DE2109921A1 - Automatisches Digitalisierungssystem - Google Patents

Description

OK -INQ. DIPl-INO. M. TC. t ' --.'PH Γ. OP JIPL.-PHVS.

HÖGER-STELLRECHT- GRiESSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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1. März 1971

Information Development

Corporation

30 Merz. Boulevard

Akron, Ohio 44313

U.S,A.

Automatisches Digitalisierungssystein

Die Erfindung betrifft ein automatisches Digitalisierungssystem mit einer mechanischen Vorrichtung mit einem Tastkopf zur Erzeugung elektrischer Signale bezüglich seiner Position in X--Y- und 2-Richtung und mit steuerbaren Servo-Einrichtungen zur Herbeiführung von Bewegungen des Tastkopfes in X-,Y- und Z-Richtung. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem automatischen Digitalisierungscystem zur Programmerstellung für numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen.

Es sind bereits viele verschiedene Typen von Abtastvorrichtungen bekannt geworden ,,-und insbesondere solche Vorrichtungen, die Prograr^ne für numerisch gesteuerte vierkzeugmaschiner: erstellen, v/elche schnell und mit einem Minimum an Arbeitszeit

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des Bedienungspersonals unter Einhaltung der Genauigkeitstoleranzen, Gegenstände, die einem Modell entsprechen, herstellen. Die bekannten Abtastvorrichtungen zur Erstellung solcher Programme waren jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß häufig Fehler bei der Aufzeichnung der Tastkopfkoordinaten auftraten, daß sie kompliziert aufgebaut und teuer waren, und daß insgesamt die Arbeitszeit des Bedienungspersonals, die erforderlich gewesen wäre, um die gleiche Arbeit von Hand zu tun, nicht wesentlich reduziert werden konnte.

Der vorliegenden Erfindung lag somit die Aufgabe zugrunde, ein System vorzuschlagen, das in der Lage war, die Oberfläche eines dreidimensionalen Systems nach Eingabe der Anfangsbedingungen automatisch abzutasten und die dabei gewonnenen Koordinatenwerte zu drucken oder in einem Träger zu lochen, der für die Steuerung einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine geeignet war. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einen automatischen Digitalisierungssystenv der eingangs beschriebenen Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Servo-System zur Steuerung der zu der mechanischen Vorrichtung gehörenden Servo-Motoren vorgesehen ist, daß eine Tastkopfelektronik vorgesehen ist, die augenblicklich ein Ausgangssignal über die Position des Tastkopfes in X-,Y- und Z-Richtung liefert, wenn dies jeweils gewünscht wird, daß ein Rechner, vorzugsweise ein binärer Universalrechner, zur selektiven Steuerung des Servo-Systenis und zum Auslesen der Tastkopf-Elektronik vorgesehen ist, daß der Rechner in der Waise programmierbar ist, daß er selektiv steuerbar ist, daß Einrichtungen zum Auslesen der von der Tastkopf-Elektronik ausgewählten Information durch den Rechner vorgesehen sind, und daß zwischen der Tastkopf-Elektronik,der Servo-ßlektronik

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und dem Rechner eine Steuer- und Verbindungselektronik vorgesehen ist, um einen Zugriff des Rechners zur Tastkopf-Elektronik und Servo-Elektronik und eine Speicherung der Tastkopfinformation während der Tastkopfbewegung zur Auslesung durch den Rechner zu ermöglichen.

Es ist also ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Systems, daß die überwachung und Steuerung der gesamten Elektronik mittels eines Rechners erfolgen kann. Die Konsolsteuerung, die Servo-Motorsteuerung, die Steuerung für die Koordinatenwertanzeige, die Steuerung für das Schrittgrenzenregister usw.,erfolgt in allen Fällen über den Rechner, und alle diese Einrichtungen v/erden praktisch wie Peripheriegeräte benutzt. Die Arbeitsweise der Elektronik und damit die Arbeitsweise des Systems, kann in weiten Grenzen durch Wahl eines geeigneten Steuerprogramms variiert v/erden. Mit Sicherheit werden im Laufe der Zeit neue und andere Anwendungsmöglichkeiten sichtbar werden, von denen viele durch einfache Anpassung in einfacher Weise mit den vorhandenen Einrichtungen verwirklicht v/erden können.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert und /oder sind Gegenstand der Schutzansprüche.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm des gesamten Aufbaus einer bevorzugten Ausfuhrungsform eines Systems gemäß der Erfindung;

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Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Tastkopfsteuerung für ein System gem. Fig. 1;

Fig. 3 ein Blockdiagramm der Elektronik des Tastkopfes mit dem Taststift;

Fig. 4 ein schematisches Schaltbild der Taststiftelektronik; Fig. 5 ein Blockdiagramm eines Teils der Eingangselektronik;

Fig. 6 ein Zeitdiagramm zur Verdeutlichung der Funktion des Abtastschalters der Elektronik gem. Fig. 5;

Fig. 7

und 8 weitere Blockdiagramme der Eingangselektronik;

Fig. 9 ein Blockdiagramm des Detektors gem. Fig. 8;

Fig. 10 ein dreidimensionales Schaubild zur Erläuterung der Funktion der Inkrement-Meßsteuerung durch den Inkrement-Detektor gem. Fig. 8 und 9, und

Fig. 11 ein Blockdiagramm der geschlossenen Schleife der Servo-Einrichtungen des digitalen Steuersystems gemäß der Erfindung.

In dem in Fig. 1 dargestellten Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Systems bezeichnet das Bezugszeichen 10 ein Modell, für welches ein Programm für eine numerisch gesteuerte Schleifmaschine, Drehbank oder dgl. erstellt werden soll. Das erfindungsgemäße System umfaßt eine Abtastvorrichtung, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist, und

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eine bekannte Vorrichtung dieser Art sein kann, beispielsweise eine Abtastvorrichtung, wie sie von der Firma Portage Machine Company ,'.Akron, Ohio, hergestellt wird. Die Abtastvorrichtung 12 besitzt einen Abtastkopf 14, welcher über eine Tastkopfelektronik 16 Ausgangsdaten über die Ergebnisse der von dem Tastkopf 14 an dem Modell 10 vorgenommenen Messungen abgibt. Das erfindungsgemäße System umfaßt ferner Servo-Einrichtungen 18, 20 und 22, die die Bewegungen des Tastkopfes in der X7Y- und Z-Richtung steuern, während sie gleich-" zeitig dazu dienen, die jeweilige Lage des Abtastkopfs gegenüber einer Marke oder einem Bezugspunkt an einem Tisch 24, welcher die Abtastvorrichtung 12 trägt, anzuzeigen. Eine Servo-Elektronik 26 bildet zusammen mit einer Steuer-und Verbindungselektronik 28, die mit der Tastkopfelektronik 16 in einer Weise koordiniert ist, die nachstehend noch genauer beschrieben werden soll, eine geschlossene Regelschleife für die Servoeinrichtungen 18, 20 und 22.

Der Eingangsteil der Steuer- und Verbindungselektronik 28 sendet die vom Tastkopf ermittelten Koordinatenwerte zu einer Koordinatcnwertanzeige 30, die eine sichtbare Anzeige der vom Tastkopf und der Servo-Elektronik ermittelten Werte für die drei Achsen liefert. Vorzugsweise erfolgt die Anzeige mittels Nixie-Röhren auf sechs Stellen genau, wobei gleichzeitig eine Stelle für die Anzeige des Vorzeichens vorgesehen ist.

Die Ausgangssignale der Steuer- und Verbindungselektronik werden ferner einem universalrechner 32 über eine Leitung zugeführt* Wie bereits oben angedeutet, besteht nämlich ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung darin, daß die einzelnen Bausteine des Systems so entwickelt wurden, daß

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die tbervrachung und Steuerung der gesamten Elektronik durch einen Rechner möglich ist. Zu diesem Zweck besitzt der Rechner 32 eine Rückführleitung 36, zu der Steuer- und Verbindungselektronik 28.

Mit dem Rechner 32 sind die üblichen datenverarbeitenden Geräte kombiniert, was durch den Block 38 angedeutet isjb. Zu diesen Geräten gehören beispielsweise Binär- Dezimal-

fe umsetzer und weitere Einrichtungen, wie sie dem Fachmann wohlbekannt sind. Das erfindungsgemäße System weist ferner einen Hauptsteuerpult 40 auf, über welchen die Betriebsparameter eingebbar sind, und der ferner der Einstellung der verschiedensten Betriebsweisen dient, wie z.B. Handbetrieb, automatischer Betrieb, Abtastung, Programmeingabe und -Rückstellung, Stillsetzung im Notfall, Art des Laufes, Maximalgeschwindigkeit, axiale Grenzen, Zuführrate, Lochen, Drucken, Ausgabesteuerung usw., wodurch in jedem Fall das Rechnerprograram und die Maschine beeinflußt werden, da über das Hauptsteuerpult genau bestimmt wird, in welcher Weise das nachstehend in seinen Einzelheiten noch näher zu beschreibende System arbeiten soll, um die gewünschten Er-

" gebnisse im Hinblick auf die Ergebnisse der Messungen an dem Modell 10 zu erreichen. Über die Schaltung an dem Steuerpult 40 und in Abhängigkeit von dem durchzuführenden Rechnerprogramm, können auch die Eingangsparameter in Abhängigkeit von der erforderlichen speziellen Betriebsv/eise des Systems variiert werden.

Das Grundsystem wird durch Ein- und Ausgabseinheiten ergänzt, die z.B. eine Schreibmaschine, einen Locher und ein Lesegerät als übliche Einrichtungen umfassen können.

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Diese Ein- und Ausgabeeinrichtungen sind durch den Block 42 angedeutet. Natürlich besteht eine zweiadrige Ein- und Ausgab ever bindung zwischen dem Block 42 und dem Rechner 32, wie dies für den Fachmann der Rechnerdtechnik und der Datenverarbeitung ohne weiteres auf der Hand liegt.

Fig. 2·zeigt ein Blockdiagramm, aus dem sich nähere Einzelheiten des Systems entnehmen lassen. Insbesondere dient Fig.2 der Erläuterung der geschlossenen Regelschleife für die Servoeinrichtungen und die Steuer- und Verbindungselektronik. Im Zusammenhang mit dieser Figur und den übrigen durch die Beschreibung zu erläuternden Figuren sei hier darauf hingewiesen, daß entsprechende Teile durchgehend mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, wie in Fig. 1. Dengemäß sind in Fig.2 wiederum die Tastkopf-Elektronik 16 ,der Universalrechner 32, der Tastkopf 14 und die Abtastvorrichtung 12 dargestellt. Fig. 2 dient der Erläuterung des Antriebs für den Tastkopf durch die Abtastvorrichtung, wobei der Antrieb im wesentlichen über einen Motor 50 erfolgt, der mit einer entsprechenden Kodierscheibe 52 zusammenwirkt. Jede der Servo-Einrichtungen 18, 20, 22 gem. Fig. 1 umfaßt einen eigenen Motor 50 und eine Kodierscheibe 52, wobei jeweils einer der Motoren dem Antrieb der Abtastvorrichtung in der X-Y- oder Z-Richtung dient, und di'e Registrierung dieser Bewegung der Abtastvorrichtung in der jeweiligen Richtung mit Hilfe der Kodierscheiben erfolgt, wie dies für Servo-Einrichtungen typisch ist. Die mittels der Kodierschciben gewonnenen Signale werden einem Kodierscheibenregister 54 zugeführt dessen Ausgangssignale einem üblichen digitalen Summierwerk 56 zugeführt werden und ferner einem digitalen Register, welches durch den Block 58 dargestellt ist.

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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß das Summierwerk 56 Eingangssignale von dem Kodxerscheibenregister 54 und einem Analog-Digital-Wandler 27 empfängt. Dieser Teil des Systems soll später noch näher erläutert werden. An dieser Stelle soll es genügen festzustellen, daß die jeweils mit Hilfe der Kc#iig^.ct>^bbeiF ermittelte Position durch die Abtastwerte des Tastkopfs 14 korrigiert wird, so daß das resultierende Ausgangssignal des Summierwerks 56 die korrigierte Position in XyY-yz-Richtung angibt. Dieses Äusgangssignal wird einem geeigneten Binär-Register (Block 58) zugeführt ,in einem Binär^Dezimal-Umsetzer, welcher durch den Block 60 angedeutet ist, in Dezimalform gebracht und dann durch die Koordinatenwertanzeigevorrichtung (Block 62) dargestellt. Aus dem Vorstehenden Wird deutlich, daß die Blöcke 58, 60 und 62 bzw. die durch diese Blöcke angedeuteten Geräte im wesentlichen der Köordinatenwertanzeige 30 in Fig. 1 entsprechen. Die

dem korrigierten Koordinatenwerte v/erden ,Rechner 32 von dem digitalen Register (Block 58) über eine Leitung 59 zugeführt.

Der Rechner ist mit der digitalen Steuervorrichtung 64 verbunden, so daß vom Rechner die Geschwindigkeits- und die Koordinaten- Informationen an diese Steuervorrichtung 64 weitergeleitet werden können. _t Die_; Regelsqhleife schließt sich, indem das;rAu;S:gangssignal der Steuervorrichfewg,f64 über einen. Verstärke,r 66 an den Motor, 5O gelegt .wjfe^jä _ϊ: xm die ,. Abtastvorrichtung 12 in Abhängigkeit von den Bef^hlpR-des Rechners ,32. in geeigneter Weise zu steuern. Die _;Regelschleife, welche die Blöcke, bzw. Einrichtungen 52, 54, 14, 26, 64_r 66, 5ö und 12 umfaßt, ist eine vollständig stabili- .

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sierte Regelschleife für . /Funktion der Rechner 32 nicht erforderlich ist.

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Bei dem erfindungcgemäßen System ist nämlich dafür Sorge getragen, daß mittels eines Daumenhebels an einer Ständereinheit 68_r welcher einen Impulsgenerator 70 treibt, ein von Hand eingebbares Signal an die digitale Steuervorrichtung 64 gegeben werden kann, wie dies dem Fachmann wohlbekannt ist. Durch diese Mittel wird eine Fernsteuerung des Servo-Systems möglich, und außerdem ist es möglich, Steuerschalter vorzusehen, die benutzt werden können, um die Betriebsweise des Systems während des Betriebes zu verändern. Der Betrieb über Fernsteuerung kann ohne ein Rechnerprogramm durchgeführt werden, da alle Operationen dieser Einheit außerhalb des Rechners erfolgen.

Die Fig. .3 tmd 4 zeigen nähere Einzelheiten des Tastkopfes 14 und der Tastkopfelektronik 16, Dabei wird davon ausgegangen, daß die Bewegungen des Tastkopfes 14 in X-Y- und Z~Richtüng dadurch ermittelt werden, daß mit dem Tastkopf Taststift verbunden ist, der seinerseits mit drei linear

Differenzialtransformatoren verbunden ist, die asacTistehend als ΙΝΏΎ* s bezeichnet werden sollen und in Fig, die BezogszeicheJi SO, 82 land 84 tragen. Jeder IiVDT stellt eine bekannte Komponente dar, wie sie beispielsweise von der Fitmaj&iitömatlc Timing « Controls, Inc. in King of Prussia, PeiifLsylvanien hergestellt wird ,und umfaßt einen Grundkreis, wie'er In Fig« 4 dargestellt ist. Im einzelnen umfaßt jeder liVÖT eine PrimarwleJc2.*ing 8«., die mit einel^reibleitr*ft*es ©aziliafcor-Treiber* verbMin^en ist, der einen Teil einer Worrichtiang 88 bildet, die ihrerseits einen ä&x Tastkopfeimlctrotiik 16 bildet, so daß ein Wechsel-, «kromaaitriebssignal für den Transformator geliefert wird.

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Die andere Seite des Transformators umfaßt eine Wicklung 9O, deren Mittelpunkt 92 geerdet ist. Die Messungen mittels des Tastkopfes werden dann ausgehend von einer nullstellung nit Hilfe einer kleinen Eisenstange 94 erreicht, die mechanisch direkt mit dem Tastkopf 14 verbunden ist. Normalerweise" wird diese Eisenstange in einer mittleren nullstellung gehalten, die anzeigt, daß keine Bewegung des Tastkopfes selbst in irgendeiner Richtung stattgefunden hat. Wenn sieh der Tastkopf jedoch bewegt, und damit auch die Eisern;fcange 94, dann stört dies die ausbalancierte Beziehung zwischen den Wicklungen 86 und 90, was zur Folge hat, daß tl.is Wechselstromausgangssignal auf den Leitungen 96 und 98 nicht mehr ausbalanciert ist. Die Ausgangssignale von den Leitungen und 98 sind im allgemeinen WechselstromsiqnaIe. Diese Aussignale der jeweiligen LVDT's sind, wie Fig. 3 zeigt, Eingangssignale für die Demodulatorvorrichtung 88. Die Spannungsdifferenz zwischen den Leitungen 96 und 98 jedes einzelnen der LVDT's 1st ein Maß für den positiven oder negativen Betrag, der addiert bzw. subtrahiert werden muß, um die Auslenkungen des Tastkopf es in X7Y- und Z-Richtung anzuzeigen, und die Demodulator-Vorrichtung 88 wandelt diese Spannungsdifferenz in ein einziges Gleichstromsignal für jede Achse um, welches in Fig. 3 auf der rechten Seite der Demodulator-Vorrichtung 88 für die X7Y- und Z-Achse ausgegeben wird.

Im Zusammenhang rait Fig. 5 der Zeichnung soll nunmehr die Funktion der Steuer- und Verbindungselektronik näher erläutert werden. Im einzelnen werden die X7Y- und Z-Ausgangssignale der Demodulator-Vorrichfcung 88 einem elektronischen Abtastschalter IQO zugeführt, 1*0 sie nacheinander abgetastet und in einem geeigneten Umsetzer 1O2 von einer analogen

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Gleichspannung in eine digitale Zahl umgesetzt werden. Das Abtasten durch den rotierenden Abtastschalter 100, welcher ein bekannter,_felektronischer Schalter sein kann, erfolgt bei jeder Verbindung für etwa 32 jusec, wobei die Dauer eines vollstandigen Zyklus etwa 320 usec beträgt. Zwischen den Abtastvorgängen können von den Rechner andere Funktionen ausgeübt werden, eine typische Arbeitsweise, die dem Fachmann wohlbekannt ist. Fig. 6 erläutert die Funktion des Abtastschaiters 100 an einem Zeitdiagramm, von dem angenommen wird, daß es aus sich selbstverständlich ist.

Aus Fig. 7 wird deutlich, daß der Umsetzer 102 die X-Y- und Z-Signale getrennt geeigneten Summierwerken zuführt, von denen das Summierwerk 56 in Fig. 2 gezeigt ist. In Fig. sind die Summierwerke mit den Bezugszeichen 106, 108 und bezeichnet. Das Kodierscheibenregister 54 gemäß Fig. 2 führt den entsprechenden Suruiderwerken gleichfalls X-Y- und Z-VJerte zu, so daß an den Ausgängen der Summierwerke die korrigierten X-,Y- und Z-Werte, wie dies oben bereits im Zusammenhang mit Fig. 2 erläutert wurde, zur Verfügung stehen.

Mittels der Steuer- und Verbindungselektronik wird ferner ein weiteres, wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Systems erreicht, wie dies nachstehend anhand der Fig. 8 näher erläutert werden soll. " Dabei 5 st zu beachten, daß in Fig. 1 lediglich die Elemente dargestellt sind, die der Weiterverarbeitung des korrigierten X-Wertes dienen, wobei sich jedoch versteht, dafr entsprechende Systeme für die korrigierten Y- und Z-Werte vorgesehen sind. Wie Fig. 8 zeigt, v/ird der korrigierte X-Wert einem Inkrementdetektor 120, einer Schaltung 122 für den oberen Grenzwert, und einer

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Schaltung 124 für den unteren Grenzwert zugeführt. Der Aufbau des Inkrementdetektors 120 wird nachstehend noch im Zusammenhang mit Fig. 9 näher erläutert. An dieser Stelle soll es genügen festzustellen, daß die Schaltungen für den oberen und den unteren Grenzwert 122 bzw. 124 übliche Grenzwert -Detektoren sind, wie sie dem Fachmann bekannt sind. Zusätzlich zu dem korrigierten Koordinatenwert sind diesen Schaltungen über eine Leitung 126 Befehle aus dem Rechner zuführbar, was - wie bereits oben ausgeführt - für die angestrebte Rechnersteuerung des Systems von großer Bedeutung ist.

Um die Funktion der Schaltungen 120, 122 und 124 zu verstehen, 'soll nunmehr zunächst die theoretische Grundlage der Arbeitsweise dieser Schaltungen besprochen werden. Diese theoretische Grundlage wird aus Fig» IO deutlich, die einen imaginären Würfel 130 zeigt, der als Grundelement (basic increment) für die Koordinatenwertermittlung gemäß vorliegender Erfindung dient. Die Steuer- und Verbindungselektronik ist so aufgebaut, daß sie mittels des Inkrement-Detektors 12O (pro Kordinate) feststellt, v/ann der Tastkopf in X- und/oder Y- und/oder Z-Richtung sich um ein Inkrement bewegt hat, und somit den imaginären Würfel verlassen hat, welcher das Grundelement bildet. Fig. 10 zeigt, daß der Würfel als Mittelpunkt einen Ausgangspunkt 132 besitzt. Wenn sich nun der Tastkopf in Richtung der gestrichelten Linie 134 bewegen würde, würde er am Punkt 136 zuerst in Y-Richtung aus dem Würfel ausbrechen. In diesem Falle würde der Rechner unverzüglich einen neuen Würfel mit dem Punkt 136 als Mittelpunkt aufbauen, der dem in Fig. 10 dargestellten Würfel entsprechen würde. Wenn andererseits der Tastkopf den Weg nehmen würde, der durch die gestrichelte Linie 138 dargestellt ist, würde er den

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Würfel am Punkt 140 verlassen, also sowohl In X— als auch in ^-Richtung die Grenzen des Würfels überschreiten und es würde wiederum ein neuer Würfel mit dem Punkt 14Ο als Mittelpunkt erzeugt,. Aus Vorstehendem ergibt sich, daß die Theorie der Irikreinentabweichung dazu dient* ein Ausgangssignal zu erzengen» sobald eine Grenzfläche des Würfels durchbrochen wird, Er findiings gemäß wird davon ausgegangen, daß ein Inkrement bzw. eine Kante des Würfels eine Länge von etwa O,254 cm besitzt, Ein Inkrement könnte jedoch auch eine Länge zwischen O,O254 und 25,4 cm besitzen, ohne daß damit der Rahmen der Erfindung verlassen würde.

Die weitere Betrachtung der Fig. 8 zeigt, daß der Inkrement-Detektor 12Ο ein erstes Unterbrechungssignal über die Leitung 120a abgibt, sobald er feststellt, daß der Tastkopf das würfelförmige Grundelement verlassen hat und dieses Signal wird normalerweise an den Rechner gegeben, um die Feststellung der Position des Tastkopfes in diesem Augenblick einzuleiten. Ein zv/eites UnterbrGchungssignal, das auf einer Leitung 21b erzeugt wird, stellt für den Rechner einen Befehl dar, anzuhalten, wenn eine Positionsermittlung noch nicht stattgefunden hat,wenn bereits eine zweite Grenzfläche des Würfels durchbrochen und dies von dem Detektor 120 festgestellt wurde. Schließlich liefert der Detektor 120 ein drittes Ausgangssignal über eine Leitung 120c, um ein Einfrieren der Positionswerte einzuleiten, so daß der Rechner zu einem späteren Zeitpunkt die genaue Position des Tastkopfes in dem Augenblick, in dem das Unterbrechungssignal über die Leitung 120a gesendet würde, ermitteln kann.

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Die Schaltung 122 für den oberen Grenzwert sendet über die Leitung 122a ein Unterbrechungssignal an den Rechner, sobald in dem hier betrachteten Beispiel der Tastkopf bei seiner Bewegung in X-Richtung eine obere Grenze überschritten hat, die zuvor definiert wurde. Ferner kann ein Stoppsignal für den Tastkopf über die Leitung 122b gegeben werden, wenn über den Daumenhebel an der Ständereinheit 68 von Hand ein Grenzwert eingegeben wird oder wenn die obere Grenze überschritten wurde, so daß beim überschreiten der oberen Grenze weder ein Schaden am Tastkopf noch am Modell eintreten kann.

Die Schaltung 124 für den unteren Grenzwert arbeitet in genau

der gleichen Weise wie die Schaltung für den oberen Grenzwert

und gibt ihre Ausgangssignale über Leitungen 124a und 124b ab.

An dieser Stelle soll festgehalten werden, daß die gesamte Inkrementermittlung mittels festvorbereiteter Schaltungen und von diesen gesteuerten Vorrichtungen erfolgt und nicht durch ein in den Rechner eingegebenes Programm. Dieses Programm dient lediglich dem Feststellen der jeweiligen Koordinatenwerte des Tastkopfes in dem Augenblick, in dem eine Grenzfläche des Grundelements durchbrochen wird. Infolgedessen wird die Zeit für die Programmierung des Rechners verringert und das erfindungsgemäße System arbeitet somit wesentlich schneller und auch die Koordinatenwerte werden wesentlich schneller ermittelt, da der Tastkopf seine Bewegung fortsetzen kann, während der Rechner andere Operationen durchführt und dann gemäß seinem internen Zeitprogramn erneut die Positionswerte liest. Aufgrund dieser Technik arbeitet das erfindungsgemäße System wesentlich schneller al;; die bisher bekannten Systeme dieser Art.

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Man stellt fest, daß der Inkrement-Detektor 120 über eine Leitung 12Od ebenfalls Eingangsinformationen von den anderen Inkrement-Detektoren erhält und über eine Leitung 12Oe seine eigenen Informationen zu den anderen Inkrement-Detektoren sendet.

Inkrement-Grenzen-Detektor

Um eine mathematische Darstellung der Oberfläche des Modells 10 zu erzeugen ist es erforderlich, zunächst die Modell-Oberfläche in einem hypothetischen, dreidimensionalen Gitter anzuordnen. Das Gitter wird Abmessungen haben, die durch das Rechnerprogramm bestimmt werden können. Während der Tastkopf sich auf der Oberfläche des Modells IO längs einer Linie bewegt, die beispielsweise der Angriffslinie eines Schneidwerkzeugs entspricht, passiert die Spitze des Tastkopfes die Gitterlinien bzw., wenn man von einem dreidimensionalen Modell ausgeht, die Gitterebenen. Wenn der Tastkopf eine dieser Ebenen

des durchläuft, werden entsprechend der Arbeitsweise/s/stems/ifemäß der Erfindung die drei Koordinatenwerte dieses Punktes ermittelt und dem Rechner als Eingangssignale zugeführt.

Die Gitterlinien oder -Ebenen bilden einen dreidimensionalen Würfel, wie ihn Fig. 10 zeigt. Als Anfangsbedingung wird angenommen, daß die Tastkopfspitze sich irgendwo innerhalb dieses Würfels befindet. Solange sich die Tastkopfspitze innerhalb dieses Würfels bewegt, werden keine Signale an den Rechner abgegeben. Sobald jedoch der Tastkopf eine Fläche oder eine Wand des Würfels durchdringt, werden gemäß der Erfindung diedcei Koordinatenwerte, die mit diesem Punkt verknüpft sind, eingefroren. Danach wird um diesen Punkt herum ein neuer Koordinatenwürfel erstellt. Die Mitte des Würfels

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wird also auf den neuen Koordinatenpunkt gelegt.

Der oben beschriebene Vorgang wird von drei Inkrement-Detektoren gesteuert, von denen in Fig. 8 nur einer (120) gezeigt ist. Jeder der Detektoren überwacht dabei eine Bewegungsachse und liefert ein Ausgangssignal, wenn die Inkrementgrenze überschritten wird. Wenn eine Inkrementgrenze überschritten wird, werden alle drei Detektoren zurückgestellt und der Vorgang wird wiederholt.

Ein Blockdiagranun der Elektronik für eine Achse bzw. einen Detektor ist in Fig. 9 dargestellt. Das R- oder Bezugsregister 150 speichert einen Binärwert der Position des letzten aufgezeichneten Punktes. Das C-Register 152 für die gegenwärtige Position enthält zu jedem Zeitpunkt den Koordinatenwert des Tastkopfes für die entsprechende Achse. Das I- oder Inkrement-Register 155 enthält den für den Vergleich bestimmten Inkrementwert. Vorzugsweise sind die Register 150, 152 und 154 als 24-Bit-Schieberegister ausgebildet. Das Register 152 empfängt ein Eingangssignal von dem digitalen Register (Block 58) , und der Ink reinen twert im I-Register 154 wird vom Rechner 32 geliefert.

Bei Eintreffen des Befehls das System auf den neuesten Stand zu bringen, wird der Inhalt des C°-Registers 152 über eine Leitung 156 in das R-Register 151 gegeben. Auf diese Weise wird der Mittelpunkt eines neuen Würfels in den Punkt gelegt, der der Position des Tastkopfes zu diesem Zeitpunkt entspricht. Beim Wechsel des Inhalts des C-Registers 152 bildet eine algebraische binärarbeitende Subtraktions-Vorrichtung

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die Differenz der Inhalte der Register C und R. Der absolute Wert dieser Differenz wird dann in einer Vergleicherschaltung 160 mit dem Inhalt des !-Registers verglichen. Wenn er größer ist, so bedeutet dies, daß eine Grenze überschritten wurde,und über eine Leitung 162 wird am Ausgang der Vergleicherschaltung 160 ein Impuls abgegeben, der anzeigt, daß eine Grenzüberschreitung stattgefunden hat. In diesem Augenblick wird ein Grenzwert-Flip-Flop 164 gesetzt, welches diese Bedingung beibehält. Der Impuls auf der Leitung 162 hält auch die Koordinatenwertanzeige an, so daß die drei Koordinaten des Durchstoßpunktes festgehalten werden. Gleichzeitig wird der Rechner über eine Leitung 166 angesteuert und erhält den Befehl, sein laufendes Programm zu unterbrechen und den Inhalt des Registers 58 auszulesen. Das Signal des Grenzwert-Flip-Flops 164 wird ferner benutzt, um die Inkrement-Detektoren für alle drei Achsen auf den neuesten Stand zu bringen und einen neuen Würfel festzulegen. Dies geschieht über die Leitung 168. Fig. 9 zeigt, daß die Leitung 168 über eine Leitung 170 mit den beiden anderen Inkrement-Detektoren in Verbindung steht. Im Zuge der Leitung 156 zwischen dem Register 152 und dem Register 150 liegt eine UND-Schaltung 192, deren zweiter Eingang über eine Leitung 190 vom Rechner den Befehl erhält, das R~Register 150 auf den neuesten Stand zu bringen.

Während der Rechner den eingefrorenen Inhalt des Registers 58 verarbeitet, wird das Grenzwert-Flip-Flop 164 über eine Leitung 172 zurückgesetzt. Wenn dieses Flip-Flop jedoch nicht zurückgesetzt wird, so zeigt dies an, daß der Rechner während bereits ein neuer Durchstoßpunkt ermittelt wurde, die zuletzt eingefrorenen Koordinaten noch nicht gelesen hat und daß es erforderlich ist, ihn mit höherer Geschwindigkeit arbeiten

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zu lassen. Es ist ein Flip-Flop 174 vorgesehen, welches anzeigt, daß der Rechner hinterher hinkt. Nimmt dieses Flip-Flop eine entsprechende Stellung ein, so wird das System durch den Rechner augenblicklich gestoppt, um eine vollständige Datenerfassung sicherzustellen.

Das Unterbrechungssignal von dem Flip-Flop 174 zu dem Rechner läuft über die Leitung 176,und das Signal zum Stoppen der Servo-Einrichtungen über eine Leitung 178. Dabei ist zu beachten, daß das Signal des Grenzwert-Flip-Flops 164 an einer UND-Schaltung 180 mit einem zweiten Grenzwert-Signal auf der Leitung 162 zusammenfallen muß, um das Flip-Flop 174 zu setzen.

Fig. 11 zeigt den Tastkopf 14 _t den Modulator 88 ,die Kodierscheibe 52, den Rechner 32, den Analogdigitalwandler 102 und die Summierwerke 106-110, die in dieser Figur insgesamt mit dem Bezugszeichen 109 bezeichnet sind.

Die geschlossene Regelschleife des Servo-Systems führt zu einem Pfad aus mehreren geschlossenen Schleifen zwischen dem Tastkopf 14 und der Elektronik, die die tatsächliche Steuerung der Schaltungen des Tastkopfes bewirkt. Zu diesen Schaltungen gehört natürlich der Motor 50, der über die Kodierscheibe 52 und das Kodierscheibenregister 54 arbeitet.

Um die Geschwindigkeit des Motors 50 zu messen (es versteht sich, daß tatsächlich drei Motoren 5O zusammenwirken und zwar zur Erzeugung von Bewegungen in X7Y- und Z-Richtung), ist zunächst ein Tachometer 150 vorgesehen, welches einen Leistungsverstärker 152 speist, dessen Ausgang wiederum mit dem Motor

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verbunden ist. Mit Hilfe des Tachometers wird eine genaue Steuerung der Geschwindigkeit des Motors erreicht, um eine stetige Bewegung des Tastkopfes 14,unabhängig von der Form der Oberfläche des Modells oder ähnlichen Einflüssen "zu erreichen. Einem weiteren Eingang des Leistungsverstärkers wird ferner das Ausgangssignal des Demodulators 88 zugeführt, um auf diese Weise zu einer weiteren, direkten korrigierenden Kontrolle des Antriebsmotors 50 zu gelangen. Die dritte Schleife, über welche eine Steuerung des Motors über den Leistungsverstärker 152 ausgeübt wird, kommt vom Ausgang des Kodierscheibenregisters 154, wobei dieses Signal auf einen Servo-Zähler 156 und von dort zur Rückkopplung auf den Verstärker 152 auf einen geeigneten Analog-Digital-Wandler 158 gegeben wird. Eine Verbindung zwischen dem Rechner 132 und dem Servo-Zähler 156 ist über eine Leitung 157 hergestellt. Dieser Pfad liefert die Inkrement-Positionsbefehle für das System. Eine Leitung 159 liefert Geschwindigkeitsbefehle für die Servo-Schleife. Man erkennt auch, daß die Betätigung des Daumenhebels an der Ständereinheit 68 über den Zähler 156 direkt auf diese geschlossene Regelschleife einwirkt.

In der Tat könnte dies eine Positicns-Servo-Schleifen-Steuerung für den Motor 50 genannt werden (der Motor 50 stellt in der Tat nur einen von drei Motoren dar und ein gleiches System, welches in den beiden anderen Achsen arbeitet, ist gleichzeitig wirksam). Die Kombination der Tastkopfinformation, die über den Demodulatorkreis direkt auf den Leistungsverstärker 152 wirkt, mit der Kodierscheibeninformation, die auf den Leistungsverstärker 152 wirkt, und mit dem Tachometer

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150 führt zu einer kombinierten Geschwindigkeits- und Positions-Regelschleife für-die zusammenwirkenden Servo-Einrichtungen. Bei Steuerung durch geeignete Programme ermöglicht es dieses System/den Tastkopf genau rechtwinklig zur Oberfläche des Modells zu bewegen und die Tastkopfspitze stets in Kontakt mit dem Modell zu halten, ohne das System zu übersteuern oder den Tastkopf oder das Modell zu beschädigen, wobei stets sichergestellt ist, daß die genaue Richtung beibehalten wird, wenn mögliche Widerstände oder dgl. entdeckt werden/ Infolge der Betriebsweise mit geschlossener Regelschleife spricht das System verzögerungsfrei auf Geschwindigkeit und Position an.

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Es soll an dieser Stelle noch einmal betont werden, daß die tatsächliche Kontrolle der Richtung der Tastkopfposition,der Tastkopfgeschwindigkeit und der Ermittlung der oberen und unteren Grenze/sowie des Überschreitens der Inkrementgrenzen, der Form der Ausgangsdaten über das Hauptsteuerpult 40 erfolgen kann/wobei dann alle Ausgangsinformationen und Bewegungen des Tastkopfes durch ein geeignetes Programm bewirkt werden, also nicht durch die festen Schaltungen (hardware) sondern durch die sog. "software" des Rechners. Die Daten werden während der Bewegung des Tastkopfes normalerweise durch eine geeignete periphere Ein- Ausgabeeinheit ausgegeben, wobei als Ausgabeeinheit typischerweise ein Locher CBlock 42) verwendet wird. Als typische Merkmale des erfindungsgemäSen Systems werden die Tastkopfelektronik und die Steuer- und Verbindungselektronik 16 bzw. 28 angesehen, die in Zusammenarbeit mit den Inkrement-Detektoren eine

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schnelle Bewegung des Tastkopfes gestatten, wobei die Ausgangsdaten ohne übermäßige Belastung des Rechners ausgelesen werden. Die Grenzflächenüberwachung und das schnelle Ansprechen dieses mechanischen Systems verhindern jede Beschädigung des Tastkopfes oder der Probe. Der geschlossene Regelkreis des Servosystems, der die Geschwindigkeit und die Positionsinformationen koordiniert, und zwar mit Hilfe des Leistungsverstärkers, bewirkt eine direkte Steuerung des Motors bzw. der Motoren und vereinfacht ferner die Bewegung des Tastkopfes in Übereinstimmung mit der programmierten Steuerung beträchtlich. Er verhindert ferner eine mögliche Beschädigung des Tastkopfes .oder des Modells, und zwar unabhängig von den Konturen desselben und von der Geschwindigkeit, mit welcher der Tastkopf bewegt wird.

Die Abtastung des Modells kann entlang beliebiger Oberflächenlinien erfolgen; vorzugsweise startet man jedoch beispielsweise an der unteren rechten Ecke, schreitet zu der oberen rechten Ecke fort, führt danach die Abtastung auf dem seitlichen, stufenförmigen Bereich durch und setzt die schrittweise Bewegung von einer Seite des Modells zur anderen fort, bis ein Endpunkt an der entfernten,unteren linken Ecke erreicht wird. Selbstverständlich wird das seitliche Vorrücken und die Geschwindigkeit der Bewegung von der Zahl der Inkremente abhängen, an denen Messungen vorgenommen werden, und außerdem von der Kompliziertheit der Oberfläche des Modells.

Aus dem vorstehenden ergibt sich, daß ein System gemäß der Erfindung eine große Flexibilität auf v/eist, die in wesentlichen von der Zusammenwirkung eines mechanischen Systems

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mit einer Programmsteuerung durch einen digitalen Computer Gebrauch macht* um mit großer Zuverlässigkeit innerhalb einer kurzen Zeit die Steuerdaten für eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine zu erhalten. Der direkte Zugang des Rechners zu allen Peripherie-Systemen ermöglicht es, eine große Flexibilität beim Betrieb der "hardware" und der Steuerung durch das Rechnerprogramm (software) zu erreichen.

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Claims (1)

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Patentansprüche

Automatisches Digitalisierungssyatem mit einer mechanischen Vorrichtung mit einem Tastkopf zur Erzeugung elektrischer Signale bezüglich seiner Position in X-, Y- und Z-Richtung und mit steuerbaren Servo-Einrichtungen zur Herbeiführung von Bewegungen des Tastkopfes in X-, Y- und Z-Richtung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Servo-Systen zur Steuerung der zu der mechanischen Vorrichtung gehörigen Servo-Motoren vorgesehen ist, daß eine Tastkopf* Elektronik vorgesehen ist, die augenblicklich ein Ausgangssignal über die Position des Tastkopfes in X-, Y- und Z-Richtung liefert, wenn dies jeweils gewünscht wird, daß ein Rechner, vorzugsweise ein binärer Universalrechner,zur selektiven Steuerung des Servo-Systems und zum Auslesen der Tastkopf-Elektronik vorgesehen ist, daß"der Rechner in der Weise programmierbar ist, daß er selektiv steuerbar ist, daß Einrichtungen zum Auslesen der von der Tastkopf «Elektronik ausgewählten Information durch den Rechner vorgesehen sind, und daß zwischen der Tastkopf-Elektronik, der Servo-Elektronik und dem Rechner eine Steuer- und Verbindungs-Elektronik vorgesehen ist, um einen Zugriff des Rechners zur Tastkopf-Elektronik und Servo-Elektronik, und eine Speicherung der Tastkopfinformation während der Tastkopfbewegung zur Auslesung durch den Sechner zu ermöglichen.

System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, um die aus der Tastkopf-Elektronik stammenden Informationen durch den Rechner derart weiter zu verarbeiten, daß ein Informationsträger geeigneter Form für die Steuerung numerisch gesteuerter Werkzeugmaschinen erzeugbar ist,

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3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Servo-Motoren Gleichstrom-Motoren sind, und daß das Servo-System drei koordinierte Regelschleifen zwischen den Servo-Motoren, dem Rechner und der Steuer- und Verbind ungs -Elektronik umfaßt, mit deren Hilfe die analoge Steuerung der Servo-Motoren durch rückgekoppelte, digitale Parameter durchführbar ist.

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über die Tastkopf-Elektronik die Tastkopf-Koordinatenwerte dem Rechner in geeigneter, digitaler Form zuführbar sind.

5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Servo-System mit geschlossener Regelschleife mit den drei Bewegungsachsen des Tastkopfes zusammenwirkt, um einen optimalen Kontakt des Tastkopfes mit dem Modell oder dgl. sicherzustellen, ohne daß die mechanischen Grenzen überschritten wurden, daß Einrichtungen zur Feststellung vorgegebener Ihkrement-Bewegung des Tastkopfes in X-, Y- und Z-Richtung und zum unmittclb-aren Lesen der Tastkopfposition vorgesehen sind, wenn solche vorgegebenen Inkremente der Tastkopfbewegungen bewirkt worden sind, und daß Einrichtungen für eine kontinuierliche Anzeige und Aufzeichnung der Stelle der Oberfläche, die vom Tastkopf bei seiner Bewegung über dieselbe während einer im wesentlichen kontinuierlichen Bewegung des Tastkopfes festgestellt wurde, vorgesehen sind, w>bei der Rechner mit allen diesen Einrichtungen über mindestens zwei Verbindungsleitungen zusammenarbeitet, um die Bewegung des Tastkopfes zu steuern und ein Auslesen .der Oberfläche bei der Bewegung des Tastkopfes zu bewirken.

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5. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Feststellung der Inkrement-Bewegungen des Tastkopfes für jede Achse ein Referenz-Register, ein Register für die gegenwärtige Stellung, ein über den Rechner einstellbares Inkrement-Register, Einrichtungen zur Subtraktion des Inhalts des Registers für die gegenwärtige Stellung vom Inhalt des Referenz-Registers und zur Erzeugung einer absoluten Anzeige der jeweiligen Tastkopfstellung für diese Achse, einen Vergleicher zum Vergleichen der algebraischen Subtraktion der letztgenannten Einrichtungen mit der Information in dem Inkrement-Register, und zum Erzeugen eines Ausgangssignals, sobald ein solches Inkreiiient überschritten ist, Einrichtungen zur Erzeugung eines Auslesebefehls für den Rechner und zur Rückstellung des Referenz-Registers sowie des Registers für die gegenwärtige Stellung in Abhängigkeit von einem Befehl von dem Rechner, und Einrichtungen zur Unterbrechung der Tastkopfbewegung bei Ermittlung eines zweiten Inkrements vor Beendigung des Auslesens der Tastkopf-Position bei einem ersten Inkrement durch den Rechner umfassen.

7. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastkopf-Bewegungen in X-, Y- und Z-Richtung durch linear variable Differenzialtransformatoren ermittelbar sind.

8. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Detektor für die obere Grenze und ein Detektor für die untere Grenze der Tastkopfbewegungen vorgesehen ist, und daß durch diese Detektoren bei Peststellung einer dieser Grenzen der Tastkopf anhaltbar ist.

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9. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Servo-Anzeige der Stellung des Tastkopfes nit den Signalen von den Transformatoren koiribinierbar ist, um ein korrigiertes Signal der Tastkopf-Position auf der Modelloberfläche zu erzeugen.

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