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Lichtelektrische Steuerungseinrichtung, insbesondere zur Steuerung
von Biege- und Torsionsprüfmasdiinen Es ist vielfach erforderlich, einen periodischen
Steuervorgang durch die periodische Bewegung eines geradlinig oder kreisförmig geführten
Körpers, z. B eines hin und her gehenden Kolbens oder eines Pendels auszulösen.
Zwecks Vermeidung von Kontakten wird diese Aufgabe zweckmäßig auf licht elektrischem
Wege gelöst. So sind z. B. lichtelektrische Steuervorrichtungen bekanntgeworden,
Ibei denen die Ablenkung des Lichtstrahles durch Spiegel erfolgt, die am Steuerkörper,
in diesem Falle am Pendel oder am hin und her gehenden Kolben, befestigt sind. Zu
diesem Zwecke wurden ebene Spiegel verwendet, die zum einfallenden Lichtstrahl schräg
angeordnet sind. Durch solche Spiegel soll also die Richtung eines Lichtstrahles
in Abhängigkeit von der momentanen Auslenkung des steuernden Körpers verändert werden.
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Durch die Anwendung ebener Spiegel, die an dem steuernden Körper
starr befestigt sind, läßt sich aber eine Richtungsänderung des Lichtstrahles nicht
erzielen; denn die Richtung des Spiegels bleibt bei einer geradlinigen
Bewegung
raumfest erhalten, also auch die Richtung der Spiegelnormalen gegen eine andere
vorgegebene raumfeste Richtung, die z. B. durch den einfallenden Lichtstrahl dargestellt
wird. Daher steht z. B. bei Verwendung von abbildenden optischen Hilfsmitteln das
Bild der den Lichtstrahl aus sendenden Lichtquelle trotz der Bewegung des Spiegels
fest im Raum. Mit diesem feststehenden Bild ist natürlich eine Steuerung insbesondere
mit einem einzigen Spiegel nach der Bewegungsphase bzw. die Wahl verschiedener Auslenkweiten
in Abhängigkeit von der Bewegungsphase nicht möglich.
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Bevor auf das Wesen der Erfindung näher eingegangen wird, soll vorerst
das eben Gesagte an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Beispieles näher erläutert
werden.
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Die Fig. I zeigt in prinzipieller Därstellung eine lichtelektrische
Steuervorrichtung unter Verwendung ebener Spiegel.
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Inder Fig. I ist deY den Lichtstrahl steuernde Körper mit M bezeichnet
und bewegt sich geradlinig oder auf einer näherungsweise durch eine Gerade darstellbaren
Kreisbahn in Richtung des Doppelpfeiles hin und her. Der von einer Lichtquelle L
über eine Blende und eine Optik OI und 02 gehende Lichtstrahl fällt hierbei auf
einen am Steuerkörper M befestigten schrägen, aber ebenen Spiegel S und wird von
diesem auf eine in der Bildebene des Spaltes B befindliche Auffangfläche F umgelenkt.
Die Stelle, an der der Lichtstrahl auf die Projektionsfläche F auffällt, ist mit
I bezeichnet. Bewegt sich nun der Spiegel um einen gewissen Betrag von der Stellung
1 in die Stellung II, so wird bei einem derartigen Spiegel die Richtung des Lichtstrahles
nicht geändert, weil der Spiegel die Aperturblende des aus den Linsen OI und 0 2
bestehenden Abbildungssystems darstellt.
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Wie hieraus ersichtlich, eignen sich derartige Spiegel nicht für
eine einfache Steurung elektrischer Antriebsmaschinen, da keine Lageänderung des
reflektierten Lichtstrahles in Abhängigkeit von der momentanen Auslenkung auftritt.
Wendet man den in der Fig. I dachförmigen Spiegel an, dann erfolgt zwar eine Richtungsänderung
des reflektierten Lichtstrahles, jedoch erst in dem Augenblick, in dem der Lichtstrahl
auf die Dachkante des Spiegels auftrifft und bleibt dann während der übrigen Bewegungsphase
wieder ständig unverändert. Jetzt könneii zwar zwei Fotozellen im großen Abstande
angeordnet werden, es ergibt sich aber hierbei der Nachteil, daß man keinen Einfluß
hat, die Fotozellen erst in einer bestimmten Phase der Bewegung, z. B. beim Endausschlag
des Steuerkörpers M einzuschalten. Mit derartigen Spiegelanordnungen sind nur sprunghafte
Steuerwirkungen auslösbar.
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Es ist bekannt, in Verbindung mit Fotozellen bewegte gekrümmte Spiegel
zum Zwecke der Lichtbündelung zu verwenden.
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Erfindungsgemäß werden diese Nachteile dadurch beseitigt, daß zwischen
Lichtquelle und Fotozelle an Stelle der ebenen Spiegel in der Bewegungsrichtung
des zu steuern den Gegenstandes gekrümmte Spiegel oder spiegelnde Flächen auf dem
bezüglich seiner Hinundherbewegung zu steuernden Körper angeordnet sind. Bei einem
solchen Spiegel ist der Winkel zwischen der Normalen und der Richtung des einfallenden
Lichtes in Abhängigkeit von der Auslenkung des Steuerkörpers ständig veränderlich.
Solche Flächen sind z. B. Kreiszylinder, elliptische oder andere Zylinder oder auch
doppelt gekrümmte Flächen, wie Kugelflächen oder Flächen höheren Grades. Ein auf
diese Art gesteuerter Lichtstrahl' vollführt beliebig stetige Steuerbewegungen,
z. B. die gleichen Pendelungen, wie ein z. B. am ebenen fest angeordneten Drehspiegel
reflektierter Lichtstrahl, d. h. die geradlinige Bewegung des Steuerkörpers 91 wird
auf die Drehbewegung eines ebenen Spiegels zurückgeführt. Das Prinzip der Erfindung
sowie ein praktisches Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lichtsteuerungseinrichtung
für die Steuerung einer Biege- und Torsionsprüfmaschine ist in der anliegenden Zeichnung
dargestellt. Auf weitere Merkmale der Erfindung wird an geeigneten Stellen der Beschreibung
der dargestellten Ausführungsbeispiele hingewiesen.
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Die Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung eine Steuerungseinrichtung
gemäß Fig. 1, jedoch unter Anwendung eines gekrümmten Konkavspiegels S'. Der von
einer Lichtquelle L ausgehende Lichtstrahl fällt durch eine Spaltblende-B auf den
gekrümmten Spiegel s, und wird auf eine an der Stelle I angeordnete Fotozelle reflektiert.
Bewegt sich nun der Steuerkörper aus der Stellung I um den gleichen Betrag wie beim
Beispiel in Fig. I in die Stellung II, dann wird der Lichtstrahl in Richtung auf
den Punkt 2' reflektiert.
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Wie hieraus ersichtlich, ist der Abstand der Punkte I' und 2' bei
Anwendung gekrümmter Spiegel von endlichem Betrage. Wie aus diesem Beispiel ferner
ersichtlich, ist die Ablenkung des Lichtstrahles nicht sprunghaft, sondern kontinuierlich,
wie bei Anwendung eines am Ort des Körpers M gedachten ebenen Drehspiegels.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann man mit Hilfe von Spiegeln
mit variabler Krümmung willkürliche Steigerungen oder Verminderungen der Geschwindigkeiten
des abgelenkten Lichtstrahles in Abhängigkeit von der Phasenlage des Steuerkörpers
erzielen.
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Einige extreme Spiegelformen sind in den
Fig. 3 a
bis 3d dargestellt. Ein nach den Fig. 3a und 3c gekrümmter Spiegel mit stark seitlichen
Krümmungen zieht die Extremlagen stark auseinander und gestattet daher dort eine
genaue Auswahl der Bewegungsphase auf Bruchteile von Winkelgraden. Ein nach Fig.
3 b oder 3d geformter Spiegel zieht die Gebiete um den Nulldurchgang stark auseinander,
so daß die Phasenlage in der Mitte der Pendelbewegung leicht ausgewählt werden kann.
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Ein praktisches Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen
Steuerung ist in Fig. 4 dargestellt, wobei die Erfindung zur Steuerung einer Biegeschwingungsprüfmaschine
verwendet wird. Hierbei ist der den Lichtstrahl ablenkende Spiegel 5' direkt an
dem zu prüfenden, einseitig eingespannten Stab St befestigt, und zwar zweckmäßig
am unteren Ende desselben. Der Spiegel ist ferner zweckmäßig an einer Zusatzmasse
M angeordnet, die als Anker für die elektromagnetische Antriebseinrichtung dient.
Die Antriebseinrichtung besteht aus zwei Magneten 1" und 2", deren Erregung lichtelektrisch
durch den von ihnen in Schwingung versetzten Prüfstab selbst, z. B. über Stromrichter
gesteuert wird. Durch die Verwendung verschiedener Spiegel hat man es nunmehr in
der Hand, die für die Aufrechterhaltung der Pendelschwingungen notwendige Einschaltdauer
der Magnete der Stärke der zu prüfenden Prüfstäbe anzupassen, und zwar derart, daß
bei dünnen Stäben die Einschaltung der Elektromagnete ganz kurzzeitig in den Endphasen
der Schwingung, bei dicken Prüfstäben dagegen die Einschaltung länger und bereits
nach dem Nuildurchgang erfolgt.
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In weitererAusgestaltung der Erfindung wird die Anwendung der erfindungsgemäßen
Lichtsteuereinrichtung zur Steuerung einer kombinierten Biege- und Torsionsprüfmaschine
beschrieben. Die Fig. 5 zeigt in schematischer Darstellung in Draufsicht die Anordnung
der Antriebsmagnete im Verhältnis zum Prüfstab St. Die Magnete I" und 2" verursachen
durch Einwirkung auf die Zusatzmasse iii die Biegeschwingungen des Prüfstabes. Die
abwechselnde Einwirkung der Magnete 3 und 4 einerseits und 5 und 6 andererseits
auf die Zusatzmasse M ruft Drehschwingungen hervor, so daß der Prüfstab auf Verdrehung
beansprucht wird. Die Einschaltung der Magnete für die Biegungsbeanspruchung wie
auch für die Torsionsbeanspruchung erfolgt gemäß der weiteren Erfindung durch einen
einzigen gekrümmten Hohlspiegel, dessen Spiegelnormale unter 450 zur Achse des Prüfstabes
geneigt ist. Diese Anordnung ist in perspektivischer Ansicht in Fig. 6 dargestellt,
wobei der Spiegel 5' der prinzipiellen Darstellung wegen aus der Zusatzmasse M herausgeschnitten
ist. Die Lichtquelle L und der einfallende Lichtstrahl sind nun so angeordnet, daß
im Ruhestand der reflektierte Lichtstrahl ungefähr nach dem Punkts fällt. Wird der
Stab auf Biegeschwingungen beansprucht, dann werden die Antriebsmagnete 3 bis 6
ausgeschaltet und nur die Magnete I" und 2" gesteuert. Bei der nun folgenden Pendelbewegung
bewegt sich - der reflektierte Lichtstrahl vom Punkt O aus nach den Punkten I und
2, und zwar auf einer Kreisbahn, die senkrecht zum einfallenden Lichtstrahl liegt.
Wird dagegen der Stab auf Torsion geprüft, dann werden nur die Antriebsmagnete 3
bis 6 eingeschaltet und der Zusatzmasse M ein Anstoß für eine Drehschwingung erteilt.
Durch die Bewegung der Zusatzmasse und damit des Spiegels S um die Achse des Prüfstabes
wird der einfallende Lichtstrahl in eben derselben Weise abgelenkt, so daß sich
auch jetzt der Punkt 0 nach den Punkten I und 2 bewegt. Durch diese Anordnung des
Spiegels können ,die Fotozellen an den Stellen I und 2 für beide Zwecke verwendet
werden.
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Die Anwendung der Erfindung ist nicht nur auf das dargestellte Beispiel
beschränkt. So ist es denkbar, auch andere Materialprüfmaschinen und vor allem Werkzeugmaschinen
mit der erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung auszurüsten. Auch für die Steuerung
der - Aufzeichnungseinrichtungen von Indikatoren u. dgl. dürfte die Erfindung geeignet
sein.
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PATENTANSPRSCHE: I. Lichtelektrische Steuereinrichtung mit einem
Spiegel im Strahlengang zwischen Lichtquelle und Fotozelle, dadurch gekennzeichnet,
daß das Licht von dem in der Bewegungsrichtung gekrümmten Spiegel, der auf dem hinsichtlich
seiner Hinundherbewegung zu steuernden Körper angeordnet ist, durch dessen Bewegung
in unterschiedlichen Richtungen auf eine oder mehrere Fotozellen reflektiert wird
und unterschiedliche Steuerwirkungen auslöst.