Automatische Kurvenabtasteinrichtung Gegenstand vorliegender Erfindung ist eine auto matische Kurvenabtasteinrichtung mit einem Träger für eine die funktionelle Beziehung zwischen zwei Grössen definierende Kurvenlinie und einer relativ zu diesem Träger beweglichen Abtastvorrichtung.
Derartige Kurvenabtastsysteme bilden eine we sentliche Grundlage zur automatischen Steuerung von Fertigungsanlagen, wie Werkzeugmaschinen, Anlagen zur Herstellung von chemisch-technischen Produk ten oder Klimaanlagen, um nur einige wesentliche Beispiele zu nennen.. Aber auch zur theoretischen Analyse von empirisch gewonnenen, durch einen Schreiber aufgezeichneten Beziehungen zwischen zwei Grössen mit Hilfe von Analogierechenmaschinen, bei spielsweise zur Fourieranalyse oder zur Zerlegung in andere Komponenten, verwendet man mit Vorteil solche Kurvenabtastsysteme.
Es ist leicht einzusehen, d'ass für mechanische Ab tastsysteme zuerst die betreffende Funktionskurve durch ein mechanisches Organ, beispielsweise einen gebogenen Draht oder eine Kurvenscheibe, realisiert werden muss, damit man die Kurvenform durch einen Fühler mechanisch abtasten kann.
Es sind auch optisch-elektrische Abtastsysteme bekannt, bei welchen die optische Differenzierung der Kurvenlinie gegenüber ihrem Umfeld dazu aus genützt wird, um ein optisch-elektrisches Abtast- system mit Differentialphotozellen der Kurve ent lang zu führen. Derartige optisch-elektrische Systeme zeigen befriedigende Ergebnisse, wenn im Durch leuchtungsverfahren, also mit Filmen als Funktions träger, gearbeitet wird. Es wäre aber wünschenswert, eine auf Papier gezeichnete Kurve automatisch ab tasten zu können.
Bei optisch-elektrischen Kurvenabtastsystemen, die nach dem Reflexionsverfahren arbeiten, zeigt sich nun der Nachteil, dass die Erzielung eines ausrei chenden Kontrastes zwischen der Reflexionsfähigkeit von gebräuchlichen Tinten oder Tuschen und der Reflexionsfähigkeit der Papiergrundfläche nicht leicht ist, so dass man sich entsprechend starker Lichtquellen und Kunstschaltungen der Photozellen- strom-Verstärkeranordnungen bedienen muss. Ganz allgemein sind solche optisch-elektrische Kurven abtastsysteme kompliziert, schwer und störungs- anfällig.
Gemäss vorliegender Erfindung ist nun vorge sehen, dass die Abtastvorrichtung als Differential- kondensator ausgebildet ist, dessen elektrische Feld verteilung durch die die Kurvenlinie bildende Mate rieschicht als Bestandteil dieses Kondensators be einflusst wird. Es können ohne Schwierigkeiten Schreibtinten verwendet werden, deren Material ent weder eine metallisch leitende Strichschicht (z. B.
Silberpulvertinten) oder eine Strichschicht von extrem hoher Dielektrizitätskonstante erzeugt, so dass in beiden Fällen durch die Strichschicht eine entspre chende wirksame Beeinflussung des elektrischen Feldes im Differentialkondensator erzielt werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nach stehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen kapa- zitiven Abtastkopf und der schematisch dargestellten äussern Schaltung, Fig. 2 einen Schnitt durch den Tastkopf nach der Linie 11-II von Fig. 1, Fig.3 eine Variante zu der Anordnung nach Fig. 1, Fig. 4 eine weitere Ausbildung des Tastkopfes und der angeschlossenen Stromkreise,
Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Kurvenabschnitt mit in Fehllage eingezeichnetem Zentrum A des Ab tastkopfes gemäss Fig. 2 oder 4, Fig. 6 eine schaubildliche Prinzipdarstellung einer vollständigen Abtasteinrichtung, Fig.7 eine nach Fig.6 arbeitende Einrichtung im Grundruss, Fig.8 eine nach Fig.6 arbeitende Einrichtung im Aufriss, Fig. 9, 10 eine vereinfachte Einrichtung im Grundruss und Aufriss.
Gemäss den Fig. 1 und 2 ist vorgesehen, dass ein Tastkopf 1 zwei in einer Isolierstoffmasse 14 einge bettete, im Querschnitt dreieckförmige Elektroden körper 11 und 12 enthält, die symmetrisch zur Trenn ebene S-S (Fug. 2) eingebaut sind.
Die voneinander elektrisch isolierten Elektrodenkörper 11, 12 sind an die in der Mitte geerdete Sekundärwicklung 22 eines übertragers 20 angeschlossen, dessen Primärwicklung 21 an einen Wechselspannungsgenerator G ange schlossen ist, so dass die in einer Ebene gelegenen Unterseiten der beiden Elektroden 11, 12 Belegungen eines ebenen Kondensators bilden, an deren einer die Spannung -f- Ug # sin (,)
t und an deren anderer Belegung die Spannung -Ug <I>-</I> sin <I>out</I> angelegt ist. Diesen beiden dreieckförmigen Kondensatorbelegun- gen liegt als dritte Belegung eines Differentialkon- densators die Oberseite einer Metallschiene 2 ge genüber, welche über einen Resonanzschwingkreis K an Erde angeschlossen ist.
Auf der Schiene 2, das heisst zwischen der Un terseite des Tastkopfes 1 und der Oberseite der Schiene, ist ein Papierband 3 eingelegt, auf welchem eine Kurvenlinie 4 aufgezeichnet ist, die entweder aus einer metallisch leitenden Masse besteht, indem sie z. B. mit Silbertinte gezeichnet worden ist, oder aber aus einem Material mit besonders hoher Di- elektrizitätskonstante besteht (beispielsweise einer Kunstharzmasse).
In beiden Fällen wird die Spannung e am Schwingkreis K nur dann den Wert 0 haben, wenn die Mittelachse A des Tastkopfes 1 diese Strich schicht 4 in der Mitte durchsticht. Wenn aber dies nicht der Fall ist (siehe Fig. 1 und 2), entsteht am Schwingkreis K infolge der asymmetrischen Feld beeinflussung im Kondensatorsystem durch die Strichschicht 4 eine Steuerspannung E sin o)t, wo bei das Vorzeichen dieser Spannung, das heisst ihre Phasenlage, von der Richtung der Ablage der Strich schicht 4 gegenüber dem Zentrum A abhängig ist,
während ihre Amplitude E, das heisst ihre Grösse, vom Mass dieser Fehleinstellung abhängt.
Aus Fig. 2 ist leicht ersichtlich, dass die Länge desjenigen Strichstückes, welches im Bereich der einen oder andern der dreieckförmigen Belegungen 11 oder 12 liegt, mit zunehmender Ablage Ay aus dem Zentrum A vom Wert 0 aus proportional zu nimmt. Um dies zu erreichen, haben die beiden Be legungen 11, 12 die Form von Dreiecken, deren Spitzen sich im Zentrum A beinahe berühren. Es wird dadurch erreicht, dass die Amplitude @ der Steuerspannung E mit zunehmender Ablage ly grösser wird, während sie praktisch Null ist, wenn sich das Zentrum A des Abtastkopfes über der Strichmitte befindet.
Eine derartige Steuerspannung eignet sich zur Steuerung eines tachometrisch gegengekoppelten Servoantriebssystems mit dem Verstärker SV, dem Motor<I>SM</I> und dem durch die Abtriebswelle 5 des Motors<I>SM</I> angetriebenen Tachometergenerators <I>TG.</I> Die Ausgangsspannung dieses Tachometer- generators TG wird dabei in einem Addierglied <I>SA</I> zur Steuerspannung s addiert und die im Verstärker SV verstärkte Summe dieser Spannungen wird als Steuerspannung F dem Motor<I>SM</I> zugeführt.
Es ist gemäss den Fig. 1 und 2 der Einfachheit halber angenommen, dass ein Träger 10 des Tast- kopfes ein Innengewinde aufweise, welches mit dem Aussengewinde der als Leitspindel ausgebildeten Mo torwelle 5 in Eingriff steht, so dass durch Drehen der Spindel 5 der Tastkopf 1 in einer zu dessen Symmetrieebene S-S senkrechten Richtung y-y, verschoben wird.
Diese Verschiebung erfolgt mit um so grösserer Geschwindigkeit, je grösser der Ein stellfehler Ay des Tastkopfzentrums A zur Mitte der Strichschicht ist und in derjenigen Richtung die eine Verminderung dieses Einstellfehlers Jy ergibt.
Wenn also das Papierband 3, auf welchem eine Strichkurve 4 aufgezeichnet ist, welche die Funktion zwischen einem Abszissenwert x und einem Ordina- tenwert y darstellt, durch irgendwelche Antriebs organe in der Abszissenrichtung, das heisst in bezug auf Fig. 1, senkrecht zur Zeichenebene bewegt wird, so folgt der Tastkopf 1 bzw.
dessen Zentrum A, automatisch den Veränderungen des y-Wertes. Da die momentane Drehstellung der Spindelwelle 5 unter diesen Umständen dem durch die Kurve für den entsprechenden Abszissenwert x zugeordneten Ordi- natenwert y = f (x) entspricht, bestehen keinerlei Schwierigkeiten, um sowohl die Abszissenwerte x als auch die zugehörigen Ordinatenwerte y (x) mit Hilfe elektrischer Fernübertragungssysteme an anderer Stelle auszuwerten,
sei es im Sinne einer Programm steuerung oder im Sinne einer Analyse der durch die Kurve bestimmten Beziehungen y = f (.r) einer Rechenanlage.
Gemäss den Fig. 3 und 4 ist vorgesehen, dass eine als metallischer Leiter ausgebildete Strichschicht 4 an den einen Pol einer Wechselspannungsquelle G an geschlossen ist, wobei ihm die Unterseite des Tast- kopfes 1' gegenübersteht.
Der Tastkopf 1' weist hier ausser den beiden dreieckförmigen Belegungen 11, 12, deren gegeneinander gerichtete Spitzen annähernd im Zentrum A liegen und symmetrisch sowohl zur Trennebene S-S als auch zu der dazu senkrechten Diametralebene D-D ausgebildet sind, noch zwei weitere Belegungen 13, 14, die ebenfalls symmetrisch zur gesamten Diametralebene D-D, aber in bezug auf die Ebene S-S asymmetrisch, und zwar gemäss Fig. 4 trapezförmig, ausgebildet sind.
Nach den Fig. 3 und 4 sind sowohl die Belegun gen 11 und 12 als auch die Belegungen 13 und 14 an die Enden je einer in der Mitte geerdeten Über tragerwicklung 23 bzw. 24 angeschlossen, so dass in den Schwingkreisen Ka bzw. Ka Steuerspannungen f bzw. ss induziert werden.
Genau gleich wie nach den Fig. 1 und 2 entspricht auch hier die Steuerspan nung e in ihrem Vorzeichen der Richtung und in ihrer Amplitude der Grösse der Ablage des Striches 4 vom Zentrum A, während die Steuerspannung ss durch ihre Phasenlage die Richtung und durch ihre Amplitude die Grösse der Winkelabweichung<I>da</I> zwischen der Strichrichtung und der Richtung der Ebene S-S kennzeichnet. Wie diese Steuerspannungen a und 6 ausgewertet werden können, soll anhand von Fig. 6 erläutert werden. Vorher sei noch Bezug genommen auf Fig. 5.
Sie stellt eine Kurvenlinie 4 in einem kartesischen Koordinatensystem x-y dar. Ein Tastkopf ist im Darstellungsfeld durch sein Zentrum A und die ge nannten Ebenen S-S und D-D dargestellt, und es sei angenommen, dass ein servomotorisches Dreh system den Tastkopf bereits so gedreht habe, dass die Diametralebene D-D senkrecht zur Kurvenlinie 4 stehe.
Der Winkel a bezeichnet dabei den Winkel zwischen der Tastkopfebene D-D und der X-Rich- tung. Die durch die Belegungen 11 und 12 des Tast- kopfes ermittelte Ablage des Zentrums A von der Kurve 1 in der D -D-Richtung des Tastkopfes habe den Wert R, ihre Komponenten in der<I>X-</I> bzw. Y- Richtung haben also die Werte Ry = R sin a bzw.
Rx=Rcosa Anderseits wird gefordert, dass das Zentrum A des Tastkopfes der Kurvenlinie mit der Tangential- geschwindigkeit V folgen soll, deren Komponenten in der X- bzw. Y-Richtung die Werte Vx <I>=</I> V sin <I>a</I> bzw. Vy = V cos a haben.
Wenn also das Zentrum A des Tastkopfes durch zwei tachometrisch gegengekoppelte Bewegungs antriebe in der X- bzw. Y-Richtung bewegt werden sollen, so müssen die entsprechenden elektrischen Steuergrössenkomponenten 4y und 4x für die Nach laufmotor-Systeme (siehe Fig. 1) folgende Bedingun gen erfüllen:
Ay=Cl#R.sin a-C2#V#cosa dx=C1.R-cosa+C2- V.sin a Nach Fig.6 ist nun vorgesehen, dass eine Schiene 31 in ihrer Führung 32 durch die Abtriebsspindel 33 eines Servomotors My in der Y-Richtung eines kar- tesischen Koordinatensystems hin und her verscho ben werden könne.
Anderseits ist in einer Führung, welche durch die Schiene 31 gebildet wird, der Schlitten 34 in der X-Richtung des Koordinaten systems verschiebbar, und zwar mit Hilfe der Ab triebsspindel 35 des Servomotors Mx.
Der Schlitten 34 wird senkrecht von einer dreh baren Welle 36 durchsetzt, die unter der Platte einen Tastkopf 1' nach den Fig. 3 und 4 und oberhalb der Platte einen Servomotor Ma sowie einen an sich be kannten Transformationsachtpol 37 als Analogie rechenelement trägt.
Auf den Wellen 33, 35, 36 der Motoren My, Mx, Ma sitzen je Tachometergenera- toren Ty, Tx, Ta und Synchrogeber Sy, Sx, Sa. Von einem Generator G aus werden die drei Antriebs systeme sowie ein Spannungsteiler 38, dem das Hand einstellorgan 39 zugeordnet ist, mit einer wechsel- frequenten Spannung (beispielsweise 400 Hz) ge speist.
Ausserdem ist an diesen Generator G die aus einer metallisch leitfähigen Masse bestehende Strich kurve 4 auf dem Zeichenbrett 40 angeschlossen, so dass in bezug auf die Anordnung des Tastkopfes 1' zur Strichkurve 4 die Verhältnisse nach den Fig. 3 und 4 bestehen.
Die von den Belegungen 13 und 14 des Tast- kopfes, beispielsweise über Schleifkontakte, abgelei tete, mit Hilfe einer Differentialschaltung an i Schwingkreis K6 gewonnene Steuerspannung a wird dem tachometrisch gegengekoppelten Servomotor system mit dem Motor<I>Ma,</I> dem Tachometergenera- tor Ta und dem Verstärker<I>Va</I> zugeführt, wobei über die Welle 36 der Tastkopf so eingestellt wird,
dass seine Ebene D-D immer senkrecht zur Kurven linie steht (siehe Fig. 5).
Durch das Handrad 39 wird am Spannungsteiler 3 8 eine gewünschte Tangentialgeschwindigkeit als elek trische Spannungsgrösse eingestellt, die zur einen Ein gangsleitung des Transformationsachtpoles 37 geführt wird. Zur andern Eingangsleitung dieses Transfor- mationsachtpoles wird die von den Belegungen 11, 12 abgegriffene, mit Hilfe einer Differentialanordnung am Schwingkreis Ka gewonnene Steuerspannung z geleitet (zweckmässigerweise über einen Vorverstär ker)..
Am Ausgang des durch die Welle 36 verstell ten Transformationsachtpoles 37 entstehen die ge wünschten Steuerspannungskomponenten dY=-C2.V-cosa+C1.R-sina und 4X= C2-V-sina+C1R-cosa welche den Servoverstärkern Vy bzw.
Vx der tacho- metrisch gegengekoppelten, mit den Motoren Mx, My und den Tachometergeneratoren Ty, Tx Servo-An- triebssysteme der Spindeln 33 bzw. 35 zugeführt werden.
Auf diese Weise wird erreicht, dass das Zentrum A des Tastkopfes 1 mit konstanter Tangential- geschwindigkeit V der auf dem Zeichenbrett 40 auf gelegten Kurve 4 folgt und immer eine solche Dreh- Stellung einnimmt, dass seine Ebene<B>D -D</B> senkrecht zur Kurvenlinie orientiert ist. Es ist dann leicht mög lich, mit Hilfe von Synchrogebern Sy bzw. Sx bzw. Sa, die auf den Wellen 33, 35, 36 sitzen, die Werte <I>Y, X</I> und<I>a</I> an eine andere Anlage, z.
B. eine Ferti gungsmaschine, zu übertragen. Auf diese Weise kön nen z. B. mit Hilfe eines ferngesteuerten Kopier- Schweissbrenners, der durch eine Einrichtung nach Fig. 6 gesteuert wird, Platten direkt entsprechend der auf dem Zeichenbrett 40 aufgezeichneten Form auto matisch ausgeschnitten werden.
Die Ausführungsform nach den Fig. 7 und 8 ent spricht im wesentlichen vollständig derjenigen nach Fig. 6.
Der Schlitten 34 ist auf Führungsstangen 30 des Teils 31 in X-Richtung beweglich, und der Teil 31 selbst ist auf feststehenden Führungsstangen 32 in Y-Richtung beweglich.
Die Motoren Mx und My treiben je über einen Schneckentrieb 50x bzw. 50y Wellen 51x bzw. 51y, welche je doppelt ausgeführte Seilzüge 52x bzw. 52y zum Bewegen der Teile 34 bzw. 31 antreiben.
Die vereinfachte Ausführungsform nach den Fig. 9 und 10 entspricht den Fig. 1 und 2.
Durch eine Welle 61, welche durch einen Motor Mx mit konstanter Drehzahl oder in Abhängigkeit von irgendeiner variablen Grösse X gedreht wird, wird ein am Rande perforiertes Papierband 40' mit Hilfe von Zahnrädern 62 in Abszissenrichtung X verschoben.
Mit Hilfe eines Servomotors My und der von ihm angetriebenen Welle 63 werden zwei auf der Welle 63 sitzende Seilzugrollen 64 angetrieben.
Die Zugseile 65 verschieben einen Träger 66 längs der Führungsstangen 67 in y-Richtung, wobei auf dem Träger 66 der in bezug auf die Fig. 1 und 2 beschriebene Tastkopf 1 mit den Belegungen 11 und 12 sitzt.
Die Schiene 2, aus welcher die Steuerspannung für den Motor My genommen wird, entspricht der jenigen gemäss Fig. 1.
Das in verschiedenen Anwendungsformen erläu terte Prinzip einer kapazitiven Abtastung einer ge zeichneten Kurve durch einen als Differential-Kon- densator wirkenden Tastkopf kann natürlich noch in weiteren Ausführungsformen angewendet werden. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, das kapazi- tive Abtastsystem mit hochfrequenter Wechselspan nung (100 kHz) zu speisen, wobei aus der Fehler spannung ein Steuersignal niedrigerer Frequenz für die Servomotoren gewonnen werden kann.