbrochen
werden, so daß nur dasjenige Sektorrelais betätigt bzw. in Ansprechlage bleibt,
dessen zugehöriges Sclialtseginent mit dem Kontaktarm in Verbindung steht, sobald
das Haupt- i relais anspricht.
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Eine Störung kann dann auftreten, wenn bei einem Umlauf des Spaltes
die abzutastende Kurve nicht nur einmal, sondern zweinlial geschnitten wird, weil
dann von einem gewissen Zeitpunkt ab nicht nur zwei benachbarte, sondern zwei nicht
benachbarte Relais bei einem Umlauf ansprechen. Tritt eine solche Störung auf, so
wird ein Alarmgeben 2g in Tätigkeit gesetzt und unter Umständen auch die Fräse sofort
zum Stillstand gebracht.
Für die Überwachung des Betriebes dient
der Sektorrückmelder 30, welcher jederzeit festzustellen gestattet, in welcher Sektorstellung
sich die- Relaisgruppe I-IV befindet. Der Sektorrücknielcler ist mit einem Zifferblatt
ausgerüstet und besitzt acht von der Rückseite her beleuchtete Sektorfelder entsprechend
den Sektoren des Kontaktappar ate. Die Schaltverbindungen des Rückmelders mit den
Relais 1-IV sind so ausgeführt, daß stets derjenige Sektor, in dem gearbeitet wird,
beleuchtet wird. Der Sektorrückmelder gestattet ferner, die Phase zwischen Spaltträger
und Kontaktarm leicht einzustellen und zu überwachen. Bei raschem Umlauf des Spaltträgers
besteht außerdem die 1Iöglichkeit. daß clie Relais mit einer gewissen Verzögerung
ansprechen. Da diese Verzögerung eine gewisse Konstanz aufweist, kann ihre Wirkung
dadurch unschädlich gemacht werden. daß die Phase des Kontaktarmes gegenüber ,lern
Lichtträg; r verschoben wird. Auch die Einregelung dieser Verschiebung ist an Hand
des Sektorrücktnelders ohne weiteres möglich. Zu diesem Zweck ist an dem Spaltträger
nur eine irgendwie geeichte Zeichnung vorbeizuführen, wobei beim Übergang von einem
Sektorgebiet in das andere auch vom Sektorrückmelder dieser Übergang richtig angegeben
wird. Etwa auftretende Fehler können durch Phasenverstellung des Kontaktarme beseitigt
werden.