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Verfahren und Vorrichtung zur Fertigung von Werkstücken durch Kopieren
eines Modells oder einer Zeichnung Gegenstand der Erfindung ist das Verfahren und
die Vorrichtung zur Herstellung beliebiger Werkstücke durch Kopieren eines Modells
oder durch Übertragung einer Zeichnung direkt auf das Werkstück.
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Die Verfahren und Vorrichtungen, die bisher bekanntgeworden sind,
beruhen auf der Verwendung des Storchschnabelprinzips, bei dem ein Tastfinger mit
dem gegen das Werkstück arbeitenden Werkzeug durch ein Parallelogramm mechanisch
starr verbunden ist, beide aber im Raum frei bewegbar sind. Bei maschinell angetriebenen
Kopiermaschinen wird die Bewegung im Raum durch eine Fühlersteuerung geregelt. Der
Tastfinger ist beweglich gelagert und mit elektrischen Kontakten oder zwischen Induktionsspulen
befindlichen Ankern versehen, die in geeigneter Weise die Bewegung des Fühlfingers
und des mit ihm starr verbundenen Werkzeugs durch Beeinflussung des Antriebs der
Vorschubbewegung und Zustellung bewirken.
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Die deutschen Patentschriften 535 518, 578 623, 551 742, 62o:273
beschreiben Kopiereinrichtungen, bei denen nach dem Storchschnabelprinzip und dem
daraus hervorgegangenen Umrißkopierverfahren mit Kopierrolle gearbeitet wird.
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Fühlersteuerungen werden durch die deutschen Patentschriften 456 605,
464 545, 536 867, 586 786, 598 o8o, 603 359, 626 o99, 626 564, 639 604. 626
564, 614 165, 519 416 für elektrische Kontaktsteuerungen, durch die deutschen Patentschriften
6o6 183, 6I5 o67 unter Verwendung der induktiven
Eltäslehre;
durch die deutschen Patentschriften 622 188, 627 769 unter Verwendung
des Dizsenbolometers, durch die deutsche Patentschrift 640 986 unter Verwendung
-hydraulischer Steurungselemente beschrieben.
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Man hat ferner versucht, auf fotoelektrischem Wege Modelle oder Zeichnungen
zu kopieren, wie die :deutschen Patentschriften 382 233, 595 66o, 515 o87 zeigen.
Außerdem wurde dieses Problem von H. S c h ü t z in dem Buch »Das Steuern von Fräsmaschinen
durch Fotozellen« beschrieben.
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Die vorliegende Erfindung will diese Kopierverfahren nach zwei Richtungen
verbessern, indem einmal statt des stufenförmigen Kopierens mittels elektrischer
Kontaktfühler ein kontinuierliches Kopieren ohne pendelnde Tastbewegung erfolgt
und indem andererseits Modelle mit den gleichen Fühlersteuerungen kopiert werden
können wie Zeichnungen. Bisher können nämlich entweder auf fotoelektrischem Wege
nur Zeichnungen kopiert werden oder mit einer Fühlersteuerung nur Modelle. Beide
Aufgaben lassen sich mit den gleichen Einrichtungen nicht auf ein und derselben
Maschine ausführen.
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Im Gegensatz zu den bisher bekannten Fühlersteuerungen, die mit elektrischen
Kontakten, Fotozellen, Induktivitäten usw. arbeiten, verwendet das Kopierverfahren
nach der vorliegenden Erfindung einen Steuerfühler auf elektrisch-kapazitiver Grundlage.
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Der Fühler ist nämlich mit druckempfindlichen Kondensatoren besetzt,
die bei der Berührung des Modells zusammengedrückt werden, dadurch ihre Kapazität
erhöhen und die Steuerung der Kopiermaschine beeinflussen. Die am Fühler angebrachten
Kondensatoren können aber auch nur aus einem Beleg eines solchen elektrischen Kondensators
bestehen, während das Modell, welches leitend ist oder leitend gemacht wird, den
anderen Kondensatorbeleg darstellt, Wenn --nun- der Fühler die Modelloberfläche_mit.mehr
oder weniger großem Druck berührt, dann erfolgt wieder eine Kapazitätserhöhung des
Kondensators und damit eine Steurung der Kopiermaschine. Statt eines leitenden Modells
kann von dem Fühler aber auch eine Zeichnung abgetastet werden, die mit einer leitenden
Flüssigkeit oder sonstigem elektrisch leitendem Material; z: B. Graphit; gezeichnet
wurde. Auf -diese Weise läßt sich mit dem gleichen Fühler sowohl ein Modell als
auch eine Zeichnung abtasten bzw. kopieren.
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Ein wesentlicher Vorteil dieser kapazitiven Fühler ist ihre Vorempfindlichkeit,
d. h. nähert sich der Fühler einem .ansteigenden oder abfallenden Teil des Modells,
so wird sich vorher bereits die Kapazität ändern- und dadurch gestatten, die Vorschubgeschwindigkeit
der Maschine herabzusetzen. Da dann nur geringe bewegte Massen umzusteuern sind,
wird die Kopiergenauigkeit erhöht. Bei den übrigen elektrischen und mechanischen
Fühlern muß infolge Fehlen dieser Vorempfindlichkeit die Umsteuerung schnell bewegter
Massen auf kürzesterri Wege (Bruchteile eines Millimeters) vorgenommen werden, wodurch
der maschinelle Aufwand sehr hoch und die Kopiergenauigkeit geringer wird.
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Das wesentlichste ist, .daß die steuernden Fühlerkondensatoren an
dem Fühlerorgan einen multiplikativen Kopiervorgang durchführen lassen. Die Bewegung
der Kopiermaschinen bzw. deren Vorschübe erfolgt nach drei zueinander senkrechten
Richtungen. Legt man eine Mittelstellung als gemeinsamen Nullpunkt oder gemeinsame
Ausgangsstellung zugrunde, so kann man sechs Bewegungsrichtungen unterscheiden,
nämlich drei positive Richtungen (Länge, Höhe, Breite) und drei negative Richtungen
(entgegengesetzte Länge, Tiefe, Breite). Erhält nun der Steuerfühler sechs Kondensatoren,
so kann zunächst die Richtung nach ihrem Vorzeichen unterschieden werden.
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Fordert man nun die Vorschubbewegung (wie wohl meistens) nicht in
einer der Hauptbewegungsrichtungen, z. B. horizontal usw., sondern beliebig zu dieser
geneigt; dann sprechen zwei zueinander senkrechteKondensatoren an, so daß die Bewegung
in eben dieser Neigung durch vorzeichenrichtige Steuerung zweier Vorschübmotoren
erfolgt.
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Es können nun aber außerdem zwischen diesen sechs Haüptrichtungskondensatoren
noch Zwischenkondensatoren angeordnet werden, welche aber dann Produktkondensatoren
darstellen, d. h. diese steuern auf alle Fälle nicht einen Vorschubmotor, sondern
zwei, so daß eine resultierende Bewegung entsteht.
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Die Fühlerkondensatoren sind so geschaltet; daß sie in Abhängigkeit
von ihrer Kapazität die Geschwindigkeit der Vorschubbewegungen beeinflussen, sei
es, daß sie mit zunehmender Kapazität die Geschwindigkeit erhöhen oder herabsetzen,
sei es, daß sie -die Antriebsmotoren in ihrer Geschwindigkeit direkt beeinflussen.
Auf alle Fälle wird erreicht, daß jede beliebige Kurve kopiert werden kann, weil-
dann zwei zueinander senkrechte Kondensatoren ansprechen und proportional zu ihrer
Kapazität die resultierende Bewegung als vorzeichenrichtiges Produkt dieser beiden
Kapazitäten bzw.,der jeweiligen :Ordinaten im Raum gebildet wird.
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Während bei den übrigen Fühlersteuerüngen die Feststellung der Bewegungsrichtung
mit Schwierigkeiten verbunden war; ist dies bei dem multiplikativ en Kopierverfahren
in einfachster Weise möglich. Um beim Kopieren eine bessere Oberflächengute zu erzielen,
ist man in der Lage, den Fühler wie :das Werkzeug oszillieren zu lassen, d. h. zusätzliche
pendelnde oder kreisende Bewegungen ausführen zu lassen. Die Wirksamkeit der kapazitiven
Fühlersteuerung wird dabei in jedem Fall aufrechterhalten.
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Die Abb. i bis i i zeigen die Durchführung des Kopierverfahrens und
der zugehörigen Einrichtungen.
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Die Abb i. bis 3 zeigen einen kapazitiven Fühler, bei dem durch das
leitende Modell der eine Beleg des Kondensators gebildet wird. i ist der Schaft,
4 der aus Isoliermaterial - bestehende Kopf
des Fühlers. Auf diesem
sind die leitenden Belege 3, 6 und 8 der Fühlerkondensatoren angebracht, die durch
die Isolation und verschleißfeste Schutzschicht 2, 5 und 7 geschützt sind. 9 stellt
die abzutastende Oberfläche des Modells dar. Die Anordnung der Fühlerkondensatoren
zeigt Abb. 2 und 3. In @@lil>. 2 sind nur Richtungskondensatoren vorhanden, und
zwar 2 für die (positive) Höhe, 7 für die (negative) Tiefe, io für die (positive)
Richtung nach rechts, i i für die (negative) Richtung nach links, 5 für die positive
und negative Vor- und Rückwärtsbewegung.
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In Abb. 3 sind außer den Richtungskondensatoren 1-2, 14, 16. und i8
noch Produktkondensatoren 13, 15, 17 und i 9 vorhanden, z. B. 13 für das positive
Produkt 12 - 14.; i9 für das negative Produkt 12 # 18 USW.
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Die Abb..I bis 6 zeigen einen kapazitiven Fühler, der aus druckempfindlichen
Kondensatoren besteht, wenn die Oberfläche nichtleitender Modelle kopiert werden
so] 1. 30 ist der Fühlerkörper, 31 die Modelloberfläche. Die Fühlerkondensatoren
bestehen aus dem Kondensatorbeleg 25, 29 oder 27, dem elastischen odermehrfachen
Dielektrikum 2d., 28 oder 26 und dem Gegenbeleg des Kondensators 21, -23 oder 22.
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Abb. 5 zeigt, daß die druckempfindlichen Kondensatoren entweder aus
Richtungskondensatoren 21, 22, 23, 32 und 33 bestehen können oder, wie Abb. 6 zeigt,
auch noch Produktkondensatoren aufweisen können, die durch 35, 37, 39 und 41 dargestellt
werden und die vorzeichenrichtigen Produkte der Richtungen 3.4, 36, 38, d.o und
,42 bilden: Die Abb. 7 und 8 zeigen einen kapazitiven Fühler, bei welchem die Kondensatoren
nicht an der Fühlerspitze, sondern an dem entgegengesetzten Ende sitzen. Das NL1ode114,3
wird durch den mit der Fühlerkappe 4.4. versehenen Fühler 4.5 abgetastet, welcher
in der Membran .I6 gelagert ist. Der Fühler .IS trägt am anderen Ende als einen
Kondensatorbeleg den geeignet, hier kugelförmig ausgebildeten Beleg d7, dem sechs
Kondensatoren .18, .I9, 50, 51, 52 und 53 für die sechs Bewegungsrichtungen gegenüberstehen
und jeweils aus dem geeignet in Dicke und Dielektrizitätskonstante dimensionierten
Dielektrikum und dem metallischen Gegenbeleg bestehen. Es ist ohne weiteres möglich,
zwischen diesen sechs Richtungskondensatoren noch die entsprechenden Produktkondensatoren
unterzubringen.
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Abb. 9 zeigt die Fühlerkonstruktion für die Kopierung direkt von der
Zeichnung, Diese wird dargestellt durch den leitenden Linienzug 54. Der Kopierfühler
besteht aus den Richtungskondensatoren 55, 56, 57 und 58 sowie aus den Produktkondensatoren
59, 61, 6o und 62. Die Kondensatoren sind entweder wie in Abb. i ausgebildet, indem
sie aus einem metallischen Beleg und einem in Dicke undDielektrizitätskonstante
geeignet angepaßtenDielektrikum bestehen oder nur aus einem metallischen Beleg,
wobei die Rückseite der Zeichnung abgetastet wird und das geeignet gewählte Zeichenpapier
das Dielektrikum darstellt. Auf diese Weise erfolgt eine erhebliche Schonung der
Zeichnungen. Um Zeichnungen fortlaufend zu kopieren, können sie auch statt in geschlossenen
Linienzügen in fortlaufenden T inienzügen dargestellt werden. Man arbeitet dann
zweckmäßig mit mehreren kapäzitiven Fühlern, wobei der eine die Zeichnung abtastet,
der ändere zusätzliche Steuerimpulse gibt.
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Abb. io zeigt den prinzipiellen Aufbau der Kopiereinrichtung für ein
spezielles Beispiel. Über dem -Modell- oder Zeichnungstisch 63 arbeitet der Fühler
65, über dem Werkstücktisch 6,4 das Werkzeug 66. Der Fühler 65 besitzt die entsprechenden
Fühlerkondensatoren 67, 68 und 69, die hier sowohl für die positive und negative
Richtung gelten und die direkt die Geschwindigkeit der Antriebe 70, 71 und 72 für
die drei Bewegungsrichtungen steuern. Der Antrieb 7o bewirkt die Längsbewegung über
die Welle 76 und das Übersetzungsgetriebe 73, der Antrieb 71 die Querbewegung über
die Wellenleitung 77 und das Übersetzungsgetriebe 74, der Antrieb 7 2 die Vertikalbewegung
über die Wellenleitung 78 und das Übersetzungsgetriebe 75. Die Übersetzungsgetriebe
73, 7:a. und 75 dienen dazu, ein abgetastetes Modell in kleinerem oder größerem
Maßstab durch das Werkzeug 66 herzustellen. Die Antriebe 70; 71 und 72 können entweder
in bekannter Form durch gleichmäßig umlaufende Motoren und Getriebe erfolgen, es
können aber auch absatzweise Schaltgetriebe oder Stufenantriebe verwendet werden.
Es ist z. B. möglich, die Antriebe-7o, 71 und 72 sowie die Übersetzungsgetriebe
73, 74- und 75 statt durch gleichmäßig umlaufende Antriebe durch elektrische Antriebe
zu ersetzen, die durch Steuerimpulse jeweils einen ganz bestimmten Vorschub oder
Rücklauf ausführen. Auf diese "'eise können die mechanischen Wellenleitungen
76, 77 und 78 durch elektrische Leitungen ersetzt werden und der Kopiertisch
63 an beliebiger Stelle, d. h. räumlich von dem Maschinentisch entfernt, aufgestellt
werden. Es kann aber auch ein Fühler 65 mit mehreren Werkzeugen 66 und :4Zaschinentischen
64 verbunden und so in einem Arbeitsgang mehrere Werkstücke hergestellt werden.