DE2733035A1

DE2733035A1 - Bewegungs- oder positions-steuersystem

Info

Publication number: DE2733035A1
Application number: DE19772733035
Authority: DE
Inventors: Allan I Edwin; Harold William Katz
Original assignee: Caterpillar Tractor Co
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1977-07-21
Filing date: 1977-07-21
Publication date: 1979-02-08

Description

Bewegungs- oder Positions-Steuersystem
Zusammenfassung der Erfindung. Die Erfindung bezieht sich auf ein Positions-Steuersystem für eine Schweißvorrichtung und umfaßt eine von der Schweißkopfanordnung getragene schwenkbare Sonde zur Bewegung durch einen sich vor der Bewegungsbahn des Schweißkopfes erstreckenden Bogen. Eine von der Sonde gehalterte Fühlvorrichtung stellt die Verbindung zu einem Steuersystem her, welches eine Ausgangsgröße erzeugt, die die Koordinaten von Punkten längs der Mittellinie repräsentiert, und eine Ausgangsgröße proportional zu dem Spalt der Anstoßlinie zwischen einem Paar von zu verschweißenden Platten, und wobei dieses Steuersystem die Richtung und Rate bzw. Geschwindigkeit der Bewegung des Schweißkopfes längs der Mittellinie des Anstoßes und auch die Rotation des Kopfes steuert, um diesen in einer richtigen Anordnung gegenüber der im Schweißen befindlichen Naht zu halten, und um die Fühlvorrichtungsbewegung im ganzen vor der Bewegungsbahn des Kopfes zu halten.
Die Erfindung bezieht sich auf ein System zum Abfühlen der Form einer Werkstückbahn vor einer längs des Werkstückes beweglichen Bearbeitungsvorrichtung und zur Steuerung der Richtung und Geschwindigkeit der Bewegung der Bearbeitungsvorrichtung bezüglich der Bahn.
Es sind bereits verschiedene Positions-Steuersysteme bekannt, um die Bewegung eines Arbeitskopfes, wie beispielsweise eines Schneiders, Schweissers, Flammenschneiders oder dgl., längs einer Bahn auf einem zu bearbeitenden Werkstück zu steuern. Wenn die Bahn in einfacher Weise numerisch ausgedrückt werden kann, so kann zuvor ein Programm hergestellt werden, um die geeigneten Steuersignale zu erzeugen, um so die gewünschte Bewegung zu erreichen. Oftmals ist jedoch unzweckmäßig in der Weise die Bahn zu definieren oder aber wie im Falle von zwei aneinander anstossenden zu verschweissenden Platten sind niemals zwei Bahnen identisch, so daß die Kosten für die Herstellung eines einzelnen Programms für jeden Satz von Teilen nicht zu rechtfertigen sind.
Verschiedene Formen von Linienfolgesteuersystemen wurden für die letztgenannte Klasse von Anwendungsfällen angegeben.Diese Systeme umfassen Fühlvorrichtungen, welche die zu verfolgende Bahn feststellen, wie beispielsweise die Anstoßlinie zwischen einem Paar von zu verschweißenden Platten oder eine auf einem Werkstück markierte Linie, und sie erzeugen Signale für ein Positionssteuersystem, welches die Bearbeitungsvorrichtung längs dieser Bahn bewegt. Diese Einheiten können verschiedene Fühlvorrichtungen verwenden, und zwar beispielsweise solche kapazitiver, magnetischer oder optischer Natur, und zwar abhängig von der Art der Bahn. Typischerweise umfassen diese Vorrichtungen ein Paar von Fühlvorrichtungen, welche die Bahn umfassen und erzeugen ein Differentialsignal, welches verwendet wird, um die Relativposition der Bearbeitungsvorrichtung und der Bahn zu bestimmen.
Diese Vorrichtungen verwenden Servoantriebe, welche die Abweichung zwischen der verfolgten Bahn und der Bewegung der Bearbeitungsvorrichtung abfühlen, wobei die Bearbeitungsvorrichtung in einer solchen Richtung modifiziert wird, daß die Differenz minimiert wird.
Zusammenfassung der Erfindung. Die vorliegende Erfindung richtet sich auf Fühlvorrichtungen zur Feststellung einer langgestreckten Bahn gebildet oder markiert auf einem Werkstück oder einer Vielzahl von miteinander zu verbindenden Werkstücken, wobei sich die Erfindung ferner auf ein System bezieht, welches die Fühlvorrichtungsausgangsgröße verwendet, um die Bewegung eines Bearbeitungsgliedes längs dieser Bahn zu steuern. Anstelle der Verwendung einer Fühlvorrichtung oder eines Paares von Fühlvorrichtungen, welche die Bahn umgeben und Veränderungen zwischen der Position der Bearbeitungsvorrichtung und der Bahn feststellen, benutzt die vorliegende Erfindung eine Fühlvorrichtung, welche sich wiederholt längs einer Linie quer zur Bahn bewegt und erzeugt Signale, welche für die Natur des transversalen Querschnitts der Bahn repräsentativ sind. Diese Signale werden verwendet, um den Mittelpunkt der Bahn zu berechnen und bei bestimmten Ausführungsbeispielen der Erfindung können die Signale verwendet werden, um andere Charakteristika der Bahn zu bestimmen, wie beispielsweise deren Breite, Tiefe und Oberflächen- oder Kantencharakteristika, um so Signale zu erzeugen für die Steuerung der Rate und Richtung der Bewegung der Bearbeitungsvorrichturg längs der Bahn.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches im folgenden im einzelnen beschrieben wird, wird die Sonde von einem Arm gehaltert, der durch die Bearbeitungsvorrichtung getragen ist und welcher sich schwenkbar hin und her längs einer bogenförmigen Bahn am Ende eines Armes bewegt, der sich vor die Bearbeitungsvorrichtung hin erstreckt. Sowohl die Bearbeitungsvorrichtung als auch der Arm sind um eine Achse schwenkbar, die sich senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks erstreckt, so daß die Fühlvorrichtungsbewegung tangential zur augenblicklichen Bewegungsrichtung der Bearbeitungsvorrichtung bleibt.
Ein Antriebssystem für die Bearbeitungsvorrichtung und die Fühlvorrichtung kann mit einer Z-Achsensteuerung ausgerüstet sein, um die Höhe der Fühlvorrichtung oberhalb des Werkstücks konstant zu halten, und zwar unabhängig von den Veränderungen der Form des Werkstücks, und um zu verhindern, daß Bearbeitungskopf und Fühlvorrichtungen auf das Werkstück auftreffen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindunq werden die Fühlvorrichtungssignale digital verarbeitet, um ,teuersignale für die Antriebe zu erzeugen. Die Fühlvorricht#ngssonde wird mit einer Geschwindigkeit hin- und herbewegt, die verglichen mit der Bewegungsgeschwindigkeit der Bearbeitungsmittel längs der Bahn schnell ist, und die Ausgangssignale von jedem Durchlauf oder jeder Überstreichung werden verarbeitet, um die Koordinaten des Mittelpunktes der Bahn bezüglich der derzeitigen Bewegungsrichtung der Bearbeitungsmittel zu bestimmen. Diese Koordinaten werden gespeichert und modifiziert, wenn sich der Schweißkopf bewegt, um sie als inkrementierte Positionen bezüglich der augenblicklichen Position des Kopfes beizubehalren.
Wenn der Kopf die unmittelbare Nachbarschaft eines Koord#natensatzes erreicht, so werden sie verwendet, um die Bewegungsrichtung des Kopfes zu steuern und den Winkel des Kopfes zu rindern.
Bei Anwendungsfällen, wie beispielsweise Schweißgeräten, wo die Bewegungsgeschwindigkeit des Bearbeitungskopfes vorzugsweise als Funktion der benötigten Schweißmenge gesteuert wird, d.h. die Bahn oder Nutenbreite wird überquert, berechnet das System die Breite der Bahn abgefühlt durch die Sonde und steuert die Bewegungsgeschwindigkeit des Kopfes als eine umgekehrte Funktion dieser Dicke. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Sonde unterschiedliche Parameter der Bahn abfühlen, wie beispielsweise deren Kontour oder Form in einer Z-Richtung, um die Wirkungsweise der Bearbeitungsvorrichtung zu steuern.
Die vorliegende Erfindung kombiniert daher die Vorteile und die Wirtschaftlichkeit bekannter Systeme der Servobauart, welche die Abweichung zwischen der tatsächlichen und der gewünschten Position der Bearbeitungsmittel steuert und die Bearbeitungsmittel derart antreibt, daß diese Differenz minimiert wird, und numerischer Steuersysteme, die eine vorgeplante Digitalbahn für die Bewegung des Bearbeitungskopfes entwickeln. Die Erfindung erzeugt in effektiver Weise ein Digitalprogramm für das Antriebssystem durch Abfühlen der Fläche vor der Bearbeitungsvorrichtung und durch Aufzeichnung dieser Kontour in Digitalsignalen.
Da diese aufgezeichnete Kontour oder Form eine Funktion der vorliegenden Position der Vorrichtung ist, so ist das System nicht der Fehlerakkumulation in der gleichen Weise ausgesetzt, wie ein inkrementales numerisches Steuersystem mit offener Schleife.
Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Schweißmaschine der Brücken-Bauart, ausgerüstet mit einem erfindungsgemäßen System zur automatischen Bahnverfolgung; Fig. 2 eine ins einzelne gehende Ansicht des Bearbeitungskopfes und der Fühlvorrichtung der Maschine der Fig. 1; Fig. 3 ein Diagramm der Fühlvorrichtungsausgangsgrößen erzeugt während des Betriebs des Systems der Fig. 1; Fig. 4 ein die geometrischen Beziehungen zwischen der Bahn und dem Werkstück und den Fühlvorrichtungsköpfen darstellendes Diagramm; Fig. 5 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Steuersystems.
In Fig. 1 ist ein Bogenschweißer 10 der Brücken-Bauart dargestellt, welcher entsprechend der Erfindung ausgebildet ist.
Die Schweißmaschine 10 besitzt ein Bett 12 mit einer flachen Oberseite 14, und zwar gehaltert für eine Horizontalbewegung auf einem Paar von an der Basis 17 befestigten Führungen 15.
Ein Antriebsmotor 30 ist an der Basis 17 befestigt und verdreht eine Führungsschraube 28, die in eine unterhalb des Bettes 12 befestigte Mutter 19 eingreift, um die Position des Bettes in der Richtung der X-Achse zu steuern. Bei alternativen Ausführungsbeispielen könnte das Bett festliegen und der Kopf könnte sowohl in Richtung der X- und der Y-Koordinaten bewegt werden.
Ein Paar von miteinander zu verschweißenden Platten 16 ist an der Oberfläche 14 auf irgendeine übliche Weise befestigt, wobei die miteinander zu verschweißenden Kanten aneinanderanstossen, so daß eine Linie oder Kurve 18 gebildet wird. Die Linie 18 kann sich in ihrer Breite von Punkt zu Punkt ändern, und zwar abhängig von der Präzision, die bei der Bildung der miteinander zu verschweissenden geformten Abschnitte verwendet wurde.
An einigen Punkten können die Platten direkt aneinanderanstossen, während an anderen Punkten sie einen kleinen Abstand voneinander aufweisen können. Eine aus einem Paar von Vertikalsäulen 20 bestehende Brücke wird auf entgegengesetzten Seiten des Bettes 12 getragen und eine die oberen Enden der beiden Säulen 20 verbindende eigentliche Brücke 22 erstreckt sich über das Bett 12. Ein Kopf 32 wird für eine Bewegung parallel zur eigentlichen Brücke 22 und quer zu den Schienen 24 auf einer Schiene 34 getragen, die von den Vertikalsäulen 20 gehaltert ist. Eine Führungsschraube 36 wird durch einen Y-Achse-Antriebsmotor 38 angetrieben und erstreckt sich unter der eigentlichen Brücke 22 und stellt die Verbindung mit dem Kopf 32 her, um dessen Bewegung quer zur Breite des Bettes zu steuern.
Die Schiene 34 wird in Vertikalrichtung auf den Säulen 20 bewegt, und zwar durch Führungsschrauben 37, die durch einen Z-Achse-Steuermotor 39 angetrieben sind.
Ein Bogenschweißkopf 40 von üblicher Konstruktion wird unterhalb des Kopfes 32 auf einer Dreheinstellvorrichtung 42 getragen, die die Schweißvorrichtung um eine Achse senkrecht zum Bett 12 verdreht, und zwar zentriert über der Schweißvorrichtungsspitze. Ein Winkelwandler 43 erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal proportional zu dem Winkel zwischen dem Kopf 40 und dem X- und Y-Schweißmaschinen-Koordinatensystem.
Die Schweißvorrichtung 40 trägt eine Sonde 44, die sich über einen Bogen hinweg hin- und herbewegt und trägt eine Fühlvorrichtung 46 am äußersten Ende, welche Signale erzeugt, die mit der Form der Bahn 18 in Beziehung stehen. Ein zweiter Winkelwandler 47 liefert eine parallele digitale Ausgangsgröße proportional zum augenblicklichen Winkel der Fühlvorrichtung relativ zum Schweißkopf 40, d.h. im Gegensatz zu den X- und Y-Achsen der Maschine. Signale von der Fühlvorrichtung werden durch ein Steuersystem verarbeitet und verwendet, um die Antriebsmotoren 30 und 38 zu steuern, um so den Schweißer 40 längs der Bahn 18 zu bewegen. Es können auch Mittel vorgesehen sein, um die Form der Bahn 18 in Vertikalrichtung abzufühlen und um den Z-Achsen-Antriebsmotor 39 zu steuern, um die Schweißvorrichtung und die Fühler auf der richtigen Höhe oberhalb der Bahn zu halten.
Die Konstruktion des Schweißkopfes ist im einzelnen in Fig. 2 gezeigt. Der Schweißer 40 umfaßt einen Stangenträger 48, der sich nach unten in die Nachbarschaft des Werkstücks 16 erstreckt, und eine Spule 50, um die Schweißstange bzw. den Schweißdraht 52 zu tragen und auszugeben. Die Sonde 44 wird durch einen Antriebsmotor 54 über einen Bogen von annähernd 800 hin- und herbewegt. Die Fühlvorrichtung 46 ist am äußersten Ende der Sonde dicht benachbart zur Oberfläche des Werkstücks 16 angeordnet.
Die Sonde 46 gehört vorzugsweise zur üblichen induktiven Bauart mit einer Spule, welche ein Magnetfeld aufbaut. Die Induktivität der Spule ist dabei eine Funktion der Form der Oberfläche des Werkstücks 16 und dessen Nähe gegenüber der Spule sowie der leitenden und magnetischen Eigenschaften der Oberfläche. Diese Induktivität steuert den durch die Spule fließenden Strom.
Wenn sich die Sonde über eine Werkstückoberfläche bewegt, so ist dieser Strom im wesentlichen konstant. Wenn die Sonde aber die Kante des Werkstücks erreicht, so ergibt sich ein starker Anstieg der Induktivität der Spule, wenn die Oberfläche leitend und nicht magnetisch war,und der Strom nimmt beträchtlich ab.
Bei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung können kapazitive Sonden, Röntgenstrahlensonden, Fotofühler und dgl. verwendet werden, um Information hinsichtlich der Bahn des Werkstücks zu erhalten, die durch die Fühlvorrichtung 46 abgetastet wird. Im allgemeinen wird die Fühlvorrichtung, solange sie parallel zur Oberfläche des Werkstücks 18 schwingt, ein relativ stabiles Ausgangssignal erzeugen, bis die Kante 18 erreicht wird.
Das Ausgangssignal wird dann scharf abfallen oder ansteigen und verbleibt solange stabil, bis die Kante 18 der anstoßenden Platte 16 erreicht wird, wo das Signal auf sein ursprüngliches Niveau zurückkehrt. Die Ausgangsgröße ist in Fig. 3, Zeile A, dargestellt.
Fig. 4 veranschaulicht die geometrische Beziehung zwischen der Schweißvorrichtung 40, der Sonde 46 und der Bahn 18 in schematischer Form. Die Schweißvorrichtung 40 wird durch den über Führungsschraube 28 wirkenden X-Achsen-Antrieb 30 und einen über Führungsschraube 36 wirkenden Y-Achsen-Antrieb 38 bewegt.
In jedem Augenblick ist die Bewegungsrichtung tangential zur Mitte der Bahn 18 am Dispositionspunkt auf der Bahn. Die Bewegungsrichtung bildet einen Winkel 0 bezüglich der Schweißmaschinen-X-Achse, gemessen durch den Wandler 45.
Die Mittellinie 50 der Nut folgt im allgemeinen sehr genau der gleichen Form wie die Kanten. Die Fühlvorrichtung 46 erzeugt ein Ausgangssignal, welches in einer Weise festgestellt wird, wie dies in Verbindung mit der Beschreibung der Fig. 5 angegeben ist, und zwar dann, wenn sie über den Punkt P1 auf einer Kante der Nut läuft, und ein zweites Ausgangssignal wird dann erzeugt, wenn sie über Punkt P2 auf der entgegengesetzten Seite der Nut läuft. Sich zwischen diesen Punkten und der Mitte des Schweißkopfes 40 erstreckende Linien bilden Winkel B1 und B2 bezüglich der Bewegungsrichtung des Schweißkopfes zur Zeit der Erzeugung der Signale und diese Winkel werden zu diesen Zeiten in der Ausgangsgröße des Wandlers 47 codiert. Die Koordinaten des Punktes C, der den Schnitt der Fühlvorrichtung 46 mit der Mittellinie der Nut 18 (der Mittelpunkt der Linie P1 - P2) darstellt, sind wie folgt definiert: dabei ist R = der Radius des Armes 44.
Diese Koordinaten gelten bezüglich des Fühlvorrichtungs-Bezugsrahmens und müssen in Koordinaten des XY-Koordinatensystems der Maschine übersetzt werden, um Steuersignale für die Maschinenantriebsmotore zu liefern.
Demgemäß gilt: XM = XC sin ~ + YC cos ~ und #M = YC sin 9 -XC cos 0, wobei XM und YM die Koordinaten des Punktes C längs der Achsen sind, die durch die Schrauben 28 und 36 definiert sind, und ~ ist die Ausgangsgröße des Wandlers 43.
Fig. 5 veranschaulicht das Steuersystem, welches die Ausgangsgrößen der Fühlvorrichtung 46 und der Winkelwandler 43 und 47 empfängt und diese Berechnung ausführt und Signale für den Motor 42 erzeugt, welche die Richtung des Schweißkopfes und der Sonde und der X- und Y-Antriebseinheiten 30 und 38 steuern.
Die Ausgangsgrößen der Fühlvorrichtung 46 werden der Schaltung gemäß Fig. 5 dann geliefert, wenn der Arm 44 sich im Uhrzeigersinn verschwenkt. Keine Fühlvorrichtungssignale werden während der entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgenden Rückbewegung der Fühlvorrichtung erzeugt. Wie in Fig. 5 gezeigt, werden diese Signale als erstes einem Differentiator 60 zugeführt, der scharfe Ausgangsimpulse entgegengesetzten Vorzeichens dann erzeugt, wenn die Pu~hlvorrichtung 46 die zwei Kanten der Bahn 48 kreuzt. Diese Signale werden einem monostabilen (one-shot) Multivibrator 61 zugeführt, der Einrichtungs-Ausgangsimpulse für ein Flip-Flop 62 erzeugt, und zwar unabhängig vom Vorzeichen der Eingangssignale. Diese Signale bewirken abwechselnd die Einstellung (set, d.h. setzen) und Rückstellung (reset, d.h. rücksetzen) dieses Flip-Flop.
Der Set-Ausgang des Flip-Flop 62 konditioniert ein UND-Gatter 64, während der Reset-Ausgang ein zweites UND-Gatter 66 konditioniert. Diese Gatter werden demgemäß sequentiell geöffnet und jedes liefert die parallele digitale Ausgangsgröße des Winkelwandlers 47 an ein Paar von Registern 68 und 70, die mit B1 und B2 bezeichnet sind. Demgemäß empfängt das Register B1 ein Winkelsignal, wenn die Fühlvorrichtung 46 Punkt P1 durchläuft und das Register 70 empfängt eine Ausgangsgröße des Wandlers 47 dann, wenn die Fühlvorrichtung die entgegengesetzte Seite der Nut bei Punkt P2 durchläuft. Die Register 68 und 70 werden zwischen Abtastungen der Fühlvorrichtung 46 gelöscht, was im folgenden beschrieben wird.
Die Inhalte des Registers 68 werden an Schaltungen 72 und 74 geliefert, die Ausgangsgrößen proportional zum Sinus bzw. Cosinus des im Register B1 enthaltenen Winkels erzeugen. In ähnlicher Weise werden die Ausgangsgrößen des B2-Registers 70 einem Paar von Digitaleinheiten 76 und 78 zugeführt, die Signale proportional zum Cosinus bzw. Sinus des Winkels erzeugen, wie er durch die im Register 70 enthaltene Zahl ausgedrückt ist.
Die Ausgangsgrößen der zwei Cosinus-Register 74 und 76 werden voneinander in einer Einheit 80 subtrahiert und die Ausgangsgröße dieser Einheit wird einem digitalen Multiplizierer 82 zugeführt, der ebenfalls ein Signal proportional zum Sinus der Ausgangsgröße des Winkelwandlers 43 empfängt, ein Signal proportional zum Winkel zwischen dem Schweißkopf und den Maschinen-X- und Y-Achsen, wie durch Einheit 45 erzeugt. In ähnlicher Weise werden die Ausgangsgrößen der zwei Sinus-Register 72 und 78 voneinander in einer Einheit 84 subtrahiert und dann einem Multiplizierer 86 zugeführt, der ebenfalls ein Signal proportional zum Cosinus der Ausgangsgröße des Winkelwandlers 43 erzeugt durch Einheit 47 empfängt. Die Multiplizierer 82 und 86 multiplizieren ebenfalls ihre beiden Eingangsgrößen mit einem konstanten Faktor K proportional zum Radius des Armes 44 dividiert durch 2.
Die Ausgangsgrößen der Multipliziereinheiten 82 und 86 werden einem Addierer 87 zugeführt. Die Ausgangsgröße dieses Addierers ist für die X-Koordinate des Punktes C in Maschinenkoordinaten repräsentativ und wird an Register 88a geliefert, welches eine erste Einheit einer Kette von Registern 88b, 88c und 88d bildet, die serienmäßig miteinander durch digitale Subtraktionseinheiten 90a, 90b und 90c verbunden sind. Nur vier Register und drei Zwischensubtrahiervorrichtungen sind in dieser Kette dargestellt, aber die Kette könnte mehr oder weniger Einheiten besitzen, und zwar abhängig vom Radius des Armes 44, der Frequenz des Überstreichens und ähnlichen Faktoren. Die Registereinheiten 88 speichern jeweils einen Punkt in der Serie von Punkten auf der Mittellinie der Nut 18, die sequentiell durch die Fühlvorrichtung 46 geschnitten wird.
Die Ausgangsgrößen der Subtrahiervorrichtungen 80 bzw. 84 werden den Multiplizierern 89 bzw. 91 zugeführt, die ebenfalls die Ausgangsgrößen des Sinus-Generators 45 bzw. des Cosinus-Generators 47 empfangen. Deren Ausgangsgrößen werden durch Einheit 93 subtrahiert und einem Register 92a zugeführt, welches einen Teil einer Gruppe von Registern 92b, 92c und 92d bildet, die serienmäßig mit Subtrahiereinheiten 94a, 94b und 94c verbunden sind. Beide Ketten von Registern 88 und 92 wirken als Schieberegister, die gleichzeitig ihre derzeitigen Inhalte an das nächste Register in der Kette ausgeben, über ihre die Verbindung herstellenden Subtrahiervorrichtungen, und empfangen eine neue Zahl vom vorderen Ende der Kette. Die Subtrahiervorrichtungen 90 und 94 erhalten jeweils ihre zweite Eingangsgröße von der Ausgangsgröße des letzten Registers in der Kette 88d oder 92d; somit wird jedesmal dann, wenn eine Zahl von der Kette ausgegeben wird, diese von jeder der Zahlen subtrahiert, die noch in der Kette sich befinden. Dieser Prozess hält die X- und Y-Koordinaten gespeichert im Register in inkrementaler Form; d.h. jedes repräsentiert die Koordinaten eines Punktes bezüglich der vorliegenden Position des Kopfes 44 im Gegensatz zur Position des Kopfes, wenn diese ursprünglich abgefühlt wurden.
Um ein Signal proportional zur Breite der Nut 18 an den Punkten, definiert durch die Inhalte der Register 88 und 92, abzuleiten, daß das Steuersystem mit einer Geschwindigkeit umgekehrt proportional zu dieser Breite bewegt werden kann (mit einem langsameren Fortschreiten und der Abscheidung von mehr Schweißmetall, wo die Nut am breitesten ist), werden die Inhalte der Winkelregister 68 und 70 voneinander in einer Einheit 96 subtrahiert und diese Differenz zahl wird der ersten Stufe eines Schieberegisters 98 zugeführt, welches eine Anzahl von Stufen gleich der Anzahl der Register 88 und 92 besitzt. Dieses mit der Breite in Beziehung stehende Signal ist unabhängig vom Punkt des Kopfes, wo es gemessen wurde, so daß keine Subtraktion notwendig ist, um dies in inkrementaler Form zu halten, wobei aber die Inhalte der Stufen des Registers 98 synchron mit dem Fortschreiten der X- und Y-Koordinaten durch die Register 88 bzw. 92 weitergeschoben werden.
Die Ausgangsgröße des letzten Registers 88d in der Registerkette, die die Y-Koordinaten eines Punktes speichert und transferiert, wird einem Vergleichs- oder Komparator-Register 100 und auch jeder Subtrahiervorrichtung 90a, 90b und 90c zugeführt. Es wird ebenfalls einer Dividiervorrichtung 102 zugeführt, welche die Ausgangsgröße der letzten Stufe des Schieberegisters 98 empfängt, welche Signale proportional zur Nutbreite enthält. Das vom Register 98 abgegebene Signal repräsentiert die Breite der Nut am Punkt repräsentiert durch die X- und Y-Koordianten, die gleichzeitig durch die Registerstufen 88d und 92d ausgegeben werden.
Die Dividiervorrichtung 102 erzeugt erfindungsgemäß eine Ausgangsgröße direkt proportional zur Y-Koordinate wie sie durch Registerstufe 88d vorgesehen wird, und zwar umgekehrt proportional zur Bahnbreite. Dieses Signal wird einem Digital/Analog-Umsetzer 104 zugeführt, der einen spannungsgesteuerten Oszillator 106 speist. Der spannungsgesteuerte Oszillator (VCO) 106 liefert eine Impulsfolge mit einer Rate proportional der Ausgangsgröße der Dividiervorrichtung 102, die verwendet wird, um den Y-Achsen-Antriebsmotor 30 anzutreiben. Die Ausgangsimpulse vom VCO 106 werden ebenfalls verwendet, um den Komparatur 100 herunterzuzählen. Der Komparator liefert ein Ausgangssi#nal dann, wenn die Anzahl der Impulse ausgegeben durch den VCO gleich der letzten Y-Koordinatenzahl ist, die durch Register 88d geliefert wird.
In ähnlicher Weise wird die Ausgangsgröße der Registerstufe 92d, welche die X-Koordinate des nächsten Punktes auf der Bahn in inkrementalen Maschinenkoordinaten darstellt, jeder der Subtrahiervorrichtungen 94 zugeführt, um die Zahlen in den vorherigen Registern 92 in inkrementaler Form aufrechtzuerhalten, wobei die erwähnte Ausgangsgröße der Registerstufe 92d ferner einer Dividiervorrichtung 108 zugeführt wird, welche auch die Ausgangsgröße der letzten Stufe des Registers 98 empfängt, und schließlich wird die Ausgangsgröße der Registerstufe 92d einem Komparator-Speicherregister 110 zugeführt.
Die Ausgangsgröße der Dividiervorrichtung 108 wird einem Digital/Analog-Umsetzer 112 geliefert, der die Frequenz der Ausgangsgröße der Impulse von einem spannungsgesteuerten Oszillator 114 steuert. Der Oszillator liefert seine Ausgangsimpulse an den Y-Achsen-Antriebsmotor 38, der die Führungsschraube 36 verdreht. Die Ausgangsgröße des VCO 112 wird ebenfalls dem Komparator 110 zugeführt und wird zum Herabzählen des Komparators verwendet.
Wenn der Komparator 110 eine Anzahl von Impulsen vom VCO 106 gleich der X-Koordiante, geliefert durch das Register 88d, empfängt, liefert er ein Ausgangssignal auf Leitung 116 an ein UND-Gatter 118. In ähnlicher Weise liefert der Komparator 110 beim Empfang einer Anzahl von Impulsen vom spannungsgesteuerten Oszillator 114 gleich der Y-Koordinate, empfangen vom Register 92d, ein Ausgangssignal auf Leitung 120 an UND-Gatter 118 Das Vorhandensein beider dieser Signale liefert ein Signal an einen monostabilen (one-shot) Multivibrator 122, der ein Lösch- und Verschiebesignal erzeugt, das an eine Zahl von Einheiten im System geliefert wird. Diese Signale löschen die Register 68 und 70 und verschieben die Inhalte der Registerketten 88, 92 und 98.
Auf diese Weise erzeugt das System kontinuierlich X- und Y-Koordinaten für die nächste inkrementale Bewegung der Maschine und steuert diese Bewegung mit einer Rate umgekehrt proportional zur Breite der Nut 18 an dem Punkt.
Das System berechnet auch die notwendige inkrementale Verdrehung des Schweißkopfes, um die Kopfbewegung längs einer Linie tangential zur Kurve aufrechtzuerhalten, und verdreht den Kopf durch diese inkrementale Position.
Wie in Fig. 5 gezeigt, kann die Erfindung auch eine Dividiervorrichtung vorsehen, die zwei Eingänge besitzt, welche mit den Ausgängen der Kettenregister 88 bzw. 92 verbunden sind. Die Ausgangsgröße der Dividiervorrichtung 124 ist mit dem Eingang einer arc tang-Vorrichtung 126 verbunden, welche ihrerseits ausgangsmäßig mit einer Subtraktionseinheit 128 in Verbindung steht.
Ein weiterer Eingang der Subtraktionseinheit ist mit dem Ausgang des Winkelwandlers 43 verbunden. Die Subtraktionseinheit 128 steht ausgangsmäßig mit einem spannungsgesteuerten Oszillator 130 in Verbindung, der seinerseits mit seinem Ausgang an einer Vorzeichenvorrichtung 132 liegt, welche mit ihrem Ausgang an einem Motor 42 für den Schweißkopf anliegt. Der andere Ausgang der Subtraktionseinheit ist mit der Vorzeichenvorrichtung 132 verbunden.
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Claims

Ansprüche 1. Positionssteuersystem für den Kopf einer Maschine gehal-Krt zur Bewegung längs eines Paares von senkrechten zur Verdrehung um eine Achse senkrecht zu den senkrechten Achsen, und betätigbar zur Bewegung des Kopfes längs einer Bahn auf einem Werkstück, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h erste Motormittel zur Bewegung des Gliedes längs einer der erwähnten senkrechten Achsen, zweite Motormittel zur Bewegung des Gliedes längs der zweiten der erwähnten senkrechten Achsen, dritte Motormittel zur Verdrehung des Gliedes um die Achse senkrecht zu den senkrechten Achsen, eine Fühlvorrichtung betriebsmäßig gehaltert am Kopf, Mittel zur Bewegung der Fühlvorrichtung in einem regulären Muster, um hervorzurufen, daß die Fühlvorrichtung die Bahn auf dem Werkstück vor der Bewegung des Kopfes traversiert, elektronische Mittel zum Empfang der Ausgangsgrößen der Fühlvorrichtung, um eine Vielzahl von Sätzen aus elektrischen Signalen zu erzeugen, welche die gewünschten inkrementalen Bewegungen des Bearbeitungskopfes längs der zwei senkrechten Achsen repräsentieren, um diese Signale an die ersten und zweiten Motormittel zu liefern, um ein Steuersignal zu erzeugen, welches für die inkrementale Verdrehung des Kopfes um die erwähnte Achse senkrecht zu den senkrechten Achsen repräsentativ ist, um die Bewegungsrichtung des Kopfes tangential zur Bahn in jedem augenblicklichen Punkt aufrechtzuerhalten, und um das erwähnte letzte Steuersignal an die dritten Motormittel anzulegen.
2. Positionssteuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Aufnahme der Ausgangsgrößen der Fühlvorrichtung und zur Erzeugung einer Vielzahl von Steuersignalen für die ersten, zweiten und dritten Motormittel Mittel aufweisen, um einen Satz von Signalen zu erzeugen, welcher die Koordinaten des Bahnpunktes repräsentiert, der durch die Fühlvorrichtung traversiert wurde, und zwar relativ zur Position des Kopfes zur Zeit der Traversion, Speichermittel zur Speicherung einer Vielzahl der Koordinatensätze, und Mittel zur Modifizierung der Koordinatensätze, wenn sich der Kopf längs der Bahn bewegt, um die Koordinaten aufrechtzuerhalten, welche für die Abstände zwischen der augenblicklichen Position des Kopfes und dem durch die Fühlvorrichtung traversierten Punkt repräsentativ sind.
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung eines Satzes von Signalen, welche die Koordinaten des Bahnpunktes repräsentieren, der durch die Fühlvorrichtung relativ zur Position des Kopfes traversiert wurde, einen Wandler umfassen, der zwischen dem Kopf und der Sonde getragen wird, und ein Ausgangssignal proportional zum augenblicklichen Winkel der Sonde bezüglich des Kopfes liefert.
4. Positionssteuersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichermittel zur Speicherung einer Vielzahl der Koordinatensätze eine Vielzahl von digitalen Registern aufweisen,und wobei die Mittel zur Modifizierung der Koordinatensätze bei der Bewegung des Kopfes längs der Bahn zur Aufrechterhaltung der Koordinaten, repräsentativ für die Abstände zwischen der augenblicklichen Position des Kopfes und dem Punkt traversiert durch die Fühlvorrichtung, Mittel aufweisen, um die Inhalte der Register zu modifizieren, und zwar durch Faktoren proportional zu den inkrementalen Bewegungen des Kopfes längs der entsprechenden Koordinaten.
5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlvorrichtung für eine Schwenkbewegung bezüglich des Kopfes getragen wird, und zwar über einen Bogen hinweg, der um eine Linie herum zentriert ist, die sich in der augenblicklichen Bewegungsrichtung des Kopfes erstreckt.
6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn durch ein Paar gesonderter Wände des Werkstücks gebildet ist und Mittel aufweist, um infolge von Fühlvorrichtungssignalen zu arbeiten, um Signale proportional zur Breite der Trennung in Richtung der Bewegung der Fühlvorrichtung herzustellen, und wobei ferner Mittel vorgesehen sind, um die Bewegungsrate des Bearbeitungskopfes in der Fläche dieses Punktes zu steuern, und zwar als inverse Funktion der Breite der Trennung.
7. System nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Speichermittel zur Speicherung einer Vielzahl von Signalen proportional zur Dimension der Bahn in einer Richtung der Bewegung der Fühlvorrichtung an einer Vielzahl von mit Abstand angeordneten Punkten zwischen der augenblicklichen Position des Kopfes auf der Bahn und dem Punkt auf der Bahn traversiert durch die Fühlvorrichtung, und wobei die erwähnten Mittel zur Steuerung der Bewegungsrate des Bearbeitungskopfes in der Zone des erwähnten Punktes als eine inverse Funktion des Dimensionssignals das älteste Signal in dem Speicher verwenden.
8. Positionssteuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung eines Steuersignals, repräsentativ für die inkrementale Verdrehung des Kopfes um die erwähnte Achse, Mittel aufweisen, um ein Signal proportional zum augenblicklichen Winkel des Kopfes bezüglich der Maschine zu erzeugen, und Mittel zur Erzeugung eines Signals proportional zur augenblicklichen Bewegungsrichtung des Kopfes relativ zur Maschine, und Mittel zur Erzeugung eines Signals proportional zur Differenz zwischen den letzten beiden Signalen.
9. Positionssteuersystem für den Kopf einer Maschine gehaltert für eine Bewegung längs eines Paars von senkrechten Achsen und zur Drehung um eine Achse senkrecht zu den erwähnten senkrechten Achsen, und betätigbar, um den Kopf längs einer Bahn auf dem Werkstück zu bewegen, gekennzeichnet durch erste Motormittel zur Bewegung des Glieds längs einer der senkrechten Achsen, zweite Motormittel zur Bewegung des Glieds längs der zweiten der senkrechten Achsen, dritte Motormittel zur Verdrehung des Glieds um die Achse senkrecht zu den zuvor erwähnten senkrechten Achsen, eine Fühlvorrichtung getragen vom Kopf, Mittel zur Bewegung der Fühlvorrichtung in einem regelmäßigen Muster relativ zum Kopf, um so zu bewirken, daß die Fühlvorrichtung regelmäßig die Bahn des Werkstückes traversiert oder überquert, und zwar vor der Bewegungsrichtung des Bearbeitungskopfes, Mittel zur Erzeugung eines elektrischen Signals proportional zum Winkel der Fühlvorrichtung relativ zum Kopf, Mittel zum Empfang der Ausgangsgrößen der Fühlvorrichtung und der Mittel zur Erzeugung von Signalen proportional zum Winkel der Fühlvorrichtung relativ zum Kopf und zur Erzeugung einer Reihe von Sätzen von Signalen, deren jeder repräsentativ für Abstände zwischen dem Kopf und der Fühlvorrichtung ist, und zwar in dem Augenblick, wo diese die Bahn vor dem Kopf längs der senkrechten Achsen traversiert, Mittel zur Speicherung der Vielzahl von Signalsätzen, Mittel zur Modifizierung der Speichersignale zur Aufrechterhaltung der gespeicherten Signalsätze, welche die augenblicklichen Koordinaten des Abstands zwischen den Punkten, traversiert durch die Fühlvorrichtung und die Position des Kopfes, repräsentieren, und Mittel zur Erzeugung von Steuersignalen für die ersten, zweiten und dritten Motormittel, um zu bewirken, daß sich das Glied längs der Bahn bewegt, um hervorzurufen, daß der Bearbeitungskopf in einer Richtung tangential zur augenblicklichen Krümmung der Bahn an dem Punkte des Kopfes gehalten wird.
10. Positionssteuersystem nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung eines elektrischen Signals proportional zum Winkel des Kopfes relativ zur Maschine und zur Lieferung des Signals an die Mittel zum Empfang der Ausgangsgrößen der Fühlvorrichtung und die Mittel zur Erzeugung von Signalen proportional zum Winkel der Sonde relativ zum Kopf, um eine Reihe von Fühlvorrichtungssignalen zu erzeugen, deren jedes für die Abstände repräsentativ ist zwischen dem Kopf und der Fühlvorrichtung im Augenblick der Traversion der Bahn vor dem Kopf längs der erwähnten senkrechten Achsen, so daß die Abstände für die Abstände längs der Bewegungsrichtungen des Kopfes relativ zur Maschine repräsentativ sind.
11. Positionssteuersystem für den Kopf einer Maschine, der für eine Bewegung längs eines Paars von senkrechten Achsen getragen ist und für eine Drehung um eine Achse senkrecht (normal) zu den erwähnten senkrechten Achsen, und wobei der Kopf längs einer veränderlichen Bahn am Werkstück bewegt werden kann, gekennzeichnet durch: Antriebssysteme zur Bewegung des Kopfes relativ zum Werkstück längs des erwähnten Paares von senkrechten Achsen, eine Fühlvorrichtung getragen vom Kopf, Mittel zur Bewegung der Fühlvorrichtung in einem regelmäßigen Muster, um so zu bewirken, daß die Fühlvorrichtung die Bahn des Werkstücks vor der Bewegung des Kopfes traversiert, elektronische Mittel zum Empfang der Ausgangsgröße der Fühlvorrichtung und zur Erzeugung eines Steuersignals proportional zur Breite der Bahn, die durch die Fühlvorrichtung traversiert wurde, und Mittel zur Steuerung des Antriebssystems mit dem Signal zur Bewegung des Kopfes längs der Bahn mit einer Rate, die eine Funktion des erwähnten mit der Breite in Beziehung stehenden Signals ist.
12. Steuersystem nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Speichermittel zur Speicherung einer Vielzahl der mit der Breite in Beziehung stehenden Signale und zur darauffolgenden Anlegung dieser Signale an das Steuersystem.
13. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Paar von Registern (68, 70), die mit Schaltungen (72, 74 bzw. 76, 78) verbunden sind, wobei ferner Einheiten (80, 84) vorgesehen sind, die ihrerseits mit Multiplizierern (82, 86, 91, 89) in Verbindung stehen, welche über einen Addierer (87) bzw. eine Einheit (93) an Gruppen von Registern anliegen, die ihrerseits über Elemente (100, 102, 106, 110, 108, 112, 114) Motor (30, 38) ansteuern, und wobei die mit Registern (68, 70) in Verbindung stehende Einheit (96) an einem Schieberegister (98) liegt, welches mit Element (108) verbunden ist, und wobei schließlich eine Dividiervorrichtung (126) an den Ausgängen der Ketten von Registern liegt und mit seinem Ausgang an einer arc tang-Vorrichtung (126) liegt, die ihrerseits mit Subtrahiervorrichtung (128) verbunden ist (vgl. Fig. 5).