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Einrichtung zum automatischen Nachführen eines Abtastkopfes längs
einer Kurvenlinie Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum automatischen
Nachführen eines Abtastkopfes längs einer Kurvenlinie, d. h. also auf ein automatisches
Kurvenabtastsystem.
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Derartige Kurvenabtastsysteme bilden eine wesentliche Grundlage zur
automatischen Steuerung von Fertigungsanlagen, wie Werkzeugmaschinen, Anlagen zur
Herstellung von chemisch-technischen Produkten 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, beispielsweise zur Fourieranalyse oder zur
Zerlegung in andere Komponenten, benötigt man mit Vorteil solche Kurvenabtastsysteme.
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Außer mechanischen Abtastsystemen, in welchen die Funktionskurve durch
ein mechanisches Organ, beispielsweise einen gebogenen Draht, gebildet wird, und
optischelektrischen Abtastsystemen, bei welchen die optische Differenzierung der
aufgezeichneten Kurvenlinie gegenüber ihrem Umfeld dazu ausgenutzt wird, um ein
Differentialphotozellensystem der Kurve entlang zu führen, sind auch kapazitive
Abtastsysteme bekannt.
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Es sollen darunter nicht mechanische Abtastsysteme verstanden werden,
bei denen ein an der Kurvenfläche anliegender Fühlstift auf den Träger der einen
Belegung eines Differentialkondensatorsystems verschiebend auswirkt, sondern Systeme,
bei denen die elektronische Feldverteilung eines wechselspannungsgespeisten Differentialkondensators
durch eine die Kurvenlinie bildende, vorzugsweise metallisch leitfähige Materieschicht
beeinflußt wird, d. h. Systeme, bei denen die Kurvenlinie selbst einen aktiven Teil
eines Differentialkondensators bildet.
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Es ist bereits bekannt, ein Differentialkondensatorsystem durch eine
durchlaufende Band- oder Drahtschlinge aus elektisch leitendem oder dielektrischem
Material zu beeinflussen mit dem Zweck, die Schlingenform konstant halten zu können.
Ferner ist auch die Verwendung von elektrisch leitfähigen Tuschen zum Zeichnen von
empirischen Kurvenlinien bekannt, wobei mit Hilfe von elektrischen Taststiften,
die aber in Gleitkontakt mit der Linie stehen, ein Tastkopf dieser Kurve entlang
bewegt wird.
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Um aber derartige kapazitive Kurvenabtastsysteme bzw. Einrichtungen
zum Nachführen eines Abtastkopfes längs einer Kurvenlinie, deren Materie einen wechselspannungsgespeisten
Differentialkondensator beeinflußt, regeltechnisch richtig auszubilden, d. h. um
zu erreichen, daß die Größe der erzeugten Fehlerspannung, welche die Korrekturverstellung
des Abtastkopfes mit Hilfe von Stellmotoren bewirken soll, monoton mit der Größe
der Lageabweichung anwächst und vorzeichengerecht wird, ist gemäß vorliegender Erfindung
vorgesehen, daß das Abtastsystem zwei dreieckförmige, voneinander elektrisch isolierte
Kondensatorbelegungen mit gemeinsamer Spitze umfaßt, welche symmetrisch zu einer
Trennebene ausgebildet sind.
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Die aus metallisch leitfähigem Material bestehende Kurvenlinie kann
dabei an den einen Pol einer Wechselspannungsquelle angeschlossen werden, oder es
kann vorgesehen sein, daß den beiden Belegungen eine dritte Belegung gegenüberliegt,
wobei der Träger der Kurvenlinie zwischen den erstgenannten Belegungen einerseits
und der dritten Belegung andererseits angeordnet ist.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und verschiedener Möglichkeiten
zu deren Realisierung sei auf die Zeichnung verwiesen. Es zeigt Fig.1 einen Vertikalschnitt
durch ein kapazitives Abtastsystem mit eingezeichnetem elektrischem Schaltschema,
Fig. 2 einen Schnitt des Tastkopfes nach der Linie II-II der Fig. 1, Fig. 3 eine
der Fig. 1 entsprechende Anordnung mit einer die Speisequelle eines Kondensatorsystems
darstellenden Kurvenschicht, Fig. 4 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung eines
Tastkopfes nach Fig. 3, Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Kurvenabschnitt mit in
Fehllage eingezeichnetem Zentrum A des Abtastkopfes gemäß Fig. 2 oder 4,
Fig.6
eine Prinzipdarstellung einer vollständigen Abtasteinrichtung, Fig.7 eine nach Fig.6
arbeitende Einrichtung im Grundriß, Fig. ß eine nach Fig. 6 arbeitende Einrichtung
im Aufriß und Fig. 9 und 10 eine vereinfachte Einrichtung im Grundriß und Aufriß.
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Nach den Fig. 1 und 2 enthält ein Tastkopf 1 zwei in einer Isolierstoffmasse
10 eingebettete, im Querschnitt dreieckförmige Elektrodenkörper 11 und 12, die symmetrisch
zur Trennebene S-S (Fig.2) eingebaut sind. Die voneinander elektrisch isolierten
Elektrodenkörper 11, 12 sind an eine in der Mitte geerdete Sekundärwicklung 22 eines
Übertragers 20 angeschlossen, dessen Primärwicklung 21 an den Ausgang eines Wechselspannungsgenerators
G angeschlossen ist, so daß die in einer Ebene gelegenen Unterseiten der beiden
Elektroden 11, 12 Belegungen eines ebenen Kondensators bilden. An die beiden Belegungen
ist eine Wechselspannung, die von der Spannungsquelle G geliefert wird, angelegt.
Diesen beiden dreieckförmigen Kondensatorbelegungen liegt als dritte Belegung eines
Differentialkondensators die Oberseite einer Metallschiene 2 gegenüber, welche über
einen Resonanzschwingkreis K an Erde angeschlossen ist.
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Auf der Schiene 2, d. h. zwischen der Unterseite 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 Dielektrizitätskonstante besteht (beispielsweise einer
Kunstharzmasse).
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In beiden Fällen wird die am Schwingkreis K auftretende Wechselspannung
E nur dann den Wert 0 haben, wenn die Mittelachse A des Tastkopfes 1 die Strichschicht
der Kurvenlinie 4 in der Mitte durchschneidet. Wenn aber dies nicht der Fall ist
(s. Fig. 2), so entsteht am Schwingkreis K infolge der durch die Strichschicht der
Kurvenlinie 4 bedingten asymmetrischen Feldbeeinflussung im Kondensatorsystem eine
Wechselspannung e, deren Vorzeichen bzw. deren Phasenlage von der Richtung der Abweichung
der Kurvenlinie 4 vom Zentrum A abhängig ist, während deren Amplitude von der Größe
der Fehleinstellung abhängt.
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Aus Fig.2 ergibt sich, daß die Länge desjenigen Strichstückes, welches
im Bereich der einen oder anderen der dreieckförmigen Belegungen 11 oder 12 liegt,
mit zunehmender Abweichung AY vom Zentrum A vom Wert 0 aus proportional zunimmt.
Um dies zu erreichen, haben die beiden Belegungen 11, 12 die Form von Dreiecken,
deren Spitzen sich im Zentrum A beinahe berühren. Auf diese Weise wird erreicht,
daß die Amplitude der Wechselspannung a mit zunehmender Ablage A Y größer wird,
während sie praktisch Null ist, wenn sich das Zentrum A des Abtastkopfes über der
Strichmitte befindet.
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Die so gewonnene Wechselspannung e eignet sich zur Steuerung eines
tachometrisch gegengekoppelten Antriebssystems mit dem Verstärker SV, dem
Motor SM und dem durch die Abtriebswelle 5 des Motors SM angetriebenen Tachometergenerators
TG. Die Ausgangsspannung dieses Tachometergenerators TG wird dabei
in einem Addierglied SA zur Wechselspannung s addiert, und die im Verstärker SV
verstärkte Summe dieser Spannungen wird als Steuerspannung E dem Motor SM zugeführt.
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Nach den Fig.l und 2 ist der Einfachheit halber angenommen, daß ein
Träger 10 des Tastkopfes ein Innengewinde aufweist, welches mit dem Außengewinde
der als Leitspindel ausgebildeten Motorwelle 5 im 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 Einstellfehler AY des Tastkopfzentrums A zur Mitte der Strichschicht
ist, und in derjenigen Richtung, die eine Verminderung dieses Einstellfehlers AY
ergibt: Wenn also das Papierband 3, auf welchem eine Kurvenlinie 4 aufgezeichnet
ist, welche die Funktion zwischen einem Abszissenwert X und einem Ordinatenwert
Y
darstellt, durch irgendwelche Antriebsorgane in der Abszissenrichtung, d.
h. 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 Ordinatenwert 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 Programmsteuerung oder im Sinne
einer Analyse der durch die Kurve bestimmten Beziehungen Y = f (X) einer
Rechenanlage.
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Nach Fig. 3 ist eine als metallischer Leiter ausgebildete Kurvenlinie
4 an den einen Pol einer Wechselspannungsquelle G angeschlossen, wobei ihm die Unterseite
des Tastkopfes 1 gegenübersteht. In Fig. 4 bildet der Tastkopf 1 außer den beiden
dreieckförmigen Belegungen 11, 12, deren gegeneinandergerichtete Spitzen annähernd
im Zentrum A liegen und symmetrisch sowohl zur Trennebene S-S als auch zu der dazu
senkrechten Diametralebene D-D ausgerichtet sind, noch zwei weitere Belegungen 13,
14, die ebenfalls symmetrisch zur gesamten Diametralebene D-D, aber in bezug auf
die Ebene S-S asymmetrisch, in der Zeichnung trapezförmig, ausgerichtet sind.
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Nach Fig. 4 sind sowohl die Belegungen 11 und 12 als auch die Belegungen
13 und 14 an die Enden je einer in der Mitte geerdeten Übertragerwicklung 23 bzw.
24 angeschlossen, so daß in den Schwingkreisen KE bzw. Ko Wechselspannungen a bzw.
ß erzeugt werden. In Übereinstimmung mit den Fig. 1 und 2 entspricht auch hier die
Wechselspannung s in ihrem Vorzeichen der Richtung und in ihrer Amplitude der Größe
der Abweichung der Kurvenlinie 4 vom Zentrum A, während die Wechselspannung ß durch
ihre Phasenlage die Richtung und durch ihre Amplitude die Größe der WinkelabweichungAa
zwischen der Kurvenrichtung und der Richtung der Ebene S-S kennzeichnet. Wie die
Wechselspannungen e,ß zur Nachsteuerung ausgewertet werden können, ist an Hand von
Fig. 6 erläutert.
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Die Fig. 5 stellt eine Kurvenlinie 4 in einem kartesischen Koordinatensystem
X-Y dar. Ein Tastkopf ist im Darstellungsfeld durch sein Zentrum A und die genannten
Ebenen S-S und D-D dargestellt, und es ist angenommen, daß ein Drehsystem den Tastkopf
bereits so gedreht hat, daß die Diametralebene D-D senkrecht zur Kurvenlinie 4 steht.
Der Winkel a bezeichnet dabei den Winkel zwischen der Tastkopfebene D-D und der
X-Richtung. Die durch die Belegungen 11 und 12 des Tastkopfes ermittelte Abweichung
des Zentrums A von der Kurvenlinie 4 in der D-D-Richtung des Tastkopfes hat den
Wert R, ihre Komponenten in der X- bzw. Y-Richtung haben also die Werte Ry = R sin
a bzw.
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Rx = R cos a
Andererseits ist gefordert, daß das Zentrum
A des Tastkopfes der Kurvenlinie 4 mit der Tangentialgeschwindigkeit V folgen soll,
deren Komponenten in der X- bzw. Y-Richtung die Werte Vx = V sin a
bzw.
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Vy = V cos a haben.
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Wenn also das Zentrum A des Tastkopfes durch zwei tachometrisch gegengekoppelte
Bewegungsantriebe in der X- bzw. Y-Richtung bewegt werden soll, so müssen die entsprechenden
Steuerkomponenten AY und AX folgende Bedingungen erfüllen: AY=Rsina-Vcosa AX
= R cos a -I- V sin a Nach Fig. 6 ist vorgesehen, daß eine Schiene 31 in
ihrer Führung 32 durch die Antriebsspindel 33 eines Stellmotors My in der Y-Richtung
eines kartesischen Koordinatensystems hin und her verschoben werden kann. Andererseits
ist in einer Führung der Schiene 31 die Platte 34 in der X-Richtung des Koordinatensystems
verschiebbar, und zwar mit Hilfe der Antriebsspindel 35
des Stellmotors 131x.
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Die Platte 34 ist senkrecht von einer drehbaren Welle 36 durchsetzt,
die unter der Platte einen Tastkopf 1 nach den Fig. 3 und 4 und oberhalb der Platte
einen Stellmotor.3la sowie einen an sich bekannten, in den schweizerischen Patentschriften
322 793 und 302 582 beschriebenen Transformationsachtpol37 als Analogierechenelement
trägt. Auf den Wellen 33, 35, 36 der Motoren 131y, Mx, Ma sitzen Tachometergeneratoren
Ty, Tx, Ta und Synchrogeber Sy, Sx, Sa. Von einem Generator G aus werden die drei
Antriebssysteme sowie ein Spannungsteiler 38, dem das Handeinstellorgan 39 zugeordnet
ist, mit einer Wechselspannung von beispielsweise 400 Hz gespeist.
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Außerdem ist an diesen Generator G die aus einer metallisch leitfähigen
Masse bestehende Kurvenlinie 4 auf dem Zeichenbrett 40 angeschlossen, so daß in
bezug auf die Anordnung des Tastkopfes 1 zur Kurvenlinie 4 die Verhältnisse nach
den Fig. 3 und 4 bestehen.
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Die von den Belegungen 13 und 14 des Tastkopfes, beispielsweise über
Schleifkontakte abgeleitete, mit Hilfe einer Differentialschaltung am Schwingkreis
Kor gewonnene Wechselspannung a wird dem tachometrisch gegengekoppelten Stellmotorsystem
mit dem Motor Ma,
dem Tachometergenerator Ta und dem Verstärker Va zugeführt,
wobei über die Welle 36 der Tastkopf immer so gestellt wird, daß seine Ebene D-D
immer senkrecht zur Kurvenlinie 4 steht (s. Fig. 5).
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Durch das Handrad 39 wird am Spannungsteiler 38 eine gewünschte Tangentialgeschwindigkeit
als elektrische Spannungsgröße eingestellt, die zur einen Eingangsleitung des Transformationsachtpols
37 geführt wird. Zur anderen Eingangsleitung dieses Transformationsachtpols ist
die von den Belegungen 11, 12 abgegriffene, mit Hilfe einer Differentialanordnung
am Schwingkreis Ke gewonnene Wechselspannung s geleitet (zweckmäßigerweise über
einen Vorverstärker). Am Ausgang des durch die Welle 36 verstellten Transformationsachtpols
37 entstehen die gewünschten Stenerspannungskomponenten AY=-Vcosa+Rsina und AX
= +V sin a + R cos a welche den Steuerverstärkern Vy bzw. Vx der tachometrisch
gegengekoppelten, mit den Motoren Mx, My und den Tachometergeneratoren Ty, Tx versehenen
Antriebssysteme der Spindeln 33 bzw. 35 zugeführt werden.
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Auf diese Weise wird erreicht, daß das Zentrum A des Tastkopfes 1
mit konstanter Tangentialgeschwindigkeit V der auf dem Zeichenbrett 40 aufgelegten
Kurvenlinie 4 folgt und immer eine solche Drehstellung einnimmt, daß seine Ebene
D-D senkrecht zur Kurvenlinie orientiert ist. Es ist dann leicht möglich, mit Hilfe
von Synchrogebern Sy, Sx, Sa, die auf den Wellen 33, 35, 36 sitzen, die Werte
Y, X und a auf eine andere Anlage, z. B. eine Fertigungsmaschine, zu übertragen.
Auf diese Weise können 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 automatisch ausgeschnitten werden.
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Die Ausführungsform nach den Fig. 7 und 8 entspricht im wesentlichen
derjenigen nach Fig. 6.
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Die Platte 34 ist auf Führungsstangen 30 des Teiles 31 in X-Richtung
beweglich, und der Teil 31 selbst ist auf feststehenden Führungsstangen 32
in Y-Richtung beweglich.
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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.
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Die vereinfachte Ausführungsform nach den Fig.9 und 10 entspricht
den Fig. 1 und 2.
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Durch eine Welle 61, welche durch einen Motor Mx mit konstanter Drehzahl
oder in Abhängigkeit von irgendeiner variablen Größe gedreht wird, wird ein am Rand
perforiertes Papierband 40 mit Hilfe von Zahnrädern 62 in Abszissenrichtung X verschoben.
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Mit Hilfe eines Stellmotors My und der von ihm angetriebenen Welle
63 werden zwei auf der Welle 63 sitzende Seilzugrollen 64 angetrieben.
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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.
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Die Schiene 2 entspricht derjenigen gemäß Fig. 1.
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Das in verschiedenen Anwendungsformen erläuterte Prinzip einer kapazitiven
Abtastung einer gezeichneten Kurve durch einen als Differentialkondensator wirkenden
Tastkopf kann natürlich noch in weiteren Ausführungsformen angewendet werden. Beispielsweise
kann es vorteilhaft sein, das kapazitive Abtastsystem mit hochfrequenter Wechselspannung
(100 kHz) zu speisen, wobei aus der Fehlerspannung ein Steuersignal niedrigerer
Frequenz für die Stellmotoren gewonnen werden kann.