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Verfahren zum Steuern einer Einrichtung zum selbsttätigen Nachfolgen
der Kante eines silhouettenariigen Musters Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen,
die dem Umriß eines Musters selbsttätig nachfolgen, um beispielsweise ein Werkzeug
zum Schneiden eines Arbeitsstückes entsprechend dem Verlauf des Musterumrisses zu
führen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Steuerung einer solchen
Nachfolgeeinrichtung durch Abtasten des Umrisses des Musters mittels einer Photozelle.
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Es stellt einen grundsätzlichen Unterschied dar, ob zur Steuerung
der Nachfolgeeinrichtung von der Photozelle eine einfache Linie oder die Kante eines
silhouettenartigen Musters, d. h. die Grenze zwischen zwei kontrastierenden Flächen
abgetastet wird, und daher sind bekannte Einrichtungen, bei denen mittels einer
Photozelle eine Linie abgetastet wird, für die Abtastung der Kante eines silhouettenartigen
Musters nicht verwendbar, weil in beiden Fällen verschiedenartige Probleme zu lösen
sind.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Einrichtung
zum selbsttätigen Nachfolgen der Kante eines silhouettenartigen Musters, bei welchem
die Musterkante mittels einer Photozelle abgetastet wird und die bei Abweichungen
der Musterkante von der Abtastmitte auftretenden elektrischen Ausgangssignale der
Photozelle zur ,Steuerung einer Antriebsvorrichtung verwendet werden, welche die
Photozelle mit der Musterkante wieder in Ausrichtung bringt.
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Es ist ein Verfahren dieser Art bekannt (britische Patentschrift 759
868); bei dem mittels der Photozelle ein auf einer Kreisbahn umlaufender Lichtfleck
abgetastet wird, so daß die Photozelle bei jedem Umlauf des Lichtflecks zwei Impulse
erzeugt, nämlich jeweils einen Impuls, wenn der Lichtfleck die Kante des silhouettenartigen
Musters kreuzt. Diese Photozellenimpulse werden in Rechteckimpulse umgewandelt,
und es werden den Vorderflanken dieser Rechteckimpulse entsprechende Spitzenimpulse
erzeugt, zwischen denen das Zeitintervall mittels eines Computers gemessen wird,
welcher die Impulse in Steuersignale umformt.
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Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren der obengenannten Art zu
schaffen, welches sich von dem bekannten Verfahren durch außerordentliche Einfachheit
und Zuverlässigkeit unterscheidet.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß
das Bild eines Teiles der Kante des silhouettenartigen Musters mittels der Photozelle
derart zyklisch abgetastet wird, daß am Ausgang der Photozelle ein Wechselsignal
mit einer Grundfrequenzkomponente erhalten wird, deren Amplitude sich proportional
mit dem Abstand des Bildes des abgetasteten Kantenteiles von der Abtastmitte ändert,
und daß zu diesem Ausgangswechselsignal der Photozelle ein Bezugswechselsignal gleicher
Frequenz, aber entgegengesetzter Phase, dessen Amplitude konstant, aber wesentlich
kleiner als die maximal auftretende Amplitude des von der Photozelle erzeugten Wechselsignals
und vorzugsweise halb so groß wie diese Amplitude ist, hinzuaddiert wird, um ein
zum Steuern der Photozellenantriebsvorrichtung verwendbares Summensignal zu erzeugen,
dessen Amplitude das Ausmaß und dessen Phase die Richtung der Abweichung des Bildes
des abgetasteten Kantenteiles des silhouettenartigen Musters von der Abtastmitte
anzeigt.
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Nach einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung
wird die zyklische Abtastung des Bildes des Kantenteiles des silhouettenartigen
Musters mittels der Photozelle dadurch bewirkt, daß das Muster in der Zone, welche
den abzutastenden Teil der Musterkante enthält, mit pulsierendem Licht beleuchtet
wird.
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Nach einer anderen Ausführungsform wird die zyklische Abtastung des
Bildes des Kantenteiles des
silhouettenartigen Musters mittels der
Photozelle dadurch bewirkt, daß mit Hilfe eines der Photozelle zugeordneten lichtundurchlässigen
schwingenden Schirms das Bild des Kantenteils periodisch abgedeckt wird.
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Bei der zuletzt genannten Ausführungsform kann die durch den schwingenden
Schirm hervorgerufene natürliche Versetzung des Bildes des Kantenteiles mit Bezug
auf die Abtastmitte mittels einer zusätzlichen Einrichtung ausgeglichen werden.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise
näher erläutert.
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F i g. 1 ist eine schematische Darstellung einer Abtastvorrichtung
und zeigt die Stellungen des Bildes der Kante des Musters mit Bezug auf das Schwingungszentrum
der Blende, wobei die F i g. 1 a bis .1 d jeweils verschiedene Stellungen der Vorrichtung
mit Bezug auf das Bild wiedergeben und __ F i g. 1 e eine graphische Darstellung,der
normalisierten Amplitude des Photozellenausganges in Abhängigkeit von den besonderen
Stellungen des Bildes der Musterkante, mit Bezug auf das .Schwingungszentrum ist;
F i g. 2a bis 2 d sind graphische Darstellungen der Spannungswellenformen des Photozellenausgangssignals
für jede der den F i g. 1 a bis 1 d entsprechenden Bildstellungen; F i g. 3 ist
ein Schema des elektrischen Stromkreises für eine Ausführungsform der Erfindung;
F i g. 4 ist eine schematische Darstellung einer Abtastvorrichtung für eine andere
Ausführungsform, der Erfindung und zeigt die bezüglichen Stellungen des Bildes der
Musterkante mit Bezug auf die Mitte der lichtempfindlichen Zone, wobei die F i g.
4 a bis 4 c jeweils verschiedene Stellungen der Vorrichtung mit Bezug, auf das Bild
wiedergeben und _ F i g. 4 d eine graphische Darstellung der normalisierten Amplitude
des _ Photozellenäusganges in Abhängigkeit von den besonderen Stellungen des Bildes
der Musterkante mit Bezug auf die Mitte der lichtempfindlichen Zone ist; F i g.
5 a bis 5 c sind graphische Darstellungen der Spannungswellenformen des Photozellenausgangssignals
für jede der den F i g. 4 a bis 4 c entsprechenden Bildstellungen; F i g. 6 ist
ein Schema des elektrischen Stromkreises für die zweite Ausführungsform der Erfindung.
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Bevor die nähere Beschreibung der ersten Ausführungsforin der Erfindung
erfolgt, soll eine allgemeine Erläuterung der ihr - zugrunde liegenden Arbeitsprinzipien
mit Bezug auf die F i g.1 und 2 gegeben werden. Die Abtastvorrichtung enthält eine
Photozelle 10 (F i g.1) mit einer lichtempfindlichen Zone 12, die auf ein
-Bild -eines Teiles der Kante eines silhouettenartigen Musters 14 projiziere wird.
Ein undurchlässiger Schirm 16 ist zwischen der lichtempfindlichen Zone 12 und dem
Muster angeordnet, und dieser Schirm wird veranlaßt, längs einer Linie zu schwingen,
die allgemein quer zu der Vor- und Rückbewegungsachse 18 der- Abtastvorrichtung
verläuft. Die in F i g.1 a mit 16 a und 16 b -bezeichneten Stellungen
deuten die Grenzen der Verschiebung des undurchlässigen .Schirmes 16 an,
wenn er um eine Abtastmitte schwingt. Bei der hier - in bezug auf F i-g. -1 und
2 gemachten Erläuterung ist angenommen, daß die Abtastmitte mit der Achse 18 zusammenfällt,
jedoch ist es bei der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform erforderlich,
daß die Abtastmitte um einen vorbestimmten Abstand versetzt ist, damit die Abtastvorrichtung
dem Muster genau folgen kann, wie es später noch beschrieben wird.
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Wenn die Kante des Musters 14 innerhalb der Bewegungsgrenzen des undurchlässigen
Schirms 16 projiziert wird, entsteht eine Fluktuation in der Intensität des auf
die lichtempfindliche Zone 12 auftreffenden Lichtes jedesmal, wenn der Schirm 16
das Bild des Kantenteiles kreuzt. Die Fluktuationen in der Lichtintensität rufen
in bekannter Weise fluktuierende Änderungen in der Stromleitfähigkeit der Photozelle
-10 hervor. Wenn z. B. die Photozelle aus einem Halbleiter mit lichtelektrischem
Widerstand besteht, ändert sich der Widerstand der Zelle umgekehrt mit der Intensität
des auftreffenden Lichtes. Wenn der undurchlässige Schirm den Kantenteil 14 in der
Richtung gegen seine linke Grenzstellung 16 a (F i g.1) kreuzt, steigt die Intensität
des auf die empfindliche Zone 12 auftreffenden. Lichtes und bewirkt, daß der Widerstand
der Photozelle 10 verkleinert wird. Umgekehrt wird, wenn der Schirm den Kantenteil
in der Richtung gegen seine rechte Grenzstellung 16 b
kreuzt, der Widerstand
der Photozelle infolge der Verminderung der Intensität des auf sie auftreffenden
Lichtes vergrößert.
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Wenn der undurchlässige Schirm 16 mit einer vorbestimmten Frequenz
zum Schwingen gebracht wird, z. B. mittels eines Motors, der aus einem normalen
60-1U-Netz gespeist wird, hat das elektrische Signal am Ausgang der Photozelle 10
eine 60-Hz-Komponente, deren Größe anzeigt, um welche Strecke sich das Bild des
Musters 14 "von der Abtastmitte des Schirmes 16 wegbewegt hat. Die in den F i g.
2 a bis 2d in ausgezogenen Linien dargestellten Wellenformen 22 a bis
22 d zeigen die Spannungsschwankungen am Photozellenausgang bei der Grundfrequenz
des schwingenden .Schirmes 16. Jede der F i g. 2 a bis 2 d entspricht einer besonderen
Stellung des Kantenteiles des Musters 14 mit Bezug auf die Abtastmitte, entsprechend
den F i g. 1 a bis 1 d.
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Die Wellenformen gemäß den F i g. 2 a bis 2 d setzen eine Verbindung
der Photozelle 10 mit einem elektrischen Stromkreis voraus, wie er in F i g. 3 gezeigt
ist und in dem die Photozelle 10 in Reihe mit einem Widerstand 24 an den negativen
Pol einer Gleichspannungsquelle angeschlossen ist. Die Ausgangsspannungswellenform
wird an der Verbindungsstelle 27 abgenommen: Es gibt selbstverständlich viele Möglichkeiten
für den Anschluß der Photozelle, und die in F i g. 3 dargestellte ist eine von denjenigen,
die für die besondere Ausführungsform geeignet sind, die nachstehend beschrieben
wird. -Die Ausgangswellenform 22 b- in F i g. 2 b entspricht dem in F i g.1 b wiedergegebenen
Zustand, wo die Kante des Musters 14 mit der Abtastmitte zusammenfällt, und an diesem
Punkt hat sie eine maximale Amplitude. Die F i g. 2 a und 2 c zeigen Wellenformen,
die sehr kleine Amplituden haben und den F i g. 1 a und 1 c entsprechen, wo das
Bild des Kantenteiles des Musters 14 - jeweils in Stellungen projiziert ist, die
nahezu den äußersten Grenzen entsprechen, an denen ein fluktuierendes Ausgangssignal
erwartet werden kann.
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F i g. 1 e ist eine graphische Darstellung dei Amplitude des am- Photozellenausgang
erzeugter Signals in Abhängigkeit von der Lage des Bildes de:
Kantenteiles
des Musters 14. Die in den F i g. 1 a bis 1 d gezeigten Lagen sind auf die Abszisse
der graphischen Darstellung von F i g. 1 e projiziert. F i g. 1 e zeigt, daß für
die in F i g. 1 b dargestellte Lage die Amplitude ein Maximum hat und daß die Amplitude
sich dem Wert Null nähert, wenn das Bild sich über die in den F i g. 1 a und 1 c
wiedergegebenen Lagen hinaus gegen die Grenzlagen bewegt. F i g. 1 d zeigt eine
Lage des Bildes, bei der die Amplitude des erzeugten Signals annähernd halb so groß
ist wie die maximale Amplitude, die bei dem in F i g. 1 b gezeigten Zustand auftritt.
Die Bedeutung dieses Zustandes und der schraffierten Teile in der graphischen Darstellung
gemäß F i g. 1 e gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor.
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Die Wellenformen 22 a und 22 c, die den Lagen des Kantenteiles entsprechen,
wenn dieser um den gleichen Betrag nach jeder Seite der Abtastmitte verschoben ist,
sind in Amplitude und Phase identisch. Die Amplitude des aus der Photozelle austretenden
Signals ist daher kennzeichnend für den Abstand des Kantenteiles von der Abtastmitte,
jedoch liefert sie keine Anzeige für die Orientierung des Kantenteiles auf der einen
oder der anderen Sexte der Abtastmitte. Das aus der Photozelle austretende Signal
ist daher, wenn überhaupt, in dieser Form nur von geringem Nutzen.
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Es wurde jedoch gefunden, daß das Photozellenausgangssignal so modifiziert
werden kann, daß es eine Information hinsichtlich des Abstandes und der Richtung
der Versetzung des Bildes von einer Bezugslage enthält, so daß es ein Servoantriebssystem
steuern kann, um die Abtastvorrichtung in einer gewünschten Stellung mit Bezug auf
das Bild zu halten. Dies kann durch Mischen der Grundkomponente 22 des aus der Photozelle
austretenden Signals mit einem Bezugssignal 26 erreicht werden. Das Bezugssignal
steht zu der erzeugten Grundkomponente 22 in entgegengesetzter Phase und hat eine
Amplitude, die wesentlich kleiner als die maximale Amplitude des erzeugten Signals
ist. Es wird daran erinnert, daß das Maximum auftritt, wenn das Bild sich in der
in F i g. 1 b gezeigten Lage befindet, die mit der Abtastmitte zusammenfällt. Das
Bezugssignal, das in den F i g. 2 a bis 2 d durch die gestrichelten Linien 26 a
bzw. 26 b, 26 c, 26 d dargestellt ist, hat eine konstante Amplitude, und
es kann irgendeinen Wert haben, der wesentlich kleiner als der maximale Wert des
erzeugten Signals der in F i g. 2 b bei 22 b wiedergegeben ist.
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Ein angelegtes Signal 26, dessen Amplitude annähernd halb so groß
wie die maximale Amplitude des erzeugten Signals 22 b ist, ist hier gewählt worden,
um im wesentlichen den linearen Teil der Kurve gemäß F i g. 1 e auszunutzen. Es
ist verständlich, daß sowohl eine größere als auch eine kleinere Amplitude verwendet
werden kann, vorausgesetzt, daß sie wesentlich größer als die Nullamplitude und
wesentlich kleiner als die maximale Amplitude ist. Die Addition des erzeugten Signals
22 und des angelegten Signals 26 ergibt ein Summensignal, wie es in den F i g. 2
a bis 2 c durch die strichpunktierten Linien 28 a bzw. 28 b, 28 c dargestellt ist.
Da das Bezugssignal 26 und das erzeugte Signal 22 für den in F i g.1 d wiedergegebenen
Zustand beide eine Amplitude haben, die gleich der Hälfte der maximalen Amplitude
22 b des erzeugten Signals ist, und diese Signale entgegengesetzte Phasen haben,
ist das Summensignal, wenn der Kantenteil sich in der Lage gemäß F i g. 1 d befindet,
gleich Null. Dieser Punkt ist in F i g. 1 e bei 29 dargestellt. Natürlich ist noch
eine andere Lage, die dem Punkt 29 a in F i g. 1 e entspricht, die aber für diese
Betrachtung keine Bedeutung hat.
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Wenn das Bild des Kantenteiles sich links von der Nullage 29, z. B.
in der in F i g. 1 a gezeigten Lage befindet, ist die Resultierende 28 a in entgegengesetzter
Phase zu dem erzeugten Signal 22 a. Wenn jedoch das Bild des Kantenteiles sich zwischen
den beiden Nulllagen 29 und 29 a, z. B. in der in F i g. 1 b dargestellten Lage
befindet, ist die Phase der Resultierenden 28 b dieselbe wie die des erzeugten Signals
22 a, aber entgegengesetzt zu der Phase der Resultierenden 28 a. Das aus der Photozelle
austretende Signal kann daher an einen auf Phase und Amplitude ansprechenden Motor
angelegt werden, um die Abtastvorrichtung gemäß der Gestalt des Musters zu steuern.
Der Steuermotor kann so ausgebildet sein, daß er den Fühler entsprechend der Phase
des an ihn angelegten resultierenden Signals antreibt. Solange die Vorrichtung links
von der dem Punkt 29 a der F i g. 1 e entsprechenden Stellung bleibt, kann sie durch
das resultierende Signal richtig eingestellt werden. Jenseits des Punktes 29 a wird
jedoch die Vorrichtung instabil, und sie arbeitet nicht richtig.
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Aus F i g. 1 d ist zu ersehen, daß eine Versetzung zwischen der Abtastmitte
des undurchsichtigen Schirmes 16 und dem Kantenteil des Musters 14 vorhanden ist.
Die Versetzung ist eine natürliche Erscheinung der Abtastvorrichtung bei der ersten
Ausführungsform der Erfindung, hervorgerufen durch die mechanische Art des Abtastens,
bei der ein Signal mit maximaler Amplitude in natürlicher Weise entsteht, wenn die
Kante des Musters 14 mit der Abtastmitte zusammenfällt. Bei der zweiten Ausführungsform
ist ein Abtastsystem vorgesehen, bei dem die natürliche Versetzung nicht auftritt,
weil das Maximum des Signals erscheint, wenn der Kantenteil in extremem Ausmaß von
der Abtastmitte weg verschoben ist.
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Die natürliche Verschiebung würde bewirken, daß die Vorrichtung dem
Muster so folgt, daß ihre Achse 18 von der Kante des Musters um einen vorbestimmten
Betrag versetzt ist, der gleich dem Abstand ist, der durch die Hälfte der Maximalamplitude
des erzeugten .Signals 22 b dargestellt ist. Die Versetzung kann, wenn erwünscht,
leicht dadurch ausgeglichen werden, daß die Abtastmitte um einen Betrag, welcher
gleich der natürlichen Versetzung ist, nach rechts, wie in F i g. 1 d gesehen, verschoben
wird. Dies kann auf eine der nachstehend beschriebenen Weisen geschehen.
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Die vorstehende Erläuterung ist auf die Konfiguration gemäß F i g.
1 gerichtet, in welcher die dunkle Zone des Musters links und die helle Zone rechts
mit Bezug auf die Richtung der Bewegung der Abtastvorrichtung liegt, die aufwärts
verläuft, wie dies durch den Pfeil an der Achse 18 angedeutet ist. Um die Vorrichtung
längs eines Musters zu führen, in dem die dunklen und hellen Zonen umgekehrt liegen,
rnuß auch die Phase des Bezugssignals umgekehrt werden, weil die Polarität des erzeugten
Signals mit dieser Orientierung umgekehrt wird. Die Richtung der natürlichen Versetzung
wird ebenfalls umgekehrt, wenn das Muster umgekehrt wird, und deswegen müssen Vorkehrungen
getroffen werden, um die Abtastmitte wahlweise auf der einen oder der anderen Seite
der
Achse 18 anzuordnen, je nach der Orientierung des Musters.
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Es ist bereits oben erwähnt worden, daß die Prinzipien der Erfindung
auch auf andere Arten von Abtastvorrichtungen als den eingangs genannten anwendbar
sind. In den USA.-Patentschriften 2 933 612 und 2 499178 sind andere Arten von Abtastvorrichtungen
aufgezeigt, auf welche die Erfindung anwendbar ist. Die erstgenannte USA.-Patentschrift
2 933 612 offenbart eine Abtastvorrichtung, bei der eine Photozelle, die eine lichtempfindliche
Zone besitzt, welche in einer Richtung entsprechend derjenigen des undurchlässigen
Schirmes 16 gemäß F i g.1 angeordnet ist, quer zu der Kante des Umrißmusters in
Schwingung versetzt wird. F i g. 1 kann zur Beschreibung des Arbeitens dieser bekannten
Abtastvorrichtung verwendet werden, wenn vorausgesetzt wird, daß -.die Stellungen
16 a und 16 b die äußersten Stellungen- der lichtempfindlichen Zone
darstellen, wenn die Photozelle schwingt. Auch hier wird am Ausgang der Photozelle
ein Signal mit einer Grundfrequenz erhalten, die gleich der Schwingungsfrequenz
der Photozelle ist. Die Wellenformen gemäß F i g.-2 sind im wesentlichen den Wellenformen
des Signals am Ausgang der schwingenden Photozelle mit der Ausnahme ähnlich, daß
die Phasenorientierung jeder der Wellenformen.22, 26 und 28 der in F i g. 2 gezeigten
entgegengesetzt sein würde, wobei jedoch die Amplituden im wesentlichen gleich sind.
Die- rotierende Abtastvorrichtung gemäß der vorstehend an zweiter Stelle genannten
USA:-Patentschrift 2 499178 erzeugt ebenfalls Wellenformen, die den in Fi g. 2 gezeigten
im wesentlichen ähnlich sind, und sie kann daher- in Konturenkopiergeräten verwendet
werden. Es kann tatsächlich gesagt werden, daß die grundlegenden Lehren der vorliegenden
Erfindung auf jede Abtästvorrichtung anwendbar sind, bei der das Muster periodisch
abgetastet wird.
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Nachstehend soll an Hand von F i g. 3 ein elektrischer Stromkreis
für eine besondere und bevorzugte Durchführung des Verfahrens der Erfindung näher
beschrieben werden. Zum ' Inschwingungsetzen des undurchlässigen Schirmes 16 quer
über den empfindlichen Teil 12 der Photozelle 10 ist eine Vorrichtung vorgesehen,
die einen Elektromagneten 30 und einen mit dem undurchlässigen Schirm 16 verbundenen
Anker 32 aufweist. Der Schirm 16 schwingt daher über die lichtempfindliche Zone
der Photozelle, wenn der Anker 32 auf ein über einen Transformator 34 angelegtes
Wechselstromsignal anspricht. Ein Phaseneinstellkreis 36 ist in dem :die Schwingungsvorrichtung
-erregenden Stromkreis vorgesehen; um Phasenverschiebungen in den verschiedenen
Teilendes elektrischen Stromkreises auszugleichen. Der Phaseneinstellkreis ist nicht
in seinen Einzelheiten dargestellt, da er von bekannter Art sein kann und keinen
Teil der Erfindung bildet: Der Ausgang aus der Photozelle 10; der an dem Verbindungspunkt
27 abgenommen wird, wird über zwei in Serie geschaltete Wechselstromverstärker 38
und 40 zu einem Verbindungspunkt 41 geführt. Das verstärkte Photozellensignal wird
am Verbindungspunkt 41 mit einem von einer Wechselstromquelle kommenden Signal von
konstanter Amplitude gemischt. Der Punkt 41 kann außerdem über ein Potentiometer
42 und-einen Schalter 44 mit der einen oder der anderen Seite der Wechselstromquelle
verbunden werden. Ein Widerstand 45, welcher der Wechselstromquelle parallel geschaltet
ist und der eine geerdete Mittelanzapfung besitzt, liefert eine richtige Bezugsgröße
für die entgegengesetzten Phasen des Bezugssignals. Der Schalter 44 dient für die
Auswahl eines Bezugssignals von zweckentsprechender Phase in Abhängigkeit von der
Orientierung der hellen und dunklen Teile des Musters mit Bezug auf die Bewegungsrichtung
der Abtastvorrichtung. Das Potentiometer 42 ermöglicht die Auswahl eines Signals
von zweckentsprechender Amplitude, um es dem erzeugten Signal am Verbindungspunkt
41 hinzuzufügen.
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Das von dem Verbindungspunkt 41 ausgehende resultierende Signal wird
durch einen Verstärker 46 verstärkt und an die eine Wicklung 48 eines Zwei phasensteuermotors
50 angelegt. Die andere Wicklung 52 des Motors 50 ist an die Wechselstromquelle
über einen Kondensator 54 angeschlossen, der eine Phasenverschiebung von 90° bewirkt,
die erforderlich ist, um die Signale in den Wicklungen des Zweiphasenmotors in richtige
Phasenbeziehung zubringen.
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Ein Tachometergenerator 56 ist direkt mit der Welle des Motors 50
verbunden, und die eine Wicklung 58 von ihm ist mit der Wechselstromquelle verbunden.
Die andere Wicklung 60 des Generators 56 ist zwischen Erde und den Eingang des Verstärkers
46 an einem Verbindungspunkt 61 geschaltet, um: ein Signal zu liefern, welches der
Drehgeschwindigkeit des Motors 50 entspricht. Der Generator 56 ist so eingestellt,
daß das an den Eingang des Verstärkers 46 angelegte Signal der Resultierenden aus
dem erzeugten Signal und dem Bezugssignal entgegengesetzt ist. Wenn eine große Abweichung
des Kantenteiles von der Abtastmitte vorhanden ist, sucht ein verhältnismäßig großes
resultierendes Signal den Steuermotor 50 mit einer hohen Geschwindigkeit anzutreiben.
Wenn jedoch die Geschwindigkeit des Motors 50 ansteigt, vergrößert sich der Ausgang
aus dem Tachometergenerator 56 und wirkt dem resultierenden Signal entgegen, um
die Amplitude des dem Motor 50 zugeführten Signals zu verkleinern. Dieser Effekt
ermöglicht die Verwendung einer großen Verstärkung in der .Servoschleife und vermindert
das Vorlaufen, da die maximale Verstärkung der Schleife nur erreicht wird, wenn
die Geschwindigkeit des Steuermotors 50 beinahe Null ist.
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Der Motor 50 wirkt über ein Getriebe, um die Abtastvorrichtung 10
und einen Triebradmechanismus 55 zu drehen. Das Anlegen eines resultierenden Signals
26 a mit einer Phase entsprechend den F i g. 1 a und 2 a bewirkt somit, daß der
Motor 50_ die Abtastvorrichtung 10 und den Triebradmechanismus 55 im Gegenuhrzeigersinn
gegen die Kante des Musters 14 dreht. Ein resultierendes Signal 26 b mit einer Phase
entsprechend den F i g. 1 b und 2 b veranlaßt den Motor, sich im Uhrzeigersinn zu
drehen, um die Abtastvorrichtung 10 und den Triebradmechanismus 55 wieder gegen
die Kante des Musters 14 zu bewegen. Wenn sich die Photozelle in der in F i g.1
d wiedergegebenen Stellung befindet, ist in der Resultierenden im wesentlichen keine
Grundfrequenzkomponente vorhanden, um eine Drehung des Motors 50 zu bewirken.
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Um die natürliche Versetzung zwischen der Achse 18 der Abtastvorrichtung
und dem Bild des Kantenteiles auszugleichen, ist eine Vorrichtung 62 vorgesehen,
um die Abtastmitte um einen vorbestimmten Betrag gemäß der natürlichen Versetzung
zu verschieben. Die Vorrichtung 62 kann, wie in F i g. 3
gezeigt,
einen zusätzlichen Elektromagneten 64 enthalten, der durch eine richtig gepolte
Gleichstromquelle 66 über einen Schalter 68, dessen Arm mit dem Arm des Schalters
44 gekuppelt ist, erregt wird. Wenn der Elektromagnet 64 durch einen in der einen
oder der anderen Richtung fließenden Gleichstrom erregt wird, erzeugt er an dem
Anker 32 des Elektromagneten 30 eine Vorspannungskraft, welche die Abtastmitte um
einen vorbestimmten Betrag nach der einen oder der anderen Seite verschiebt. Der
Schalter 68, der mit dem das Bezugssignal umkehrenden Schalter 44 gekuppelt ist,
dient dazu, das Schwingungszentrum des Ankers 32 in der einen Richtung zu versetzen,
wenn das Bezugssignal die eine Phase hat, und in umgekehrter Richtung, wenn das
Bezugssignal entgegengesetzte Phase hat.
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Es können selbstverständlich auch andere Mittel zum Ausgleichen der
natürlichen Versetzung vorgesehen werden. Beispielsweise können der Elektromagnet
64 und sein Erregerstromkreis durch einen Dauermagneten ersetzt werden, der wahlweise
mit Bezug auf den Anker 32 des Elektromagneten 30 eingestellt werden kann, um eine
Versetzung in jeder Richtung zu ermöglichen. Die natürliche Versetzung kann auch
dadurch ausgeglichen werden, daß der Schirm 16 mit Bezug auf die Achse 18 der Abtastvorrichtung
mechanisch verschoben wird. Die natürliche Versetzung könnte weiterhin auch durch
optische Mittel ausgeglichen werden, die das Bild der Kante des Musters auf der
Photozelle wahlweise in richtiger Richtung und richtigem Abstand verschieben.
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Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 3 ist ferner ein Alarmstromkreis
70 vorgesehen, der eine Warnung gibt, wenn kein Musterkantenteil in dem auf die
Photozelle projizierten Bild vorhanden ist. Er unterbricht auch die Wechselstromzufuhr
zu dem Triebradmechanismus 55. Das vom Verstärker 38 ausgehende Wechselstromsignal
wird in Gleichstrom durch einen üblichen Gleichrichter 72 umgeformt, dessen Ausgang
der Erregerspule 76 eines Relais 78 zugeführt wird. Die Spule 76 betätigt, wenn
sie erregt wird, normalerweise geschlossene Kontakte 80 und normalerweise offene
Kontakte 82, die in den Erregerstromkreis für eine Warnlampe 84 bzw. für den Triebradmechanismus
55 geschaltet sind. Wenn ein Teil der Kante des Musters auf die empfindliche Zone
der Photozelle innerhalb des Schwingbereiches des Schirmes projiziert wird, erscheint
ein Signal am Ausgang des Verstärkers 38, das gleichgerichtet und an die Spule 76
des Relais 78 angelegt wird, um sie zu erregen. Der Triebradmechanismus 55 wird
dadurch über die geschlossenen Kontakte 82 direkt mit der Wechselstromquelle verbunden,
und der Stromkreis zur Lampe 84 wird durch die Kontakte 80 geöffnet. Wenn jedoch
das Gerät ein Feld abtastet, in dem keine kontrastierenden Teile vorhanden sind,
erscheint am Ausgang des Verstärkers 38 kein Signal, und das Relais 78 wird stromlos.
Die Kontakte 82 in dem Erregerstromkreis für den Triebradmechanismus 55 werden geöffnet,
und die Kontakte 80 in dem Erregerstromkreis für die Lampe 84 werden geschlossen.
Das Gerät ist daher stillgesetzt, und die Lampe 84 informiert die Bedienungsperson,
daß die Photozelle kein Bild eines kontrastierenden Teiles des Musters mehr empfängt.
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Das Gerät kann als Profilkopiergerät verwendet werden, wenn sich die
gekuppelten Schalter 62 und 44 in ihren äußeren Kontaktstellungen befinden, und
es kann als Linienkopiergerät verwendet werden, wenn die Schalter sich in ihrer
mittleren Kontaktstellung befinden. Dies ist ein bedeutender Vorteil für die industriellen
Benutzer von Kopiergeräten, der darin liegt, daß ein und dieselbe Vorrichtung verwendet
werden kann, um sowohl Profilmuster als auch Linienmuster zu kopieren, und zwar
durch einfache Betätigung der gekuppelten Schalter.
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Eine zweite Schaltung zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung
soll jetzt beschrieben werden, für die das Stromkreisdiagramm gemäß F i g. 6 gültig
ist, jedoch wird zunächst eine allgemeine Beschreibung der zugrunde liegenden Arbeitsprinzipien
unter Bezugnahme auf die F i g. 4 und 5 gegeben.
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Die Abtastvorrichtung für diese Ausführungsform weist eine Photozelle
100 mit einer lichtempfindlichen Zone 102 auf, auf die ein Bild eines Teiles der
Kante 104 eines kontur- oder silhouettenartigen Musters projiziert wird. Die empfindliche
Zone 102 ist quer über der von der Vorder- zur Rückseite führende Achse 106 der
Abtastvorrichtung angeordnet und um diese Achse zentriert. Diese Abtastvorrichtung
unterscheidet sich jedoch von der bei der ersten Ausführungsform verwendeten darin,
daß sie keinen schwingenden undurchlässigen Schirm enthält, der das Bild des Kantenteiles
periodisch unterbricht. Viehmehr wird das Bild periodisch dadurch unterbrochen,
daß das auf das Muster auftreffende Licht periodisch unterbrochen wird. Wird angenommen,
daß die Photozelle 100 auf eine reflektierende Oberfläche gerichtet ist, so bewirkt
die pulsierende Lichtquelle, daß der elektrische Ausgang der Photozelle gemäß der
pulsierenden Lichtquelle variiert, d. h., wenn die Lichtquelle mit 60 Hz pulsiert,
hat der Ausgang aus der Photozelle eine fluktuierende Komponente, die harmonische
60-Hz-Komponenten enthält. Wenn die Photozelle jedoch auf eine Oberfläche gerichtet
ist, die Licht vollständig absorbiert, dann hat die pulsierende Lichtquelle keinen
Einfiuß auf den Ausgang der Photozelle, und infolgedessen enthält der Photozellenausgang
keine Komponente mit der Frequenz der Lichtquelle. Es ist daher ersichtlich, daß
die sich ändernden Lagen des Kantenteiles mit Bezug auf die Achse 106 der Abtastvorrichtung,
wie sie in den F i g. 4 a bis 4 c gezeigt sind, die Ausgangswellenformen 108 a bis
108 c derart beeinflussen, wie dies in den F i g. 5 a bis 5 c dargestellt ist. Wenn
angenommen wird, daß der schraffierte Teil links von der Musterkante 104 in den
F i g. 4 a bis 4 c eine lichtabsorbierende Oberfläche und der umschraffierte Teil
rechts von der Musterkante 104 eine lichtreflektierende Oberfläche darstellt, dann
hat das Photozellenausgangssignal 108 bin F i g. 5 b, das der Stellung gemäß F i
g. 4 b entspricht, eine große Amplitude im Vergleich zu dem Signal 108 c
in F i g. 5 c, das der Stellung gemäß F i g. 4 c entspricht.
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Die veränderliche Komponente des Photozellenausgangs hat eine maximale
Amplitude, wenn die lichtempfindliche Zone 102 der Photozelle 100 sich vollkommen
über einer reflektierenden Oberfläche befindet, und sie hat eine minimale Amplitude,
wenn die lichtempfindliche Zone 102 sich vollständig über einer absorbierenden Oberfläche
befindet. Es kann daher angenommen werden, daß, falls die lichtempfindliche Zone
102 der Photozelle 100 auf ein Gebiet gerichtet ist, das halb absorbierend und halb
reflektierend ist, z. B. wenn der Kantenteil 104 durch
die Mitte
der lichtempfindlichen Zone 102 hindurchgeht, wie es in F i g. 4 a gezeigt ist,
die Amplitude des Photozellenausganges ungefähr in der Mitte zwischen der maximalen
und der minimalen Amplitude liegt. Es sei bemerkt, daß die Ausdrücke »absorbierende
Oberfläche« und »reflektierende Oberfläche« nur in einem relativen Sinn zum Zweck
der Vereinfachung der Beschreibung verwendet sind und daß die Vorrichtung dazu verwendet
werden kann, die Grenzlinie zwischen irgendwelchen in ihrer Helligkeit kontrastierenden
oder kontrastierend gefärbten Oberflächen abzutasten.
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F i g. 4 d ist eine graphische Darstellung, welche die Amplitude des
am Photozellenausgang erzeugten Signals in Abhängigkeit von der Lage des Bildes
des Kantenteiles 104 wiedergibt. Die in den F i g. 4 a bis 4 c dargestellten Lagen
des Bildes wurden auf die Abszisse der graphischen Darstellung gemäß F i g. 4 d
herunterprojiziert, und F i g. 4 d zeigt, daß das Ausgangssignal eine maximale Amplitude
hat, wenn die lichtempfindliche Zone 102 der Photozelle 100 nur auf eine reflektierende
Oberfläche gerichtet ist, und däß es eine minimale Amplitude hat, wenn die empfindliche
Zone nur auf eine absorbierende Oberfläche gerichtet ist. Wenn der Kantenteil 104
mit der Mitte der lichtempfindlichen Zone 102 zusammenfällt, liegt die Amplitude
des Ausgangssignals ungefähr in der Mitte zwischen der maximalen und der minimalen
Amplitude. Dies ist in F i g. 4 d mit der Bezugsziffer 110 angedeutet und stellt
die Amplitude der in F i g. 4 a gezeigten Konfiguration dar.
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Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Ausgangssignal der Photozelle
100, wenn überhaupt, von geringem Wert, um die Lage des Kantenteiles 104 mit Bezug
auf die Achse 106 der Abtastvorrichtung genau zu bestimmen. Jedoch hat in diesem
Fall das Ausgangssignal der Photozelle eine größere Amplitude, wenn der Kantenteil
sich links von der Mitte der lichtempfindlichen Zone befindet, als wenn er rechts
davon liegt.
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Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel kann auch hier das Ausgangssignal
der Photozelle so modifiziert werden, daß es eine Information enthält, die direkt
den Abstand und die Richtung der Verschiebung des Bildes von der Mitte der lichtempfindlichen
Zone angibt. Das aus der Photozelle erhaltene Ausgangssignal, das in den F i g.
5 a bis 5 c mit 108 a bzw. 108 b,108 c bezeichnet ist, kann mit einem Bezugssignal
- gemischt werden, das mit 112 a bzw. 112 b,
112 c bezeichnet ist-
und von gleicher Amplitude, aber entgegengesetzter Phase wie das Signal ist, das
für den in F i g. 4 a gezeigten Bezugszustand kennzeichnend ist. Wenn das Ausgangssignal
108 und das angelegte Bezugssignal 112 algebraisch addiert werden, wie in F i g.
5 gezeigt, haben die Resultierenden für die drei in F i g. 5 a bis 5 c gezeigten
Zustände Wellenformen, die mit 114 a bzw. 114 b, 114 c bezeichnet
sind. Wenn der Kantenteil mit der Mitte der lichtempfindlichen Zone 102 zusammenfällt,
hat das resultierende Signal eine Amplitude vom Wert Null, während es in jedem der
beiden in den F i g. 4b und 4 c gezeigten Zustände eine maximale Amplitude hat.
Die Phasen der Signale, die diese Zustände darstellen, sind jedoch einander entgegengesetzt
und zeigen daher an, in welcher Richtung die Mitte der lichtempfindlichen Zone 102
von dem Bild des Kantenteiles 104 versetzt ist. Die Amplitude des resultierenden
Signals zeigt den Betrag der Verschiebung der Mitte der lichtempfindlichen Zone
von dem Bild des Kantenteiles 104 an.
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Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten darin,
daß durch Abtasten des Musters mit einer pulsierenden Lichtquelle statt mit einem
schwingenden Schirm die natürliche Versetzung, die durch das Addieren des angelegten
Signals und des Photozellenausgangssignals entsteht, beseitigt wird. Das resultierende
Signal kann dazu verwendet werden, einen Steuermechanismus für die Abtastvorrichtung
unmittelbar zu erregen, ohne daß Vorkehrungen für einen Ausgleich der natürlichen
Versetzung zu treffen sind.
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Die vorstehende Erläuterung des zweiten Ausführungsbeispiels ist auf
den Zustand gerichtet, bei dem die absorbierende oder dunkle Zone mit Bezug auf
die Bewegungsrichtung der Abtastvorrichtung links und die reflektierende oder helle
Zone rechts liegt. Um die Vorrichtung an einem Muster entlangzuführen, bei dem die
Lagen der dunklen und der hellen Zone umgekehrt sind, ist es lediglich erforderlich,
die Polarität des angelegten Signals umzukehren, um die natürliche Umkehrung der
Polarität des erzeugten Signals auszugleichen. Da bei dieser Ausführungsform keine
natürliche Versetzung auftritt, brauchen keine Vorkehrungen getroffen zu werden,
um die Mitte der lichtempfindlichen Zone mit Bezug auf die Achse 106 der Abtastvorrichtung
neu auszurichten.
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Diese Ausführungsform der Erfindung ist ebenfalls für einen Linienkopiermechanismus
verwendbar. Das Stromkreisdiagramm gemäß F i g. 6 ist demjenigen gemäß F i g. 3
für die erste Ausführungsform ähnlich. Der einzige Unterschied liegt in der Verwendung
einer pulsierenden Lichtquelle und dem Wegfall der eine Vorspannungskraft liefernden
Mittel für die natürliche Versetzung, wie sie bei der ersten Ausführungsform vorgesehen
sind. Eine vollständige Beschreibung des Stromkreises gemäß F i g. 6 braucht nicht
gegeben zu werden, da er zum größten Teil in identischer Weise arbeitet wie der
Stromkreis für die erste Ausführungsform. Die sich entsprechenden Aufbauteile beider
Stromkreise sind daher mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Das Stromkreisdiagramm gemäß F i g. 6 zeigt eine Einrichtung, die
auch als Linienkopiergerät verwendet werden kann und die, wenn sie als ein solches
Gerät verwendet wird, die Anwendung des schwingenden Schirms 16 mit seinem Schwingungsmechanismus
30 erfordert. Wenn jedoch die Einrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform als
Kantennachfolgegerät verwendet werden soll, bewirkt die pulsierende Lichtquelle
die periodische Abtastung, und der Schirm 16 braucht nicht zu schwingen. Ein Schalter
114 ist daher mit dem das angelegte Signal umkehrenden Schalter 44 gekuppelt, um
den Schwingungsmechanismus 30 von seiner Erregerquelle abzuschalten, wenn beide
Schalter in ihren äußeren Kontaktstellungen sind, In diesen Stellungen wird ein
Widerstand 116 parallel zur Sekundärwicklung des Transformators 34 geschaltet, um
die elektrische Energie im Stromkreis der Sekundärseite des Transformators 34 zu
vernichten, wenn der Schwingungsmechanismus 30 nicht angeschaltet ist. Wenn der
Schalter 114 in seine Mittelstellung gebracht wird, wird der Schwingungsmechanismus
angeschaltet, so daß die Einrichtung als Linienkopiergerät arbeitet.
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Das pulsierende Licht zum Beleuchten des betrachteten Teiles des Musters
wird von einer Lampe 118
geliefert, die an die Wechselstromquelle
mittels eines Stromkreises angeschlossen ist, der von der einen Seite der Wechselstromquelle
über eine Leitung 120, die Lampe 118, einen Gleichrichter 122 oder 123, einen Schalter
124 und eine Leitung 126 zu der anderen Seite der Wechselstromquelle verläuft. Der
Schalter 124 ist außerdem mit dem das angelegte Signal umkehrenden Schalter 44 verbunden,
so daß der Lampe 118 über den Gleichrichter 122 Strom zugeführt wird, wenn die gekuppelten
Schalter in ihren äußeren Stellungen sind, in denen die Einrichtung als Kantennachfolgegerät
arbeitet. Wenn die gekuppelten Schalter in ihrer Mittelstellung sind, um die Einrichtung
als Liniennachfolgegerät arbeiten zu lassen, wird der Gleichrichter 122 umgangen,
um das mit 60 Hz pulsierende Licht zu unterbrechen. Der Gleichrichter bewirkt, daß
die Lampe nur einmal während jeder Periode des Speisewechselstromes aufleuchtet,
um ein pulsierendes Licht zu erzeugen, das die gleiche Frequenz wie das Bezugssignal
hat.
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Das Bezugssignal wird wieder an den Verbindungspunkt 41 über dem Umkehrkreis
angelegt, der das Potentiometer 42, den Widerstand 45 und den Umkehrschalter 44
enthält. Das von der Photozelle 10 erzeugte Signal wird verstärkt und mit dem Bezugssignal
an dem Verbindungspunkt 41 gemischt, und das resultierende Signal wird durch den
Verstärker 46 verstärkt und an den Steuermotor 50 angelegt. Wie bei der ersten Ausführungsform
kann der Motor 50 die Abtastvorrichtung in einer von der Polarität des resultierenden
Signals abhängigen Richtung antreiben, um sie gegen den Kantenteil des Musters zu
bewegen.