DE3024679A1

DE3024679A1 - Optisches kantenerkennungsgeraet

Info

Publication number: DE3024679A1
Application number: DE19803024679
Authority: DE
Inventors: Rainer 7602 Oberkirch Hess
Original assignee: Individual
Current assignee: Laco Sa Luxemburg Lu
Priority date: 1980-06-30
Filing date: 1980-06-30
Publication date: 1982-01-21
Also published as: DE3024679C2

Description

Optisches Kantenerkennungsgerät
Die Erfindung betrifft ein optisches Kantenerkennungsgerät mit einer einen Lichtstrahl aus sendenden Lichtquelle und einem den Lichtstrahl empfangenden und dabei ein elektrisches Signal abgebenden fotoelektrischen Element.
Derartige Geräte sind auf vielen Gebieten im Einsatz und werden meist als Lichtschranke bezeichnet. Sie dienen im allgemeinen dazu, bei Unterbrechung oder Freigabe des Lichtstrahls einen bestimmten Vorgang auszulösen, etwa das öffnen bzw. Schließen einer Türe, die Abgabe eines Alarmsignals, die Betätigung einer Zählvorrichtung und dergleichen. Dabei gibt das fotoelektrische Element dann, wenn es den Lichtstrahl empfängt, ein elektrisches Signal ab, das meist verstärkt wird und dessen Beginn oder Ende zur Steuerung der angeschlossenen Vorrichtung herangezogen wird.
Es gibt jedoch in der Technik auch Vorgänge, bei denen es darum geht, die genaue Position eines Vorsprungs oder einer Kante kontaktlos festzustellen. Handelt es sich bei der zu erkennenden Kante um eine echte Begrenzungskante des Körpers, dann kann zwar eine solche bekannte Lichtschranke zur Kantenerkennung eingesetzt werden, etwa indem die ganze Lichtschranke senkrecht zu dem stillstehenden Kantenkörper bewegt wird, exakte Erkennungen sind jedoch damit nicht möglich, weil die Strahlquerschnitte der Lichtschranken vergleichsweise aroß sind. Handelt es sich um eine dagegen bei der zu erkennenden Kante/im Bereich eines Körpers vor- oder zurückspringende Kante, beispielsweise die Kante eines Risses, eine Abwinkelungskante oder die Stoßkante zweier Körper, dann können die bekannten Lichtschranken zur Kantenerkennung überhaupt nicht eingesetzt werden. In solchen Fällen behilft man sich dann meist mit Kontakt-Erkennungsgeräten, etwa Tastern.
Besonders dann, wenn die zu erkennende Kante sich in einem Bereich hoher Temperatur befindet, etwa bei der Kantenerkennung wenn von Blechen auf Walzenstraßen, oder/an die Kante ein Bearbeitungswerkzeug herangeführt werden soll, erweisen sich die mit Kontakt arbeitenden Erkennungsgeräte als sehr nachteilig.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, auf der Grundlage der eingangs erwähnten optischen Kantenerkennungsgeräte ein kontaktlos auf vergleichsweise große Entfernung arbeitendes Erkennungsgerät zu schaffen, mit dem der Ort und Verlauf beliebiger Kanten äußerst exakt festgestellt werden kann. Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Lichtquelle ein Laserstrahler ist, daß in den Weg des den Strahler verlassenden Laserstrahls eine den Strahl zu einem zu der zu erkennenden Kante parallelen Breitstrahl aufweitende Zylinder-Zerstreuungslinse eingesetzt ist, daß in den Weg des von der zu erkennenden Kante reflektierten Strahls eine Sammellinse eingesetzt ist und daß das fotoelektrische Element in der Brennebene der Sammellinse angeordnet ist.
Durch die Verwendung eines Laserstrahls und einer Zylinder-Zerstreuungslinse ist es möglich, einen scharf begrenzten Breitstrahl zu erzielen, der beispielsweise eine Breite von 10 mm und eine Dicke von nur 0,2 mm aufweist, wobei sich ein solcher Breitstrahl wesentlich besser für eine exakte Kantenerkennung eignet als die üblichen Lichtschrankenstrahlen mit vergleichsweise großem und nicht scharf begrenztem Querschnitt. Weiterhin ist von Bedeutung, daß im Gegensatz zu den meisten Lichtschranken nicht nach dem Durchlaßverfahren sondern nach dem Reflexionsverfahren gearbeitet wird, weil damit auch vor- und rückspringende Kanten innerhalb der Körperoberfläche erkennbar sind. Schließlich ist wesentlich, daß der reflektierte Breitstrahl vor seinem Auftreffen auf das fotoelektrische Element wieder zu einem scharfen und damit energiereichen Punktstrahl umgewandelt wird, weil auf diese Weise das fotoelektrische Element in der Lage ist, eindeutige, von Streulichteinflüssen und dergleichen im wesentlichen unabhängige Schaltimpulse abzugeben.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Auf der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung beispielsweise dargestellt, es zeigen: Fig. 1 skizzenhaft das erfindungsgemäße Kantenerkennungsgerät, und Fig. 2 ebenfalls skizzenhaft die optische Ausstattung des Geräts von Fig. 1.
Gemäß Fig. 1 weist das Gerät ein Gehäuse 10 auf, in welchem in einem Rohr 11 ein Laserstrahl 12 untergebracht ist. Austrittsseitig sitzt auf dem Rohr 11 eine Zerstreuungsoptik 13. Weiterhin befindet sich im Gehäuse 10 ein Rohr 14, in welchem eine Fotozelle 15 untergebracht ist. Eintrittsseitig sitzt auf dem Rohr 14 eine Sammeloptik 16. Mit 17 ist eine Schaltungselektronik bezeichnet, die dazu dient, das Ausgangssignal der Fotozelle 15 zu verstärken und in ein Steuersignal umzuformen, welches dazu geeignet ist, eine nicht dargestellte Vorrichtung, beispielsweise eine Bearbeitungsvorrichtung, zu steuern. Der vom Strahler 12 ausgehende Strahl ist mit A bezeichnet, der von einer zu lackierenden Kante 18a eines Werkstücks 18 reflektierte Strahl mit B.
Aus Fig. 2 ist erkennbar, daß die Zerstreuungsoptik 13 aus einer sphärischen Zerstreuungslinse 13a und einer Zylinderlinse 13b zusammengesetzt ist. Die Sammeloptik 16 ist als mehrlinsiges System dargestellt, dessen Linsen gegeneinander verschiebbar sind, so daß die Brennebene verstellt werden kann.
Das Gerät arbeitet folgendermaßen. Der vom Laserstrahler 12 abgegebene Punktstrahl wird von den Linsen 13a und 13b zu einem Breitstrahl A umgewandelt, wobei das Gerät so eingestellt wird, daß der Breitstrahl parallel zu der zu erkennenden Kante 18a verläuft. Der von der zu erkennenden Kante 18a, die in Figur 2 zur Verdeutlichung flächig dargestellt ist, reflektierte Breitstrahl B wird in der Sammeloptik 16 widertum zu einem Punktstrahl vereinigt, d.h. die Fotozelle 15 wird in die Brennebene der Sammeloptik 16 gebracht, so daß sie einen Punktstrahl empfängt.
In der Praxis wird man als Sammeloptik 16 ein sogenanntes Zoom-Objektiv verwenden, weil es damit auf einfache Weise möglich ist, bei jeder Entfernung zwischen Erkennungsgerät und zu erkennender Kante den Brennpunkt der Optik genau auf die Oberfläche der Fotozelle 15 zu legen. Die Feststellung, ob der Brennpunkt auf der Fotozelle liegt, erfolgt dabei durch visuelle Beobachtung zu welchem Zweck das Rohr 14 eine Beobachtungsöffnung 14a besitzt.
Soll beispielsweise die in Figur 1 gezeichnete, durch aufeinanderliegende Bleche gebildete Kante 18a ermittelt werden, dann wird das Gerät in Richtung der Pfeile senkrecht zur Kante 18a verschoben, bis von der Fotozelle 15 reflektiertes Licht empfangen wird, was dann zur Auslösung des qewünschten Vorgangs führt.
Bei allen anderen Bewegungspositionen des Geräts erreicht der reflektierte Strahl B die Sammeloptik 16 und die Fotozelle 15 nicht, wird vielmehr in eine andere Richtung abgelenkt. Das Gerät nach der gezeichneten Ausführungsform kann beispielsweise für Schweißmaschinen Verwendung finden. Dabei wird das Gerät zusammen mit dem eigentlichen Schweißgerät auf einem Wagen befestigt, wobei der Stellmotor des Wagens durch das Signal der Fotozelle 15 gesteuert.wird. Auf diese Weise erfolgt eine automatische Positionseinstellung des Schweißgeräts, derart, daß die Schweißung exakt an der Kante 18a durchgeführt wird. Dabei ist darauf hinzuweisen, daß dies nur deshalb möglich ist, weil das Erkennungsgerät sich in einem beträchtlichen Abstand von der Schweißkante befindet, also außerhalb des Bereichs von Schweißspritzern.
Bei einer praktischen Ausfüllrung:Yurde als Laserstrahler ein nahe dem infrarotbereich arbeitender Heium-Neon-Laser mit integriertem Spiegel verwendet Als Sammeloptik diente eine aus Teleobjektiv fur Brennpunktverschi ebung und Linsensatz für Fokussierung bestehendes System Das elektrische Ausgangs signal der Fotozelle wurde elektronisch verstärkt und einer S.euereinheit für Signalauswertung und Motorensteuerung zugeführt. Die Rohre 11 und 14 waren in begrenztem Umfang im Gehäuse 10 schwenkbar, so daß der Winkela zwischen Strahl A und Strahl B entsprechend der Entfernung des Werkstücks eingestellt werden kann.
Dabei liegt diese Entfernung zwischen Werkstück und Erkennungsgerät im allgemeinen zwischen 1 Meter und 5 Meter.
Die Erfindung kann zahlreiche, dem jeweiligen Anwendungszweck angepaßte Abänderungen erfahren So kann etwa für die Erkennung gekrümmten Kanten der Querschnitt des Breitstrahls mittels geeigneter Optiken einen gekrümmten Querschnitt oder einen Querschnitt in Form einer langgezogenen Ellipse erhalten. Auch kann es für manche Anwendungsfälle zweckmäßig sein, in den Strahlweg ein optisches Element einzusetzen, welches einerseits den abgehenden Strahl A ungehindert durchläBtv andererseits den zurückkommenden Strahl B umlenkt. Verwendet man dabei als optisches Element ein gleichschenkeliges Rechteckprisma, dann kann das Rohr 14 im Gehäuse 10 senkrecht zum Rohr 11 angeordnet werden, was mit dem Vorteil verbunden ist, daß die Rohr im Gehäuse 10 starr befestigt werden können (die Einstellung des Winkels gemäß Werkstücksentfernung entfällt) Schließlich kann als fotoelektrisches Element auch eine Fotodiode oder ein Fotowiderstand dienen.

Claims

(PATENTANSPRCHE) 12 Optisches Kantenerkennungsgerät mit einem einen Lichtstrahl aus sendenden und einen den Lichtstrahl empfanaenden und dabei ein elektrisches Signal abgebenden fotoelektrischen Element, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Laserstrahler (12) ist, daß in den Weg (A) des den Strahler (12) verlassenden Lichtstrahls eine den Strahl zu einem zu der zu erkennenden Kante (18a) parallelen Breitstrahl aufweitende Zylinder-Zerstreuungslinse (15) eingesetzt ist, daß in den Weg (B) des von der zu erkennenden Kante (18a) reflektierten Strahls eine Sammellinse (16) eingesetzt ist und daß das fotoelektrische Element (15) in der Brennebene der Sammellinse (16) angeordnet ist.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder-Zerstreuungslinse (13) aus der Kombination einer sphärischen Zerstreuungslinse (13a) und einer Zylinderlinse (13b) besteht.
3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Breitstrahl eine Breite von etwa 10 mm und eine Dicke von etwa 0,2 mm aufweist.
4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinse (16) ein optisches System mit einstellbarer Brennweite (Zoom-Objektiv) ist.
5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das fotoelektrische Element (15) eine Fotozelle ist.
6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahler (12) in einem Rohr (11) mit aufgesetzter Zerstreuungsoptik (13) und das fotoelektrische Element (15) in einem Rohr (14) mit aufgesetzter Sammeloptik (16) untergebracht ist und daß beide Rohre (11, 14) in einem gemeinsamen Gehäuse (10) angeordnet sind.
7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der beiden Rohre (11, 14) neigungsverstellbar im Gehäuse (10) angeordnet ist.
8. Gerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem das Fotoelement (15) beinhaltenden Rohr (15) eine Öffnung (14a) zur Beobachtung des Fotoelements (15) vorgesehen rist.
9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches Element, vorzugsweise Prisma- oder ist Lochspiegel, so in den Strahlweg eingesetzt!, daß es denlStrahler (11) ausgesendeten Lichtstrahl (A) ungehindert durchläßt, den reflektierten Strahl (B) dagegen umlenkt.