DE2734077C2 - Elektrische Kopiersteuerungsvorrichtung für Bearbeitungsmaschinen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine elektrische Kopiersteuerungsvorrichtung für Bearbeitungsmaschinen, insbesondere Brennschneidmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DE-AS 15 52 927) erfolgen sowohl die Erfassung der Linienoder Kantenrichtung als auch die Auswertung der Ausgangssignale des Photosensors in der Weise digital, daß den einzelnen lichtempfindlichen Elementen des Photosensors eigene Schaltverstärker nachgeschaltet sind, auf die geschwindigkeitsbestimmende Widerstände folgen. Die Werte dieser Widerstände sind entsprechend Sinus- und Kosinusfunktionen abgestuft Weil die Widerstände die Verstellgeschwindigkeit der Koordinatenstellmotoren bestimmen, muß es sich um engtolerierte Präzisionswiderstände handeln, die mindestens teilweise von der genormten Widerstandsstaffelung abweichende Werte haben. Im Interesse hoher Genauigkeit der Kopiersteuerung ist eine relativ hohe Anzahl von lichtempfindlichen Elementen des Photosensors erwünscht. Dies führt bei der bekannten Schaltungsauslegung aber zu hohem Schaltungsaufwand und entsprechend beschränkter Betriebssicherheit.

Es ist ferner eine elektrische Kopiersteuerungsvorrichtung mit bezüglich seiner Drehstellung feststehend angeordnetem Photosensor bekannt (DE-AS 15 13 207 und DE-AS 15 14 053), der in mindestens vier Sektoren aufgeteilt ist, die entweder in Sternschaltung elektrisch zusammengeschaltet sind oder die paarweise in Reihe geschaltet und an einen Transformator mit Mittelabgriff angeschlossen sind und Zweige einer elektrischen Brückenschaltung bilden. Die Sternschaltung bzw. Brückenschaltung gibt in Komponenten zerlegte analoge Ausgangssignale ab, die Auswerteeinrichtungen für die Bildung von Steuersignalen für Koordinatenstellmotoren zugeführt werden. Die Amplitude der Steuersignale hängt nicht nur davon ab, welcher der Sektoren des Photosensors mit Licht beaufschlagt wird, sondern auch davon, welcher Prozentsatz ein und desselben Sektors Licht empfängt. Daher beeinträchtigen in der Praxis unvermeidbare Abweichungen der elektrischen Kenngrößen der verschiedenen Photosensorsektoren die erzielbare Genauigkeit. Die Anordnung ist auch empfindlich gegenüber Schmutzpartikeln, die die Lichtbeaufschlagung der Photosensorsektoren verfälschen können. Speisespannungsschwankungen und dadurch bedingte Verlagerungen der Arbeitspunkte der Photosensorsektoren können gleichfalls fehlerhafte Ausgangssignale hervorrufen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Kopiersteuerungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die sich mit verringertem Schaltungsaufwand aufbauen läßt und erhöhte Betriebssicherheit aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die kennzeichnenden Merkmale dieses Anspruchs gelöst.

Bei der Vorrichtung nach der Erfindung erfolgt ebenso wie bei der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrundeliegenden Anordnungen (DE-AS 15 52 927) die Abtastung der zu verfolgenden Linie oder Kante in dem Sinne digital, daß jedem lichtempfindlichen Element des Photosensors eine vorbestimmte Richtung eindeutig zugeordnet ist. Der Photosensor liefert daher ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von einem der beiden jeweils mit der Linie oder Kante ausgerichteten lichtempfindlichen Elemente. Die anschließende Signalauswertung geschieht dagegen analog unter Vermeidung der großen Anzahl von Schaltverstärkern und

geschwindigkeitsbestimmenden Präzisionswiderständen der bekannten Einrichtung. Wegen der verminderten Anzahl von Schaltungsgruppen ist die Betriebssicherheit erhöht.

Pholosensoren der vorliegend vorgesehenen Art stehen handelsüblich beispielsweise in monolithischer Ausführung mit 64 Siliciumphotodioden zur Verfügung, die auf einem Kreis mit einem Druchmesser von 2 mm angeordnet sind. In einem solchen Fall wird der Photosensor mittels eines integrierten 64stufigen Ringzählers im Uhrzeigersinn selbsttätig abgetastet Die Ausleserate wird durch die Frequenz von komplementären Rechtecktaktimpulsen bestimmt, die zum Treiben des Ringzählers dienen. Ein Synchronisationsimpuls wird bei jeder Abtastung des kreisscheibenförmigen Photosensors einmal an einer Bezugsstelle des Photosensors angeliefert.

Bevorzugte weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeiispiels näher erläutert Es zeigt

*^: F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Darstellung der an verschiedenen Stufen "der Vorrichtung nach Fig. 1 auftretenden Signale und der gegenseitigen zeitlichen Beziehung zwischen diesen Signalen,

■<_: Fig.3 eine Skizze, die die Arbeitsweise der Vorrichtung erkennen läßt,

F i g. 4 eine graphische Darstellung der Abtastung der Sinus- und Kosinuswellen mittels des Videoimpulssignals,

F i g. 5 eine schematische Darstellung des Photosensors in einer Maschine mit X, Y-Koordinatenantrieb und

Fig.6 eine Ansicht eines Teils eines typischen Photosensors, wie er bei der Vorrichtung nach der Erfindung vorgesehen ist.

Die in Fig. 1 dargestellte elektrische Kopiersteuerungsvorrichtung weist einen Photosensor 1 auf, der beispielsweise in der in Fig.6 veranschaulichten Weise ausgebildet sein kann. Dem Photosensor 1 ist ein (nicht gezeigtes) Linsensystem zugeordnet, das die Größe des Abtastfeldes bestimmt. Das Linsensystem sitzt zusammen mit dem Photosensor in einem gemeinsamen Gehäuse H(F i g. 5). Der Photosensor 1 bildet einen Teil einer Phasensynchronisationsschaltung (Phase-lock-Schaltung), die eine Zweiphasen-Oszillatorschaltung 3 aufweist, die eine Sinuswelle und eine Kosinuswelle erzeugt. Die Zweiphasen-Oszillatorschaltung 3 ist mit einer Phasenvergleicherschaltung 5 derart verbunden, daß die Kosinuswelle der Phasenvergleicherschaltung 5 zugeführt wird. Falls erwünscht, kann statt dessen auch die Sinuswelle auf die Phasenvergleicherschaltung gegeben werden.

Die Kosinuswelle läuft ferner, wie bei der dargestellten Ausführungsform vorgesehen, vorzugsweise über einen Rechteckwellenformer 7, um die Kosinuswelle in eine Rechteckwelle umzuwandeln. Das Ausgangssignal der Phasenvergleicherschaltung 5 wird einer spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung 9 zugeführt, die die Aufgabe hat, etwaige Synchronisationsfehler zu kompensieren. Das Ausgangssignal der phasenstarren Vergleicherschaltung 5 ist eine Folge von komplementären Taktimpulsen Φ 1, Φ 2, die dem Photosensor 1 zugeleitet werden, um sequentiell jedes der 64 lichtempfindlichen Elemente des kreisscheibenförmig ausgebildeten Photosensors 1 abzufragen. Mit Hilfe von Flip-Flop-Schaltungen 11 und 13 wird die gewünschte Frequenz (32 kHz) für jedes der komplementären Taktimpuiseingangssignale Φ 1, Φ 2 gebildet, die dem Photosensor 1 zugehen. Bei einem Photosensor 1 mit 64 Elementen werden die Impulse dementsprechend mit einer Frequenz von 64 kHz angeliefert Der Photosensor 1 erzeugt dann ein Videoausgangssignal und gibt einen Synchronisationsimpuls ab, der zu der Phasenvergleicherschaltung 5 zurückgeführt wird, um die Winkellage der Videoimpulse mit den Sinus- und Kosinussignalen zu synchronisieren, die von der Zweiphasen-Oszillatorschaltung 3 erzeugt werden. Ein etwaiger Synchronisationsfehler wird mittels der spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung 9 kompensiert An den Photosensor 1 ist ein Videoverstärker 15 angeschlossen, der das Videoausgangssignal verstärkt. Das verstärkte Videosignal wird einer Impulsformerschaltung 17 zugeführt Die Impulsformerschaltung 17 bildet aus dem Videoausgangssignal eine Rechteckwelle; die betreffenden S/H-Impulse (Fig.2 und 4) gehen zu einer ersten Abtast- und Speicherschaltung 19, der von der Zweiphasen-Oszillatorschaltung 3 zusätzlich eine Sinus welle zugeführt wird, und zu einer zweiten Abtast- und Speicherschaltung 21, der von der Zweiphasen-Oszillatorschaltung 3 zusätzlich eine Kosinuswelle zugeführt wird. Die Sinus- und Kosinuswellen werden mittels des S/HImpulses in den Schaltungen 19 und 21 abgetastet. Die in den Schaltungen 19 und 21 aufgrund der Abtastung erzeugten Steuersignale gehen X- und Y-Vorschubgeschwindigkeitsschaltungen 23 bzw. 24 zu. Diese Schaltungen steuern ihrerseits X- und Y-Koordinatenstellmotoren, wobei die Resultierende der X- und Y-Bewegungen der photoelektrisch abgetasteten Linie entspricht.

Es ist häufig erwünscht, für eine Schnittfugenkompensation zu sorgen, wenn die Kopiersteuerungsvorrichtung bei einer Brenn-, Plasmabogen- oder Laserschneidmaschine mit X, Y-Koordinatenbetrieb verwendet wird. In diesem Fall ist zusätzlich ein einstellbarer Phasenschieber 27 zwischen der Zweiphasen-Oszillatorschaltung 3 und den Rechteckwellenformer 7 geschaltet. Der Phasenschieber 27 verschiebt auf elektronische Weise die Beziehung der Elemente des Photosensors 1 zu den Koordinatenachsen der Bearbeitungsmaschine. Wenn beispielsweise keine Schnittfuge vorhanden ist, kann das Element 61 gemäß F i g. 6 das Element sein, das der Bearbeitungsmaschine das Signal gibt, sich genau nach Norden zu bewegen. Mit Schnittfuge dagegen wird das Element, das der Bearbeitungsmaschine signalisiert, eine Bewegung genau nach Norden auszuführen, ein anderes Element, beispielsweise das Element 1 gemäß Fig. 6.

In den meisten Fällen ist es zweckmäßig, eine Spurverlust-Schaltung 29 vorzusehen, das das System ausschaltet, falls der Photosensor 1 die abzutastende Linie verliert.

Die vorstehend genannten einzelnen Schaltungen bzw. Schaltglieder, die miteinander kombiniert die erläuterte Kopiersteuerungsvorrichtung bilden, sind als solche bekannt. Es kann jede beliebige spezielle Schaltungsanordnung verwendet werden, die die gewünschten Funktionen erfüllt. Beispielsweise stehen zahlreiche, im einzelnen unterschiedlich ausgebildete Schaltungsanordnungen zur Verfügung, die die Kosinus- und Sinussignale der Zweiphasen-Oszillatorschaltung liefern. Die Schaltungseinzelheiten derartiger Schaltungsstufen sind dem Fachmann bekannt.

F i g. 2 zeigt die Signale an verschiedenen Stellen der

beschriebenen Vorrichtung gemäß Fig. 1. Das Signal »SYNCH« stellt den von dem Photosensor 1 abgegebenen Synchronisationsimpuls für die Vorrichtung dar. Die phasenverschobene Rechteckwelle ( = Ausgangssignal des Formers 7 in Fig. 1) ist ein in eine Rechteckwelle ·-> umgeformtes Sinussignal, dessen Phase gegenüber den Sinus/Kosinus-Signalen verschoben ist, die den Abtast- und Speicherschaltungen 19, 21 zugeführt werden. Dieses phasenverschobene Signal in Form einer Rechteckwelle sorgt für eine elektronische Schnittfu- ι ο genkompensation, das heißt eine Kompensation, die kein mechanisches Drehen des Photosensors 1 erfordert.

Das Signal Q 64 isi das Ausgangssignal der ersten Flip-Flop-Schaltung 11, während das Signal ζ)32 das r> Ausgangssignal der zweiten Flip-Flop-Schaltung 13 ist. Die mit Φ 1 und Φ 2 bezeichneten Signale sind die dem Photosensor 1 zugeführten Taktimpulse. Das Videosignal in F i g. 2 besteht aus den von dem Photosensor 1 entsprechend den Hell- und Dunkelperioden abgegebenen Videoimpulsen. Der S/W-Impuls stellt den Impuls dar. der im Impulsformer 17 aus dem verstärkten Videosignal jeweils bei blockierter Lichtübertragung — also jeweils für eine Dunkelperiode — gebildet wird und der in den Abtast- und Speicherschaltungen 19, 21 die Sinus/Kosinus-Wellen abtastet. Die Abtastung der Sinus/Kosinus-Wellen ist schematisch im einzelnen in F i g. 4 dargestellt

Die prinzipielle Arbeitsweise der Kopiersteuerungsvorrichtung ergibt sich aus den F i g. 3 und 4. jo

In Fig.3 ist die zu verfolgende Limie L dargestellt. Das Abtastfeld ist als Kreis C min dem Radius R veranschaulicht. Es wird angenommen, daß das Element 61 das Element des Photosensors 1 ist, das bei Aktivierung die Abtasteinrichtung bzw. das Werkzeug der Bearbeitungsmaschine unmittelbar nach Norden laufen ließe, wenn die Linie L beim Abtasten unmittelbar unter dem Element liegen würde. Bei dieser Darstellung wird die Linie L am Punkt Sabgetastet, der um den Winkel Θ + π von der X-Achse abliegt. Falls erwünscht, kann auch der diametral liegende Punkt abgetastet werden, der um den Winkel θ von der .X-Achse abliegt. Es kann auch eine (nicht gezeigte) Schaltungsanordnung vorgesehen sein, um alle Videosignale zu unterdrücken, die 180° von dem Soll-Videosignal abliegen, so daß die Erfassung nuir an einer Stelle, nämlich an der gewünschten Stelle erfolgt Wenn der Punkt 5abgetastet wird, geht entsprechend Fig.4 ein Abtastimpuls (S/H-]mpu\s) an die Abtast- und Speicherschaltungen 19 und 21 (nachdem das Signal in der Impulsformerschaltung 17 entsprechend konditioniert wurde). Dieser Abtastimpuls wird zum Abfragen bzw. Abtasten der Sinus- und Kosinuswelle in den Abtast- und Speicherschaltungen 19 und 21 herangezogen. Die Abtast- und Speicherschaltungen geben dann entspre^ chende Steuersignale an die X- bzw. Y-Koordinatenstellmotoren.

Die X-Achsengeschwindigkeit ergibt sich aus der Gleichung

Vx = K (FR) sind,

wobei FR die Vorschubgeschwindigkeit ist, die durch eine entsprechende Potentiometereinstellung in der Vorschubgeschwindigkeitsschaltung 23 ausgewählt wird, während K eine Konstante ist. In entsprechender Weise ergibt sich die K-Achsengeschwindigkeit aus

Vy= K(FR)COsQ

wobei FR die Vorschubgeschwindigkeit ist, die durch entsprechende Potentiometereinstellung in der Vorschubgeschwindigkeitsschaltung 25 vorgegeben ist. Die resultierende Geschwindigkeit VTist die Vektorsumme von Vx und Vy.

Die in Fig. 4 gezeigten, an der Sinus- bzw. Kosinuswelle abgetasteten Signale, also die Ausgangssignale der der Abtast- und Speicherschaltungen 19 und 21 sind negativ; sie werden jedoch jeweils durch den Vorschubgeschwindigkeits-Operatiorsverstärker invertiert, der in den Vorschubgeschwindigkeitsschaltungen 23 und 24 (F i g. 1) dargestellt ist.

Entsprechend Fi g. 6 besteht die Photodiodengruppe des Photosensors 1 aus einer lichtempfindlichen Fläche in Form eines Ringes A mit einem Außenradius von typischerweise 1,05 mm und einem Innenradius von typischerweise 0,95 mm. Innerhalb des Ringes wird jedes lichtempfindliche Element von Radien begrenzt, die einen gegenseitigen Abstand von 5,625° haben. Zwischen den Elementen befindet sich also kein Totraum; jedes Element hat eine Fläche von näherungsweise 0,1 mm · 0,1 mm.

Eine mit der beschriebenen Kopiersteuerungsvorrichtung ausgestattete typische Werkzeugmaschine mit X, y-Koordinatenantrieb ist in Fig.5 schematisch dargestellt, wobei der kreisscheibenförmige Photosensor 1 und das Linsensystem in einem Gehäuse H untergebracht sind. Die Steuerschaltung befindet sich in einem Schrank C. Signale vom Schrank C'gehen an den X-Koordinatenstellmotor λ'sowie an den Y-Koordinatenstellmotor Y. Die Motoren treiben Schlitten 40 bzw. 41 an. Ein Schneidwerkzeug T ist am Schlitten 41 montiert; die Bewegungsbahn des Werkzeugs Γ ist die Vektorsumme der Bewegungen in X- und viRichtung. Der mittels des Werkzeugs T ausgeführte Schnitt entspricht dem Linienzug einer Vorlage F.

"^Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Elektrische Kopiersteuerungsvorrichtung für Bearbeitungsmaschinen, insbesondere Brennschneidmaschinen, mit einem photoelektrisch eins ί Linie oder Kante abtastenden Abtastkopf, bei dem ein bezüglich seiner Drehstellung feststehend angeordneter Photosensor vorgesehen ist, der kreisscheibenförmig ausgebildet und in mehrere symmetrisch angeordnete, kreissektorförmige lichtempfindliche Elemente aufgeteilt ist, und bei dem dem Photosensor ein die Größe des abgetasteten Feldes bestimmendes optisches System zugeordnet ist, sowie mit Auswerteeinrichtungen zum Erzeugen von Steuersignalen zur Steuerung zweier KoordinatensteHmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtungen (3, 9, 11, 13, 15, 17, 19 bzw. 21) versehen sind mit einer Schaltung (3) zum Erzeugen eines Sinus- und eines Kosinussignals, mit einem Taktimpulsgenerator (9, 11, 13) zum

_;,Erzeugen von mit den Sinus- und Kosinussignalen synchronisierten Taktimpulsen, die dem Photosen-

~'sor (1) zum sequentiellen Abtasten der einzelnen lichtempfindlichen Elemente mit vorbestimmter Abtastfrequenz zuführbar sind zur Bildung eines synchronisierten Videosignals in Form einer Folge von Videoimpulsen mit einer für die Übermittlung ,von Licht zu den lichtempfindlichen Elementen charakteristischen ersten Amplitude und mit einer der Blockierung der Lichtübertragung zu den jo lichtempfindlichen Elementen entsprechenden zweiten Amplitude, mit einer auf die zweite Amplitude des Videosignals mit der Erzeugung eines Abtastimpulses ansprechenden Impulsformerschaltung (17) sowie mit einer auf die Sinus- und Kosinussignale sowie den Abtastimpuls ansprechenden Abtast- und Speicherschaltung (19, 21) zum Erzeugen der Steuersignale.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktimpulsgenerator (9, U, 13) eine spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung (9) aufweist und zum Synchronisieren der Videoimpulse mit den Sinus-bzw. Kosinussignalen eine Phasenvergleicherschaltung (5) vorgesehen ist, die mit ihrem einen Eingang an die Schaltung (3) zum Erzeugen der Sinus- und Kosinussignale und mit ihrem anderen Eingang an einen Synchronisationsimpulsausgang des Photosensors (1) angeschlossen ist und deren Ausgang mit dem Eingang der Oszillatorschaltung verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Schaltung (3) zum Erzeugen der Sinus- und Kosinussignale und der Phasenvergleicherschaltung (5) ein einstellbarer Phasenschieber (27) zur Schnittfugenkompensation vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsformerschaltung (17) eine Spurverlust-Schaltung (29) nachgeschaltet ist, die bei Ausfall des Ausgangssignals der Impulsformerschaltung (17) ein Abschaltsignal an die Bearbeitungsmaschine gibt.