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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen bei einer
Abtastersteuereinrichtung, und spezieller auf eine Abtastersteuereinrichtung, die eine
Verzögerungssteuerung an einem Stoßpunkt in der Struktur eines Modells in der Art erlaubt,
daß diese ein Optimum bezüglich der Struktur des Modells an diesem speziellen Punkt ist.
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Wenn im Fall der Abtastung eines Modells M mit einer derartigen Struktur, wie sie
in Figur 4 gezeigt ist, die Stoßpunkte (a) bis (c) in der Struktur des Modells mit der selben
Geschwindigkeit abgetastet werden wie für flache Oberflächen des Modells, kann ein
Schneidwerkzeug in das Werkstück an dem Stoßpunkt (a) einschneiden und ein Griffel ST
kann sich aus dem Kontaktbereich mit der Oberfläche des Modells M an den Stoßpunkten (b)
und (c) bewegen. Um dies zu vermeiden, ist es nach dem Stand der Technik allgemeine
Praxis, die Veränderung eines Ablenksignals vom Abtasterkopf pro Zeiteinheit mit einem
vorgewählten Wert zu vergleichen und die Vorschubrate auf einen vorherbestimmten Wert zu
verringern, wenn der erstere größer als der letztere ist. Das bedeutet, da das Ablenksignal
des Abtastkopfes eine abrupte Änderung an jedem Stoßpunkt in der Struktur des Modells
erfährt und die Veränderung des Ablenksignals pro Zeiteinheit ebenfalls abrupt an dem
Stoßpunkt variiert, daß es möglich ist, das Einschneiden eines Schneidwerkzeugs in das
Werkstück und andere ähnliche Schwierigkeiten durch Steuerung der Vorschubrate wie
vorstehend erwähnt zu vermeiden.
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Wenn bei dem vorstehend erwähnten Beispiel nach dem Stand der Technik jedoch
das Änderungsverhältnis des Ablerksignals einen vorherbestmmten Wert überschreitet, wird
die Vorschubrate auf einen vorherbestimmten Wert verringert ungeachtet der Struktur des
Modells an dem Stoßpunkt; auf diese Weise ist es unmöglich, eine optimale
Verzögerungssteuerung entsprechend der Struktur des Modells an dem Stoßpunkt
auszuführen. Und zwar muß die Vorschubrate entsprechend dem Beispiel nach dem Stand
der Technik während der Verzögerung niedrig eingestellt werden, so daß das
Schneidwerkzeug selbst dann nicht in das Werkstück einschneidet, wenn der Griffel eine
scharfe Ecke des Modells abtastet Wenn folglich die Verzögerungssteueruug an einem
sanften Eckstück stattfindet, erfährt die Vorschubrate eine abrupte Änderung, woraus das
Problem der Verschlechterung der Werkstückoberfläche resultiert.
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Andere frühere Versuche, eine Verzögerungssteuerung an Stoßpunkten vorzusehen,
sind in der EP-A-080513 und der US-A-3743910 offenbart. Die erstere benutzt in einem
Speicher gespeicherte Daten, die die Positionen der Stoßpunkte definieren, während die
letztere eine Abtastersteuereinrichtung entsprechend dem Obeibegriff des anliegenden
Patentanspruchs 1 vorsieht, die die Vorschubrate gemäß einer vorher bestimmten
Verzögerungscharakterisük ändert.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Abtastersteuereinrichtung zur Steuerung
der relativen Vorschubrate zwischen einem Modell und einem Abtastkopf vorgesehen, der
die Oberfläche des Modells in Übereinstimmung mit einem von dem Abtastkopf erzeugten
Ablenksignal abtastet, wobei ein Verzögerungssteuerschaltkreis vorgesehen ist zur Steuerung
der Vorschubrate gemäß der Struktur des Modells, wie durch eine Zeitableitung des
Ablenksignals angezeigt wird, so daß an abrupten Ecken in der Modellstruktur, die durch
eine abrupte Änderung in dem Ablenksignal gemeldet werden, die Vorschubrate beim ersten
Treffen auf eine Ecke zuerst verringert wird und nachfolgend wiederhergestellt wird,
während die Ecke überquert wird, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der
Verzögerungssteuerschaltkreis enthält: Vergleichsmittel zum Vergleich der Zeitableitung mit
verschiedenen aufeinanderfolgenden Schwellwerten, Signalisierungsmittel zur Abgabe eines
getrennten Signals zu jedem Zeitpunkt, an dem die Zeitableitung über einen der
Schwellwerte ansteigt, weitere Signalisierungsmittel zur Abgabe eines getrennten Signals zu
jedem Zeitpunkt, an dem die Zeitableitung unter einen der Schwellwerte abfällt und
Zählmittel zur Zählung einerseits der getrennten Signale, die von den ersterwähnten
Signalisierungsmittel abgegeben werden, wenn die Zeitableitung im Wert steigt, und
andererseits der getrennten Signale, die von den weiteren Signalisierungsmitteln abgegeben
werden, wenn die Zeitableitung im Wert abfällt, und daß die Vorschubrate in Abhängigkeit
von dem Zählwert der Zählmittel verringert und dann wieder hergestellt wird.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sehen eine optimale
Verzögerungssteuerung entsprechend der Struktur eines Modells an dessen Stoßpunkten vor.
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Gemäß der Abtastersteuereinrichtung der vorliegenden Erfindung wird die
Vorschubrate für die Verzögeningssteuerung in Abhängigkeit davon bestimmt, zu welchem
der durch die Mehrzahl der Schwellwerte definierten Gebiete die Änderung des
Ablenksignals pro Zeiteinheit gehört. Auf diese Weise kann eine optimale
Verzögerungssteuerung erreicht werden, die der Struktur des Modells an dem Stoßpunkt
entspricht. Da weiterhin in einer Ausbildung der Verzögerungssteuerschaltkreis seine
Verzögerungssteuerung fortsetzt, bis die Änderung des Ablenksignals wieder kleiner wird als
der Schwellwert des niedrigsten Pegels, nachdem dieser überschritten wurde, wird die
Verzögerung und ihre Aufhebung nicht wiederholt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichungen
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Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung; Fig. 2 ist ein Blockdiagramm zur Erläuterung eines Beispiels der Anordnung
eines Verzögerungssteuerschaltkreises 18 von Fig. 1; Fig. 3 ist ein Diagramm zur Erklärung
der Arbeitsweise des in Fig. 3 gezeigten Schaltkreises; und Fig. 4 ist ein Diagramm zur
Erläuterung einer Fehlerstelle für ein Beispiel nach dem Stand der Technik.
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Fig. 1 erläutert in Blockform ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bezugszeichen 1 bezeichnet einen Abtastkopf, 2 einen Griffel, 3 einen Generator zur
Erzeugung eines zusammengesetzten Ablenksignals, 4 einen Addierer, 5 und 6 Schaltkreise
zur Geschwindigkeitsberechnung, 7 eine Verteilungsschaltung, 8 eine Torschaltung, 9 einen
Umschaltkreis, 10 eine Indexierungsschaltung, 11X, 11Y und 11Z Verstärker für die X-, Y-
und Z-Achsen, 12X, 12Y und 12Z Motoren für die X-, Y- und Z-Achsen, 13 einen
Mikroprozessor, 14 einen Speicher, 15 ein Ausgangstor, 16 und 17 DA-Wandler, und 18
einen Verzögerungssteuerschaltkreis.
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Der Abtastkopf 1 gibt Ablenksignale εx, εy und εz entsprechend der Ablenkung des
Griffels 2 in den X-, Y- und Z-Achsenrichtungen ab, wobei sich der Griffel in Kontakt mit
einem Modell bewegt. Die Ablenksignale εx, εy und ε werden an den Generator zur
Erzeugung eines zusammengeseteten Ablenksignals 3, den Umschaltkreis 9 und den
Verzögerungssteuerschaltkreis 18 angelegt. Der Generator zur Erzeugung eines
zusammengesetzten Ablenksignals 3 liefert ein zusammengesetztes Ablenksignal,
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das an den Addierer 4 angelegt wird. Der Addierer 4 gewinnt eine
Differenz, Δε = ε-ε&sub0;, zwischen dem zusammengesetzten Ablenksignal ε und einem
Referenzablenksignal ε&sub0;, das über das Ausgangstor 15 und den DA-Wandler 16 zur
Verfügung gestellt wird. Die so erhaltene Differenz Δε wird an die Schaltkreise zur
Geschwindigkeitsberechnung 5 und 6 angelegt. Basierend auf der Differenz Δε, gewinnen
die Schaltkreise 5 und 6 zur Geschwindigkeitsberechnung ein Signal VN für die
Geschwindigkeit in Normalenrichtung und ein Signal VT für die Geschwindigkeit in
Tangentialrichtung, die der Verteilungsschaltung 7 zur Verfügung gestellt werden. Der
Umschaltkreis 9 versorgt die Indexierungsschaltung 10 mit demjenigen in der Ablenksignale
εx, εy und des εz Abtastkopfes 1, das der Abtastachse entspricht. Die Indexierungsschaltung
10 erzeugt Ablenkrichtungssignale sinθ und cosθ auf der Basis der Ablenksignale, die über
den Umschaltkreis 9 angelegt sind. Wenn nebenbei gesagt die Abtastebene die X-Z-Ebene
ist, werden die X- und Z-Achsen-Ablenksignale εx und εz über den Umschaltkreis 9 der
Indexierungsschaltung 10 zur Verfügung gestellt.
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Die Verteilungsschaltung 7 erzeugt ein Geschwindigkeitsbefehlssignal, das auf den
Geschwindigkeitssignalen VN und VT für die Normalenrichtung und die Tangentialrichtung
der Schaltkreise zur Geschwindigkeitsberechnung 5 und 6 und den Ablenkrichtungssignalen
sinθ und cosθ der Indexierungsschaltung 10 beruht. Das Geschwindigkeitsbefehlssignal wird
an den durch die Torschaltung 8 ausgewählten Verstärker angelegt, und der resultierende
verstärkte Ausgang treibt den entsprechenden Motor, der den Abtastkopf 1 und das Modell
relativ zueinander verschiebt. Da die oben beschriebene Operation als Abtaststeuerung wohl
bekannt ist, ist diesbezüglich keine weitere detaillierte Beschreibung erforderlich.
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Fig. 2 erläutert in Blockform ein Beispiel der Anordnung des
Verzögerungssteuerschaltkreises 18, der die Vorschubrate gemäß der Modellstruktur steuert.
Bezugszeichen 21 bis 23 bezeichnen Differenzierschaltungen, 24 eine Arithmetikschaltung,
25 bis 27 Komparatoren, 28 bis 30 Anstiegsdetektoren, 31 bis 33 Abfalldetektoren, 34 und
35 Zähler, 36 einen Komparator, 37 einen Nulldetektor, 38 einen Abschwächer, 39 eine
Beschleunigungs-/Verzögerungsschaltung, 40 einen Koinzidenzdetektor, 41 einen
Komparator, OR1 und OR2 ODER-Glieder und AND ein UND-Glied.
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Die Differenzierschaltungen 21 bis 23 in dem Verzögerungssteuerschaltkreis 18
differenzieren die Ablenksignale εx, εy und εz, die von dem Abtastkopf 1 angelegt werden,
und die differenzierten Ausgänge werden der Arithmetikschaltung 24 zur Verfügung gestellt
Die Arithmetikschaltung 24 erzeugt ein Signal,
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das auf den
Ausgangssignalen εx', εy' und εz' von den Differenziererschaltungen 21 bis 23 beruht. Die
Komparatoren 25 bis 27 vergleichen das Ausgangssignal ε' der Arithmetikschaltung 24 mit
jeweils vorherbestimmten Schwellwerten L1, L2 und L3 (wobei L1< L2< L3 gilt), und
machen ihre Ausgangssignale a, b und c zu "1", wenn das Ausgangssignal ε' der
Arithmetikschaltung 24 größer ist als der jeweilige Schwellwert. Die Anstiegsdetektoren 28
bis 30 machen ihre Ausgangssignale für lediglich eine vorherbestimmte Zeitperiode T
während des Anstiegs der Ausgangssignale a bis c der jeweiligen Komparatoren 25 bis 27 zu
"1". Die Abfalldetektoren 31 bis 23 machen ihre Ausgangssignale zu "1" für lediglich eine
vorherbestimmte Zeitperiode T während des Abfallens der Ausgangssignale a bis c der
jeweiligen Komperatoren 25 bis 27.
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Der Zähler 34 erhöht seinen Zählwert CA um 1 jeweils zu der Zeit, zu der das
Ausgangssignal d des ODER-Gliedes OR1 (das die Ausgangssignale der Anstiegsdetektoren
28 bis 30 verODERt) auf eine "1" geht, und er wird rückgesetzt, wenn das Ausgangssignal i
des UND-Gliedes AND auf eine "1" geht; und zwar wird dann der Zählwert ZA zu "0"
gemacht. Der Zähler 35 erhöht seinen Zählwert CB um eins jeweils zu der Zeit, zu der das
Ausgangssignal d des ODER-Gliedes OR1, das an seinem +-Anschluß angelegt ist, auf "1"
geht, und erriedrigt seinen Zählwert CB um eins jeweils zu der Zeit, zu der das
Ausgangssignal e des ODER-Gliedes OR2 (das an seinem --Anschluß angelegt ist) auf eine
"1" geht. Der Komperator 36 vergleicht die Zählwerte CA und CB der Zähler 34 und 35 und
macht sein Ausgangssignal f zu einer "1", wenn die Bedingung CA > CB erfüllt ist. Der
Nulldetektor 37 macht ein Ausgangssignal g zu einer "1", wenn der Zählwert CB des Zählers
35 eine "0" ist.
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Der Abschwächer 38 schwächt das Geschwindigkeitsbefehlssignal Vcmd ab, das
diesem über den DA-Wandler 17 von dem Mikroprozessor 13 zur Verfügung gestellt ist,
wobei der Abschwächfaktor dem Zählwert CA des Zählers 34 entspricht (und der
Abschwächfaktor 0 ist, wenn der Zählwert eine "0" ist und mit dem Zählwert CA ansteigt).
Die Beschleunigungs/Verzögerungsschaltung 39 arbeitet als Filter mit einer Zeitkonstanten
τ&sub1;, wenn das Ausgangssignal k des Komparators 41 eine "1" ist, und als ein Filter mit der
Zeitkonstanten τ&sub2; (wobei τ&sub2;»τ&sub1;), wenn das Ausgangssignal k eine "0" ist, und das
Ausgangssignal Vb wird an den Schaltkreis 6 zur Geschwindigkeitsberechnung angelegt. Der
Komperator 41 vergleicht das Ausgangssignal Va des Abschwächers 38 und das
Ausgangssignal Vb der Beschleunigungs-/Verzögerungsschaltung 39 und macht sein
Ausaangssignal k zu "1", wenn Vb> Va. Entsprechend arbeitet die Beschleunigungs-
/Verzögerungsschaltung 39 als das Filter mit der Zeitkonstanten τ&sub1; während der Verzögerung
und als das Filter mit der Zeitkonstanten τ&sub2; während einer Abtastung mit normaler
Vorschubrate. Der Koinzidenzdetektor 40 macht sein Ausgangssignal h zu einer "1", wenn
er Koinzidenz zwischen dem Ausgangssignal Va des Abschwächers 38 und dem
Ausgangssignal Vb der Beschleunigung-/Verzögerungsschaltung 39 detektiert. Der
Schaltkreis 6 zur Geschwindigkeitsberechnung verändert seine Eingangs-/Ausgangs-
Charakteristik in Übereinstimmung mit dem Pegel des Ausgangssignals Vb von der
Beschleunigungs-/Verzögerungsschaltung 39 in der Weise, daß der Ausgangspegel (das
Geschwindigkeitssignal VT für die Tangentialrichtung) für denselben Eingangspegel um so
niedriger wird, je niedriger der Pegel des Signals Vb wird.
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Nimmt man entsprechend an, daß der Griffel einen Stoßpunkt in der Modellstruktur
beispielsweise zu einer Zeit t1 erreicht hat, steigt das Ausgangssignal ε' der
Arithmetikschaltung 24 abrupt in seinem Pegel zur Zeit t1 an, wie Figur 3 (A) zeigt. Als
Antwort darauf gehen die Ausgangssignale a bis c der Komparatoren 25 bis 27 aufeinander
folgend auf "1", wie in den Figuren 3 (B) bis (D) abgebildet, mit dem Ergebnis, daß das
Ausgangssignal d des ODER-Gliedes OR1 (das die Ausgangssignale der Anstiegsdetektoren
28 bis 30 verODERt) beim Anstieg jedes der Signale a bis c auf "1" geht, wie in Figur 3 (E)
gezeigt.
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Sowie das Ausgangssignal d des ODER-Gliedes OR1 solche Änderungen erfährt wie
in Figur 3 (E) abgebildet, werden die Zählwerte CA und CB der Zähler 34 und 35 allmählich
erhöht in der Reihenfolge "0", "1",...,wie in den Figuren 3 (G) beziehungsweise (H)
gezeigt. Der Anstieg des Zählwerts CA des Zählers 34 erhöht den Abschwächungsfaktor des
Abschwächers 38, und konsequenterweise verringert sich sein Ausgangssignal Va
schrittweise, wie durch die durchgezogene Linie in Figur 3 (K) angedeutet. Gleichzeitig
verringert sich das Ausgangssignal Vb der Beschleunigungs-/Verzögerungsschaltung 39
ebenfalls schrittweise mit der Zeitkonstanten τ&sub1; vom Pegel Vcmd, wie durch die gestrichelte
Linie in Figur 3 (K) angedeutet.
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Als ein Ergebnis hiervon fällt der Pegel des Geschwindigkeitssignals VT für die
Tangentialrichtung, der von dem Schaltkreis für die Geschwindigkeitsberechnung 6 zur
Verfügung gestellt ist, proportional zu dem Abfall im Pegel des Ausgangssignals Vb der
Beschleunigungs-/Verzögerungsschaltung 39, um auf diese Weise die Vorschubrate zu
verkleinern.
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Wenn dann das Ausgangssignal ε' der Arithmetiksschaltung 24 sich vermindert,
gehen die Ausgangssignale c, b und a der Komparatoren 27, 26 und 25 in Folge auf "0", wie
in den Figuren 3 (D), (C) beziehungsweise (B) abgebildet. Als Folge geht das
Ausgangssignal e des ODER-Egatters OR2, das die Ausgangssignale der Abfalldetektoren 31
bis 33 verODERt, auf "1" beim Abfall jedes der Signale c bis a, wie in Figur 3 (F) gezeigt.
Sowie das Ausgangssignal e des ODER-Gliedes OR2 sich verändert, wie in Figur 3 (F)
gezeigt, verkleinert sich der Zählwert CB des Zählers 35 schrittweise, wie in Figur 3 (H)
abgebildet. Wenn der Zählwert CB "2" erreicht, geht der Ausgang f des Komparators 36 auf
"1", wie in Figur 3 (I)abgebildet, und wenn der Zählwert CB "0" erreicht (zur Zeit t2), geht
das Ausgangssignal g des Nulldetektors 37 auf "1", wie in Figur 3 (J) gezeigt.
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Wenn das Ausgangssignal g des Nulldetektors 37 auf diese Weise auf den "1"-Pegel
zur Zeit t2 angestiegen ist, geht das Ausgangssignal i des UND-Gliedes AND, durch das das
Ausgangssignal f des Komparators 36, das Ausgangssignal g des Nulldetektors 37 und das
Ausgangssignal h des Koinzidenzdetektors 40, die in den Figuren 3 (I), (J) beziehungsweise
(L) gezeigt sind, UND-verknüpft werden, auf "1", wie in Figur 3 (M) abgebildet. Das
Ausgangssignal i setzt den Zähler 34 zurück, um seinen Zählwert CA zu "0" zu machen, und
als Folge davon wird der Abschwächfaktor des Abschwächers 38 auf Null reduziert und sein
Ausgangssignal Va nimmt den Pegel Vcmd an, wie durch die durchgezogene Linie in Figur
3 (K) angedeutet. Der Anstieg in dem Pegel des Ausgangssignals Va des Abschwächers 38
verursacht weiterhin einen Anstieg im Pegel des Ausgangssignals Vb der Beschleunigungs-
/Verzögerungsschaltung 39, wie durch die gestrichelte Linie in Figur 3 (K) angedeutet. Da
jedoch in diesem Fall Va> Vb und das Ausgangssignal k des Komparators 41 auf dem "0"-
Pegel bleibt, wächst das Signal Va schrittweise mit der Zeitkonstanten τ&sub2; an.
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Sowie darauf der Pegel des Ausgangssignals Vb der Beschleunigungs-
/Verzögerungsschaltung 39 ansteigt, steigt der Pegel des Beschleunigungssignals VT für die
Tangentialrichtung von dem Schaltkreis 6 zur Geschwindigkeitsberechnung und die
Verzögerungssteuerung hört auf.
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Da, wie oben anhand dieses Ausführungsbeispiels beschrieben, das Ausgangssignal
ε' der Arithmetikschaltung 24 mit der Mehrzahl von Schwellwerten L1 bis L3 (wobei L1<
L2< L3) verglichen wird und die Vorschubrate auf einen Wert entsprechend dem Pegel des
Signals ε' verringert wird, ist es möglich, eine optimale Verzögerungssteuerung
entsprechend der Modellstruktur an einem Stoßpunkt darin auszuführen. Sobald weiterhin
das Signal ε' den Schwellwert L überschreitet, wird die Verzögerungssteuerung fortgesetzt,
bis das Signal ε' zum Schwellwert L1 zurückkehrt, und folglich wird die Verzögerung und
ihre Aufhebung nicht während der Verzögerungssteuerung wiederholt werden.
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Während in dem vorstehenden Ausführungsbespiel drei Schwellwerte beschrieben
sind, nämlich L1 bis L3, sind diese nicht speziell darauf beschänkt, solange es mehrere
sind.
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Wie vorstehend beschrieben ist das vorliegende Ausführungsbeispiei der Erfindung
versehen mit Detektionsmitteln (die die Differenziererschaltungen 21 bis 23 und die
Arithmetikschaltung 24 in dem Ausführungsbeispiel enthalten) zur Detektion der Änderungen
eines Ablenksignals von dem Abtastkopf per Zeiteinheit, Entscheidungsmitteln (die die
Komparatoren 25 bis 27 des Ausführungsbeispiels enthalten) zum Vergleich der detektierten
Änderung des Ablenksignals mit einer Mehrzahl von Shwellwerten unterschiedlicher Pegel
und für die Entscheidung, zu welchem der durch die Schwellwerte definierten Bereich die
detektierte Änderung des Ablenksignals gehört, und Verzögerungssteuerschaltmittel (die die
Anstiegs- und Falldetektoren 28 bis 33, die ODER-Glieder OR1 und OR2, die Zähler 34 und
35, den Komparator 36, den Nulldetektor 37, das UND-Glied AND und den Abschwächer
38 enthalten), wobei die relative Vorschubrate zwischen Abtastkopf und einem Modell
reduziert und auf einem Wert gehalten wird, der dem Ergebnis der Entscheidung durch die
Entscheidungsmittel während einer Zeitperiode entspricht, wenn durch die
Entscheidungsmittel entschieden ist, daß die Änderung des Ablenksignals einen Schwellwert
überschritten hat, der niedriger als jener der anderen Schwellwerte ist zu der Zeit, wenn es
entschieden ist, zu einem Wert zurückzukehren, der kleiner als der Schwellwert des
niedrigsten Pegels ist. Da die Vorschubrate während der Verzögerung in Übereinstimmung
mit der Änderung des Ablenksignals pro Zeiteinheit geändert werden kann , das heißt
entsprechend der Struktur des Modells an einem darinliegenden Stoßpunkt, besitzt die
vorliegende Erfindung den Vorteil, daß eine optimale Verzögerungssteuerung bewirkt
werden kann in Übereinstimmung mit der Struktur des Modells an dem Stoßpunkt. Da
weiterhin die Verzögerungssteuermittel die Verzögerungssteuerung über die vollständige
Dauer von der Zeit ab, wenn die Änderung des Ablenksignals den Schwellwert eines Pegels
überschreitet, der niedriger als jene der anderen Schwellwerte bis zu der Zeit ist, wenn sie zu
einem Wert zurückkehrt, der kleiner als der Schwellwert des niedrigsten Pegels ist, fortsetzt,
hat die vorliegende Erfindung den weiteren Vorteil, daß die Verzögerung und ihre
Aufhebung nicht wiederholt während der Verzögerungssteuerung erfolgt.