DE10026357A1 - Optoelektronische Vorrichtung - Google Patents
Optoelektronische VorrichtungInfo
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Abstract
Optoelektronische Vorrichtung zur Erfassung von Struktur- und Geometriedaten einer Objektoberfläche und Mitteln zur optischen Anzeige der ermittelten Daten, bestehend aus einem Lichtsender (2), einer Sendeoptik (4), einem Empfänger (12), einer Empfangsoptik (11), einer Ablenkeinheit (5), einer Auswerte- und Treiberschaltung (13) und einem Mikroprozessor (14), dadurch gekennzeichnet, daß der Sendelichtstrahl (3) durch die Ablenkeinheit (5) periodisch abgelenkt wird, wobei während einer Ablenkperiode mehrere Kontrast- und/oder Distanzmeßwerte zur Ermittlung der Struktur- und Geometriedaten ermittelt werden und daß in Abhängigkeit der Struktur- und Geometriedaten der Sendelichtfleck (16) des Sendelichtstrahles (3) partiell ausblendbar ist, wobei die sichtbaren Segmente des Sendelichtfleckes (16) auf der Objektoberfläche die Mittel zur optischen Anzeige bilden.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von Kontrast- und/oder
Distanzinformationen einer Werkstückoberfläche, wobei der sichtbare
Sendelichtfleck zur Erfassung und zur Anzeige von Meßwerten auf der
angetasteten Objektoberfläche dient.
Vor dem Bearbeiten eines Werkstückes muß dieses in der Regel zu einem
Werkzeug oder einer Referenzfläche ausgerichtet werden. Dazu ist eine Vielfalt
von taktilen Meßmitteln bekannt.
Nachteilig bei taktilen Meßmitteln ist, daß die Werkstückoberfläche zum
Anlegen des Meßmittels geeignet sein muß.
Außerdem muß das Meßmittel gehalten, der Meßwert abgelesen und das
Meßmittel danach wieder vom Werkstück entfernt werden. Dabei besteht die
Gefahr, daß das Werkstück verrutscht. Außerdem ist während der
Werkstückbearbeitung keine ständige Kontrolle möglich.
Berührungslose Meßsysteme können auch während der Bearbeitung Meßwerte
erfassen.
Es ist eine Vorrichtung nach Gebrauchsmuster 9309094 bekannt, bei dem
Sende- und Empfangslichtstrahlen durch ein rotierendes Prisma kegelförmig
abgelenkt werden und die Distanz durch zwei koaxial angeordnete
Empfangselemente ermittelt wird.
Der Nachteil dieser Vorrichtung ist, daß die Distanzmessung nur in einem
kleinen Distanzbereich erfolgen kann, daß zur Ablenkeinheit eine zusätzliche
Empfangsoptik erforderlich ist und für die Meßwertanzeige ein separates
Anzeigeelement, das gleichzeitig nur einen Meßwert digital anzeigt, benötigt
wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, über einen
optoelektronischen Distanzsensor Geometriedaten eines Werkstückes zu
erfassen und möglichst mehrere Meßwerte als Analogwert auf dem Werkstück
anzuzeigen. Dabei soll die symbolische Darstellung so gestaltet sein, daß ein
direkter Zusammenhang zu den anzuzeigenden Werkstückdaten erkennbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.
Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß wird die Vorrichtung durch einen Lichtsender, eine
Sendeoptik, einen Empfänger, eine Empfangsoptik, eine Ablenkeinheit, eine
Auswerte- und Treiberschaltung und einen Mikroprozessor gebildet.
Der kegelförmig abgelenkte Sendelichtstrahl trifft auf das Werkstück, wo er
reflektiert und als Empfangslichtstrahl durch die gleiche Ablenkeinheit zum
Empfänger gelangt. In einer Auswerteschaltung wird ein Distanz- oder
Kontrastmeßwert generiert, aus dem ein nachgeschalteter Mikroprozessor mit
Hilfe der von einem Winkelgeber stammenden Scanwinkelposition
Geometriedaten der Werkstückoberfläche berechnet.
Gleichzeitig wird der, auf dem Werkstück, durch den Sendelichtstrahl erzeugte
sichtbare Leuchtring zur symbolischen Darstellung der ermittelten
Geometriedaten genutzt.
Zur Anpassung an die Meßaufgabe können über einen Taster oder eine
Schnittstelle verschiedene Betriebsmodi eingestellt, bzw. ein Teachbefehl
ausgelöst werden.
Der Einsatz der Vorrichtung wird an Hand der drei Ausführungsbeispiele,
Handbohrmaschinenaufsatz, Handmeßgerät und Barcodehandscanner, erläutert.
Im Gegensatz zu bisherigen Distanzsensoren wird mit dem gleichen
Sendelichtstrahl gemessen und das Meßergebnis symbolisch angezeigt. Diese
Doppelfunktion bedeutet nicht nur eine Einsparung bei den Herstellkosten,
sondern bietet eine analoge Anzeige auf dem Werkstück, das durch den
Bearbeiter zwangsläufig beobachtet werden muß, so daß seine Aufmerksamkeit
nicht durch eine zusätzliche Anzeige abgelenkt wird. Der bisher sequentielle
Vorgang: messen, ablesen, korrigieren, wird durch den direkten
Korrekturvorgang parallel zur Bearbeitung ersetzt. Dabei ist die analoge
Anzeige für Regelvorgänge, die durch den Bearbeiter ausgeführt werden,
besonders wichtig.
Außerdem sind gleichzeitig mehrere Informationen symbolisch darstellbar, die
es dem Bearbeiter erlauben auch komplexe Korrekturen schnell durchzuführen.
Die Grundfunktion der Distanzmessung ist durch verschiedene Meßprinzipien
realisierbar.
Im einfachsten Fall wird die Empfangsamplitude, die bei einer diffus
reflektierenden Werkstückoberfläche mit dem Quadrat des Abstandes abnimmt,
zur Distanzbestimmung verwendet. Dazu ist als Sender nur eine Leuchtdiode
erforderlich, die zur Unterscheidung von Gleichlicht gepulst wird.
Eine genauere, vom Reflexionsgrad unabhängigere, Distanzmessung ist mit
einer Anordnung möglich, bei der alle optischen Komponenten koaxial
angeordnet sind. Dabei wird der Empfänger aus einem Fernelement, das
konzentrisch von einem Nahelement umschlossen wird, gebildet. Die
Distanzinformation ergibt sich aus dem Verhältnis von Nah- und
Fernsignalpegel.
Für größere Distanzen eignet sich das Lichtlaufzeitmeßprinzip, vorzugsweise
die Phasenmesstechnik, bei der der Distanzmeßwert aus der
Phasenverschiebung zwischen Empfangssignal und dem Sendesignal ermittelt
wird. Vorzugsweise wird der Sender durch einen Laser gebildet und durch ein
Rechtecksignal moduliert.
Die Ablenkeinheit hat die Aufgabe, Sendelichtstrahlen kegelförmig abzulenken
und die Empfangslichtstrahlen in umgekehrter Richtung so umzulenken, daß
sie auf ein Empfangselement fokusierbar werden.
Mit einer Sammellinse, vorzugsweise einer Fresnellinse, die um eine, zur
optischen Linsenachse parallel versetzten Achse gedreht wird, ist diese
Anforderung erfüllt. Die Linse wird in seitlichen Rollen geführt, wobei eine der
Rollen motorisch angetrieben wird.
Am umlaufenden Rand der Fresnellinse ist eine Winkelkodierung aufgebracht,
die über einen Winkelgeber ausgelesen wird. Im einfachsten Fall besteht diese
Kodierung aus einer schmalen Markierung, die einen Impuls pro Umdrehung
liefert.
Mit einem Microscanspiegelarray, bestehend aus vielen Einzelspiegeln auf
einem Halbleiterchip, die elektrostatisch oder magnetisch angesteuert werden,
werden Sende- und Empfangslichtstrahlen umgelenkt und entsprechend der
angelegten Steuerspannung kegelförmig abgelenkt. Für die Ablenkung sind
Wechselsignale mit einem Phasenversatz von 90° und Wirkungsrichtungen die
ebenfalls 90° zueinander stehen, erforderlich. Zur optimalen Ausnutzung der
Spiegelfläche ist diese vorzugsweise 45° zur Sendeachse geneigt.
Eine andere Möglichkeit der kegelförmigen Strahlablenkung bietet ein elastisch
aufgehängter Spiegel, der durch mindestens drei, um 120° phasenversetzte
Spannungen angesteuerte, Aktoren zu einer Taumelbewegung angeregt wird.
Aus den, als Funktion des Scanwinkels, ermittelten Distanz- oder
Kontrastmeßwerten berechnet ein Mikroprozessor die Winkelabweichung der
Flächennormalen des Werkstückes zur Scanachse, was im folgenden als
Neigungswinkel NW bezeichnet wird. Steht die Werkstückfläche senkrecht zur
Scanachse ist der Meßwert über dem Scanwinkel konstant. Bei einer geneigten,
ebenen Fläche ergibt sich ein sinusförmiger Verlauf, wobei der Wechselanteil
ein Maß für den Neigungswinkel NW ist.
Aus der Phasenlage dieses Meßwerteverlaufes wird der Schwenkwinkel SW
abgeleitet, der dem Scanwinkel bei kleinstem Meßwert entspricht. Die zur
Gerätegrundfläche senkrecht verlaufende x-Richtung wird im folgenden als
Scanwinkel als Wert null definiert.
Innerhalb des Distanzmeßbereiches kann durch Betätigen einer Taste, z. B.
durch Doppelklicken, ein Teachvorgang ausgelöst werden. Dabei wird die
aktuelle Distanz zum Werkstück gemessen und als referenzwert in einem nicht
flüchtigen Speicher gesichert. Die folgenden Meßwerte werden mit dem
Referenzwert verglichen und die Abweichung angezeigt. Alternativ kann über
einen Eingang ein Teachbefehl ausgelöst werden.
Über die gleiche Taste kann durch einfaches Klicken in den nächst folgenden
Betriebsmodus geschaltet werden, der die Auswertealgorithmen und die Art der
Anzeige bestimmt. Alternativ können über den Eingang seriellen Daten
eingegeben und damit ein gewünschter Betriebsmodus eingestellt werden. Je
nach Betriebsmodus werden über einen Ausgang analoge Meßwerte, oder ein,
mit Hilfe eines Schwellwertes generiertes, binäres Schaltsignal ausgegeben.
Zur Darstellung des berechneten Distanzunterschiedes wird der, durch den
Sendelichtfleck hervorgerufene Leuchtring im Bereich der x-Richtung
unterbrochen. Ist die aktuelle Distanz größer als der Referenzwert, wird der
Leuchtring symmetrisch zur x-Richtung zweimal unterbrochen, so daß ein
Bogenstück mit der Länge d2 entsteht. Die Länge dieses Bogenstückes stellt
die Distanzabweichung dar. Verringert sich die Distanzabweichung auf null,
verkürzt sich die Bogenlänge d2 auf einen Punkt. Bei negativen
Distanzabweichungen verschwindet das Bogenstück ganz und es bleibt eine
Leuchtringunterbrechung symmetrisch zur x-Richtung, wobei die Bogenlänge
d1 dieser Unterbrechung ein Maß für die negative Distanzabweichung darstellt.
Die Flächenneigung wird durch Leuchtringpunkte dargestellt, wobei die
Anzahl der gezeigten Leuchtringpunkte ein Maß für den Neigungswinkel NW
ist. Der Schwenkwinkel SW, der die Winkellage der Flächenneigung zur x-
Achse ausdrückt, wird durch die Lage der Leuchtringpunkte dargestellt. Um
eine gleichzeitige Anzeige von Distanzunterschied und Flächenneigung zu
ermöglichen, werden die Leuchtringpunkte blinkend dargestellt.
Beim Bohren mit einer Handbohrmaschine ergibt sich oft das Problem, daß der
Bohrer senkrecht auf dem Werkstück stehen sollte, der Bearbeiter die
Flächenneigung aber nur ungenügend beurteilen kann, da er in Richtung der
Bohrachse auf das Werkstück blickt.
Ein weiteres Problem tritt beim Bohren von Werkstücken auf, bei denen das
Bohrloch eine bestimmte Tiefe aufweisen soll und kein mechanischer Anschlag
verwendet werden kann.
Beim Durchbohren eines Werkstückes muß verhindert werden, daß das
Werkstück ausreißt. Dazu müßte die noch zu bohrende Restdicke angezeigt
werden.
Für diese Anwendung ist vorgesehen, die erfindungsgemäße Vorrichtung auf
der Handbohrmaschine parallel zur Bohrachse so anzubringen, daß der
Leuchtring über dem Bohrer auf das Werkstück fällt.
Zum Teachen der Werkstückdistanz s1 wird der Bohrer auf der
Werkstückoberfläche aufgesetzt und durch Anklicken der seitlich an der
Bohrmaschine angebrachten Taste der Teachvorgang ausgelöst.
Die Werkstückdicke, bzw. Bohrlochtiefe s2, wird eingeteacht, indem der
Bohrer am Werkstück, bzw. einer Platte mit der dem Bohrloch entsprechenden
Dicke, vorbei auf einer Auflagefläche aufgesetzt wird, so daß der Leuchtring
auf das Werkstück fällt. Durch Doppelklicken der seitlichen Taste wird der, um
die Werkstückdicke verringerte Abstand (s1-s2) gespeichert. Die Anzeige
liefert dann einen Bogen mit der minimalen Bogenlänge d2.
Der Teachvorgang muß nur nach dem Bohrerwechsel oder bei einem
Werkstück mit anderer Dicke wiederholt werden.
Der Bohrvorgang beginnt mit dem Ausrichten der Bohrerachse zum
Werkstück, wobei die Lage so lange korrigiert wird, bis alle Leuchtringpunkte
verschwunden sind.
Beim Eindringen des Bohrers verringert sich die angezeigte Bogenlänge d2 und
erreicht die minimale Bogenlänge, wenn die eingeteachte Bohrlochtiefe
erreicht wird.
Nach dem Durchbohren wird eine Lücke mit der Bogenlänge d1 angezeigt, was
der Strecke s4 entspricht, um die der Bohrer aus dem Werkstück herausragt.
Zum Fügen von Werkstücken, ist ein Handmeßgerät mit eigener
Batterieversorgung vorgesehen. Entsprechend dem Aufsatz für die
Handbohrmaschine, kann auch bei diesem Ausführungsbeispiel im
Betriebsmodus "Lage" die Distanz durch Doppelklicken geteacht werden.
Distanzunterschied und Lage werden dann in gleicher Weise angezeigt. Durch
Einfachklicken einer am Handmeßgerät angebrachten Taste oder über die
serielle Schnittstelle übertragene Daten kann in einen anderen Betriebsmodus
umgeschaltet werden.
Der Betriebsmodus "Höhenversatz" bietet die Möglichkeit, den lateralen
Versatz des Werkstückes zu einer Auflagefläche oder einem daneben liegenden
zweiten Werkstück zu kontrollieren. Alternativ kann auch die Spalttiefe oder
Höhe einer länglichen Erhebung gemessen werden. Dieser Betriebsmodus ist
zur Korrektur bei einem Fügeprozess oder zur Kontrolle auf Einhaltung von
Grenzwerten einsetzbar.
Im Betriebsmodus "Kantenversatz" wird der seitliche Versatz einer Kontur-
oder Kontrastkante, bezogen auf den Mittelpunkt des Leuchtringes, gemessen.
Damit die zur Anzeige erforderlichen Lücken im Leuchtring nicht bei der
Messung stören, wird gegebenenfalls jeder fünfte bis zehnte Scan mit
durchgezogenem Leuchtring ausgeführt. Dieser Betriebsmodus dient zur
Positionierung eines Werkstückes oder zur Kontrolle des Randposition eines
quer bewegten Bandes, wie z. B. einer Papierbahn.
Im Betriebsmodus "Kantenwinkel" wird die Winkelabweichung der
Werkstückkante, bezogen auf die zur x-Achse senkrecht stehende Richtung,
gemessen und wie bei den vorhergehenden Betriebsmodi angezeigt.
Im Betriebsmodus "Spurverfolgung" wird der zur x-Richtung gemessene
Winkel einer Kante, eines Kontraststreifens, eines Spaltes, oder einer
länglichen Erhebung, symbolisch dadurch dargestellt, indem nur die
unmittelbaren Bereiche um den Scanwinkel w4 und w5, bei dem die Kante,
bzw. der Streifen detektiert wurde, angezeigt werden. Dadurch werden zwei
Ausschnitte des Streifens vergrößert gezeigt, was als Kontrolle für die richtige
Detektion des Streifens verwendet werden kann. Die, über die serielle
Schnittstelle, ausgegebenen Daten beinhalten die Winkel w4 und w5, mit
denen eine Positioniervorrichtung, wie z. B. eine Koordinatensteuereinheit, ein
Werkzeug dem detektierten Streifen nachführen kann. Eine andere Anwendung
ist die Verfolgung einer auf dem Boden aufgebrachten Kontrastlinie durch ein
frei fahrendes Transportsystem. Die Positionsregeleigenschaften sind dabei
gegenüber einer 1D-Scanneinrichtung, die nur die seitliche Abweichung
ermitteln kann, erheblich verbessert.
Im Betriebsmodus "Spaltbreite" wird die mittlere Breite eines
Kontraststreifens, eines Spaltes, oder einer länglichen Erhebung, wie sie z. B.
beim Fügen von zwei Werkstücken entstehen kann, gemessen. Die angezeigte
Abweichung kann sich dabei auf einen eingeteachten Wert beziehen.
Im Betriebsmodus "Parallele" wird die Spaltbreitendifferenz der beiden, durch
den Leuchtring erfaßten Spaltbreiten berechnet und daraus die Abweichung
zur Parallelität berechnet. Diese Betriebsart ist besonders zum parallelen Fügen
von Platten vorteilhaft.
Bei einer gewölbten Fläche entsteht im Gegensatz zu einer schrägen, ebenen
Fläche nicht nur ein sinusförmiger Verlauf des Meßwertes mit einer Periode
pro Scan, sondern auch Anteile mit zwei Perioden pro Scan. Diese Anteile
werden im Betriebsmodus "Wölbung" herausgefiltert und daraus Richtung und
Wölbungsgrad berechnet. Die ausgegebenen Daten können zur Nachführung
eines Lackier-, Klebe- oder Schweißroboters dienen.
Oft soll nicht nur die Flächenlage des Werkstückes auf eine, als Referenzfläche
dienende, Auflagefläche bezogen werden, sondern auf die Horizontale. Dazu
sind optional zwei, im Gerät integrierte, Beschleunigungssensoren vorgesehen,
die aufeinander senkrecht stehende Wirkungsachsen haben und bei einer
Abweichung zur Horizontalen durch die Erdbeschleunigung ausgelenkt werden
und proportionale Meßwerte liefern. Diese Option kann den Einsatz einer
Wasserwaage ersetzen.
Außerhalb der Arbeitszeit sollten die Akkus des Handmeßgerätes in einer
Ladestation aufgeladen werden. Dazu bietet sich an, die Ladestation im
Wohnbereich so aufzustellen, daß das eingelegte Handmeßgerät auf eine
gegenüberliegende Wand zeigt. Durch Einstecken in der Ladestation wird
automatisch in den Betriebsmodus "Standby" umgeschaltet, wobei die
Leuchringpunkte die aktuelle Uhrzeit anzeigen, indem der Stundenzeiger durch
drei zusammenhängende Leuchringpunkte, der Minuten- und Sekundenzeiger
durch einen Leuchringpunkt gebildet werden. Alternativ kann im
Betriebsmodus "Sonne" der aktuelle Sonnenstand mit Hilfe eines
Leuchringpunktes auf einem 24-Stundenkreis angezeigt werden.
Zur Kennzeichnung von Waren ist es gebrächlich einen Barcode auf der
Verpackung aufzubringen, der mit Hilfe eines Scanners gelesen werden kann.
Es sind Barcodehandscanner bekannt, die eingelesene Daten an einen Rechner
weiterleiten oder auf einem Anzeigeelement, z. B. einem LCD-Display,
anzeigen.
Der Nachteil dieser Barcodehandscanner besteht darin, daß eine separate
Anzeige vorhanden sein muß, die je nach Raumbeleuchtung eine zusätzliche
Displaybeleuchtung benötigt. Außerdem muß die Blickrichtung vom Barcode,
auf den der Scanner ausgerichtet werden muß, zum Display wechseln. Bei
nicht erfolgreicher Dekodierung muß dieser Vorgang mehrfach wiederholt
werden.
In der Regel besitzen Barcodehandscanner nur eine Ablenkrichtung, sodaß das
Gerät entsprechend der Lage des Barcodes um bis zu 90° gedreht werden muß.
Die erfindungsgemäße Lösung des dritten Ausführungsbeispiels der
Vorrichtung (1) arbeitet mit einem Microscanspiegel, wie er in der
Veröffentlichung "Elektronik 24/1999" vorgestellt wurde. Der Sendelichtstrahl
wird mit Hilfe von zwei Ansteuerspannungen in zwei um 90° gedrehten
Richtungen auslenkt. Bei einem Frequenzverhältnis von ca. 1,1 : 1 ergibt sich
ein Scanmuster, das eine Lissajoufigur darstellt und einen rechteckförmigen
Bereich mehrfach abtastet. Bei Ablenkfrequenzen von ca. 0,3 bis 10 kHz
wiederholt sich dieses Scanmuster mindestens 30 mal pro Sekunde, sodaß der
Betrachter nur ein stehendes Bild wahrnimmt.
Wird das Scanmuster auf einen Barcode gerichtet, wird das Empfangssignal
durch den Kontrastwechsel des Barcodes in mehreren Scanabschnitten
moduliert. Da die Abtastlinien des Sendelichtstrahls im mittleren Bereich des
Scanmusters vorwiegend diagonal verlaufen, entstehen je nach Winkellage des
Barcodes in einem Scanabschnitt mehr Empfangssignalpulse als in dem dazu
senkrechtstehenden. Daraus kann die Winkellage des Barcodes ermittelt und
ein Pfeilsymbol ausgegeben werden, in welcher Richtung der
Barcodehandscanner zu drehen ist. Ebenso kann die grobe Position des
Barcodes innerhalb des Scanmusters ermittelt und ein Pfeilsymbol ausgegeben
werden, in welcher Richtung der Barcodehandscanner zu verschieben ist.
Wurde der Barcode erfolgreich dekodiert, wird der, durch eine Taste
eingestellte, Wert als alphanumerische Zeichenkette dargestellt, indem der
Prozessor den Sendelichtstrahl partiell austastet.
Die Daten werden solange angezeigt, wie die Taste gedrückt bleibt. Bei
erneutem Drücken wiederholt sich der Vorgang der Barcodeerkennung, mit
Positionsbestimmung, Dekodierung und Anzeige.
Durch Doppelklicken kann zu einem anderen anzuzeigenden Dateninhalt
weitergeschaltet werden.
Der Vorteil gegenüber bekannten Barcodehandscannern ist die direkte,
selbstleuchtende und große Anzeige auf dem angetasteten Objekt.
Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1a, 1b Vorrichtung (1) mit einem ersten Ausführungsbeispiel der
Ablenkeinheit (5)
Fig. 2a Vorrichtung (1) mit einem zweiten Ausführungsbeispiel der
Ablenkeinheit (5)
Fig. 2b, 2c Drittes Ausführungsbeispiel der Ablenkeinheit (5)
Fig. 3 Blockschaltbild der Vorrichtung (1)
Fig. 4a Geometrie des auf dem Objekt abgebildeten Leuchtringes
(17)
Fig. 4b Definition des anzuzeigenden Schwenk- und Neigewinkels
Erstes Anwendungsbeispiel der Vorrichtung (1) als Bohrmaschinenaufsatz
Fig. 5 Teachvorgang der Werkstückdistanz s1
Fig. 6 Teachvorgang der Werkstückdicke s2
Fig. 7a, 7b Ausrichtvorgang mit Hilfe der Neigungsanzeige
Fig. 8a-c Bohrvorgang mit Kontrolle der Bohrtiefe
Zweites Anwendungsbeispiel der Vorrichtung (1) als Handmeßgerät
Fig. 9a-d Lage- und Distanzmessung
Fig. 10a, 10b Anordnung und Meßwertdiagramm bei der Kantenmessung
Fig. 11a, 11b Anordnung und Anzeigefiguren im Betriebsmodus
"Höhenstufe"
Fig. 12 Anzeigefiguren im Betriebsmodus "Kantenversatz"
Fig. 13 Anzeigefiguren im Betriebsmodus "Kantenwinkel"
Fig. 14a-c Anordnung mit Meßwertdiagramm und Anzeigefigur im
Betriebsmodus "Spurverfolgung"
Fig. 15a Anzeigefiguren im Betriebsmodus Spaltbreite"
Fig. 15b Anzeigefiguren im Betriebsmodus "Parallele"
Fig. 16a-c Anordnung mit Meßwertdiagramm und Anzeigefiguren im
Betriebsmodus "Wölbung"
Fig. 17 Anzeigefigur der Uhrzeit im Betriebsmodus "Standby"
Fig. 18 Anzeigefigur des Sonnenstandes im Betriebsmodus
"Standby"
Drittes Anwendungsbeispiel der Vorrichtung (1) als Barcodehandscanner
Fig. 19a Anordnung und Strahlengang der Vorrichtung (1) als
Barcodehandscanner
Fig. 19b Prinzipaufbau des Microscanspiegels (40)
Fig. 20a-d Vorgang der Barcodeantastung und Anzeige der Symbole
und Daten
Fig. 1 zeigt den Aufbau der Vorrichtung (1) mit einem ersten
Ausführungsbeispiels der Ablenkeinheit (5). Die Sendelichtstrahlen (3) des
Senders (2) gelangen über die Sendeoptik (4) und die Fresnellinse (6), die
zusammen mit dem Motor (20), dem Reibrad (21) und dem Winkelgeber (15)
die Ablenkeinheit (5) bildet, über das Austrittsfenster (8) zum Objekt (9). Die
reflektierten Empfangslichtstrahlen (10) werden über die Fresnellinse (6) auf
den Empfänger (12) fokusiert. Die Sende- und Empfangslichtstrahlen (3', 10')
stellen die Verhältnisse bei um 180° gedrehter Fresnellinse (6) dar. Die
Ablenkeinheit (5) mit Sender (2) und Empfänger (12) sind in einem
gemeinsamen Gehäuse (22) untergebracht.
In Fig. 1b ist die Ablenkeinheit (5) in der Draufsicht dargestellt. Die
Fresnellinse (6) ist als Asphäre ausgebildet, deren optische Achse gegenüber
der Drehachse um den Betrag ds versetzt ist. Dadurch werden
Sendelichtstrahlen (3) und Empfangslichtstrahlen (10) um den gleichen Winkel
abgelenkt. Durch Drehen der Fresnellinse (6) wandert der Sendelichtfleck (16)
auf der Oberfläche (9) auf einer eliptischen Bahn und bildet den im folgenden
als Leuchtring (17) bezeichneten sichtbaren Ring.
Die Rollen (19) halten die Fresnellinse (6), wobei eine der drei Rollen als
Reibrad (21) ausgebildet ist und durch den Motor (20) angetrieben wird.
Auf dem umlaufenden Rand der Fresnellinse (6) ist eine Kodierung
aufgebracht, die durch den Winkelgeber (15) abgetastet wird.
Fig. 2a zeigt die Vorrichtung (1) mit einem zweiten Ausführungsbeispiel der
Ablenkeinheit (5), die durch ein Microscanspiegelarray (7) gebildet wird.
Mehrere nebeneinanderliegende Mikrospiegel werden elektrostatisch oder
elektromagnetisch in zwei zueinander senkrecht stehenden Richtungen
abgelenkt. Die Ansteuerung erfolgt durch sinus- oder rechteckförmige
Spannungen, die zueinander in der Phase um 90° versetzt sind, so daß der
Sende- und Empfangslichtstrahl (3, 10) kegelförmig abgelenkt werden, was
durch die Sende- und Empfangslichtstrahlen (3', 10') angedeutet ist. Das
Microscanspiegelarray (7) ist zur Senderachse um 20° bis 60°, vorzugsweise
45° geneigt, so daß der Sendelichtstrahl (3) über das Austrittsfenster (8) zum
Objekt (9) gelangen kann. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1
sind die Sendelinse (4) und die Empfangslinse (11) ortsfest angeordnet. Das
Microscanspiegelarray (7) ist mit dem Sender (2), dem Empfänger (12) und der
Sende- Empfangsoptik (4, 11) im gemeinsamen Gehäuse (22) untergebracht.
Fig. 2b zeigt die Vorrichtung (1) mit einem dritten Ausführungsbeispiel der
Ablenkeinheit (5), die durch eine Taumeleinheit (25) gebildet wird, die, wie
das Microscanspiegelarray (7) in Fig. 2a angeordnet ist. Mindestens drei
Aktoren (26), die durch Tauchspulen oder Piezzoschwinger gebildet werden,
verändern lokal den Abstand zwischen der Grundplatte (28) und dem Spiegel
(27). Ein Dorn (29) hält den mittleren Abstand konstant und Federn, die
vorzugsweise durch eine hochelastische Platte zwischen Grundplatte (28) und
Spiegel (27) gebildet werden sorgen für eine stabile Lage. Durch die
Ansteuerung der Aktoren (26) mit 120° phasenversetzten Spannungen führt der
Spiegel (27) eine Taumelbewegung aus und lenkt den Sende- und
Empfangslichtstrahl (3,10) kegelförmig ab.
Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild der Vorrichtung (1) entsprechend Fig. 1 mit
dem Sender (2), dessen Sendelichtstrahlen (3) über die Fresnellinse (6) zum
Objekt (9) und als Empfangslichtstrahlen (10) zurück zum Empfänger (12)
gelangen. Das elektrische Signal des Empfängers (12), der durch eine
Fotodiode gebildet wird, wird in der Auswerte- und Treiberschaltung (13)
verstärkt und bezüglich Amplitude und gegebenenfalls Distanz ausgewertet
und der ermittelte Meßwert MW an den Mikroprozessor (14) weitergegeben.
Die Auswerte- und Treiberschaltung (13) übernimmt auch die Ansteuerung des
Senders (2), wobei der Mikroprozessor (14) das Steuersignal "Se_aus" für das
partielle Ausblenden des Senders (2) zur symbolischen Darstellung der
Geometriedaten liefert. Der Mikroprozessor (14) steuert den Motor (20) an und
hält die Scandrehzahl der Fresnellinse (6) konstant. Der Winkelgeber (15)
liefert ein oder mehrere Impulse pro Umdrehung, woraus der Mikroprozessor
(14) den aktuellen Scanwinkel Wi berechnet. Aus dem Meßwert MW und dem
Scanwinkel Wi berechnet der Mikroprozessor (14) die Geometriedaten der
Oberfläche des Objektes (9), die auch über die serielle Schnittstelle (23) oder
als Analogsignal über den Ausgang (24) ausgegeben werden können. Die
serielle Schnittstelle (23) kann auch zur Parametrierung von Referenzwerten,
zur Einstellung verschiedener Betriebsmodi, bzw. zum Auslösen von
Teachbefehlen genutzt werden. Im einfachsten Fall wird der Sender (2) durch
eine rot leuchtende Diode gebildet, und aus der Amplitude des Empfängers
(12), die bei diffus reflektierender, homogener Objektoberfläche quadratisch
mit dem Abstand abnimmt, der Distanzmeßwert MW ermittelt.
Ein, von der Objektoberfläche weitgehend unabhängiger Distanzmeßwert wird
gewonnen, indem der Lichtsender (2), die Sendeoptik (4), die Empfangsoptik
(11) und ein Fernelement, das konzentrisch von einem Nahelement
umschlossen ist, gebildet wird und die Distanzinformation aus dem Verhältnis
von Nah- und Fernsignalpegel abgeleitet wird.
Wird die Distanz nach dem Lichtlaufzeitmeßprinzip, vorzugsweise der
Phasenmessung ermittelt, wird der Sender (2) durch einen Laser gebildet.
Fig. 4a zeigt den Leuchtring (17), der durch den auf einer Ellipse wandernden
Sendelichtfleck (16) entsteht und durch die hohe Scandrehzahl (< 25 U/s) als
stehender Ring wahrgenommen wird. Zur Darstellung der ermittelten
Geometriedaten wird der Sender (2) bei bestimmten Scanwinkeln
ausgeblendet. In Bezug auf die Grundfläche des Gehäuses (22) wird die x-
Achse mit dem Scanwinkel 0° festgelegt. Durch zwei, zur x-Achse
symmetrische Unterbrechungen des Leuchtringes (17) entsteht eine leuchtende
Linie mit der Bogenlänge d2, die ein Maß für die Objektdistanz s1 in y-
Richtung darstellt. Eine geringe Bogenlänge d2, stellt eine geringe
Objektdistanz s1 dar. Die minimale Bogenlänge d2 wird angezeigt, wenn
gerade die eingestellte, oder geteachte Referenzdistanz s1 = s_ref erreicht wird.
Kürzere Objektdistanzen s1 sind auf s_ref bezogen negative
Distanzunterschiede und werden als eine einzige Unterbrechung mit der
Bogenlänge d1 dargestellt, die dem Betrag von s1 entspricht.
Die Flächenneigung wird durch Leuchtringpunkte (18) dargestellt, wobei die
Anzahl der Punkte ein Maß für den Neigungswinkel NW darstellt. Beim
Neigungswinkel NW = 0° ist auch die Anzahl der Leuchtringpunkte (18) null.
Die Richtung der Flächenneigung bezogen auf die x-Richtung wird durch den
Schwenkwinkel SW beschrieben und durch die Lage der Leuchtringpunkte
(18) dargestellt.
In Fig. 4b ist gezeigt, wie die verwendeten Winkel NW und SW bezogen zur
x_ und y-Achse definiert sind.
Fig. 5 zeigt die Vorrichtung (1) in einem ersten Anwendungsbeispiel, wobei
die Vorrichtung (1) auf einer Handbohrmaschine parallel zur Bohrachse
montiert ist und der Leuchtring (17) auf einer Fläche oberhalb des Bohrers (31)
abgebildet wird. Nach dem Einspannen eines Bohrers (31) wird die
Maximaldistanz s1 = s_max von der Vorrichtung (1) bis zur Bohrerspitze
geteacht, indem der Bohrer (31) senkrecht auf einer Auflagefläche (34)
aufgesetzt und durch Doppelklicken der Taste (32) ein Teachvorgang ausgelöst
wird. Die Maximaldistanz s_max wird gespeichert und als Linie mit der
Bogenlänge d2 = d_max angezeigt.
Fig. 6 zeigt die Anordnung von Fig. 5, wobei der Bohrer (31) am zu bohrenden
Werkstück (33) vorbei auf einer Auflagefläche (34) so aufgesetzt wird, daß der
Leuchtring (17) auf das Werkstück (33) fällt. Durch Einfachklicken der Taste
(32) wird der Teachvorgang ausgelöst und die ermittelte Nulldistanz s3
gespeichert. Die Bogenlänge d2 wird dabei als Punkt beim Scanwinkel 0°
angezeigt. Damit ist die Dicke des Werkstückes (33) mit s2 = s1 - s3 bekannt.
Die Fig. 7 und 8 zeigen den Vorgang beim Bohren und die entsprechende
Anzeige durch den Leuchtring (17).
Beim Ansetzen der Bohrmaschine (30) steht der Bohrer (31) in der Regel noch
nicht senkrecht auf dem Werkstück (33) und der Neigungswinkel NW und der
Schwenkwinkel SW werden durch Leuchtringpunkte (18) dargestellt.
An Hand der Anzeige kann die Neigung korrigiert werden, was in Fig. 7b
dargestellt ist.
Wenn der Bohrer (31), wie in Fig. 8a senkrecht auf dem Werkstück (33) steht,
kann der Bohrvorgang beginnen.
Fig. 8b zeigt den Moment, wo der Bohrer (31) schon weit in das Werkstück
(33) eingedrungen ist. Die kurze Bogenlänge d2 symbolisiert die geringe
Restdicke s4, so daß jetzt der Bohrdruck verringert werden sollte um ein
Ausreißen des Bohrlochrandes zu verhindern.
In Fig. 8c ist die Anzeige der Linie um die x-Achse verschwunden, was besagt,
daß das Werkstück (33) durchgebohrt ist. Die Bogenlänge d1 zeigt an, daß der
Bohrer (31) um die Strecke s5 auf der Gegenseite des Werkstückes (33)
herausragt.
Fig. 9 bis Fig. 18 zeigen die Vorrichtung (1) als Handmeßgerät in
verschiedenen Anwendungen und Betriebsmodi.
Fig. 9a zeigt die Vorrichtung (1) auf einer Auflagefläche (34) mit seitlichem
Anschlag, die als Referenzfläche dient, gegen die das Werkstück (33)
rechtwinklig ausgerichtet werden soll.
Fig. 9b zeigt den Verlauf des Meßwertes als Funktion des Scanwinkels Wi
entsprechend Fig. 9a. Die Differenz zwischen U_max und U_min ist ein Maß
für den Neigungswinkel NW. Bei einer ebenen Werkstückfläche ergibt sich ein
sinusförmiger Verlauf, wobei sich aus der Phasenlage der Schwenkwinkel SW
ermitteln läßt. Nach Fig. 4b entspricht der Schwenkwinkel SW dem
Scanwinkel Wi an der Stelle U_min.
Fig. 9c zeigt die Vorrichtung (1) auf der Auflagefläche (34) und das Werkstück
(33) in der Position nach dem Teachen der Nulldistanz entsprechend Fig. 6.
Der Abstand kann im Bereich s_min bis s_max gemessen und durch die in Fig.
9d dargestellten Leuchtringmuster angezeigt werden.
Fig. 11 bis Fig. 13 zeigen die Meß- und Anzeigemöglichkeiten im
Betriebsmodus "Kantenmessung".
Werden ein Werkstück (33) und eine Auflagefläche (34) teilweise
übereinander, oder wie in Fig. 10a, nebeneinander gelegt, ergibt sich durch
Höhenunterschiede der beiden Flächen eine Konturkante, bzw. bei
unterschiedlichen Oberflächenreflektivität eine Kontrastkante. Der untere Teil
des Leuchtringes (17) fällt etwa senkrecht auf die Auflagefläche (34) und
liefert die Referenzdistanzmeßwerte, bzw. die Referenzintensitätsmeßwerte.
Der obere Teil des Leuchtringes (17) liegt auf dem Werkstück (33).
Fig. 1 Ob beschreibt den Verlauf des Meßwertes MW als Funktion des
Scanwinkels Wi. In der gezeichneten Anordnung nach Fig. 10a befindet sich
der Sendelichtfleck (16) im Scanwinkelbereich w1 = 0° - 100° und im
Scanwinkelbereich W3 = 280° - 360° auf dem Werkstück (33) wo sich der
Meßwert U1 ergibt. Dazwischen, im Scanwinkelbereich w2 wird der
Referenzmeßwert U_ref ermittelt.
Die Differenz der Meßwerte U1 und U_ref ergibt den Höhenunterschied der
beiden Flächen nach der Beziehung: Höhenunterschied = U1 - U_ref.
Aus den Winkelbereichen w1, w2 und w3 wird die seitliche Lage, bzw. die
Winkellage der Kante ermittelt.
Fig. 11a zeigt die Anordnung nach Fig. 10 mit verschiedenen Höhenstufen,
wobei im Betriebsmodus "Höhenstufe" die in Fig. 11b dargestellten
Leuchtringsymbole den Höhenunterschied der darüberliegenden Skizze
anzeigen.
In Fig. 12 ist das Werkstück (33) und die Auflagefläche (34) in der Draufsicht
mit dem Leuchtring für drei verschiedene seitliche Kantenlagen dargestellt,
wobei im Betriebsmodus "Kantenlage" die entsprechenden Leuchtringsymbole
den Versatz der Objektkante in x_Richtung bezogen auf den
Leuchtringmittelpunkt zeigen.
Fig. 13 zeigt die Anzeigesymbole im Betriebsmodus "Kantenwinkel", wobei
die Winkelabweichung der Objektkante bezogen auf die zur x_Achse senkrecht
stehende Richtung angezeigt wird.
Überstreicht der Leuchtring (17), wie in Fig. 14a gezeigt einen
Kontraststreifen, einen Spalt oder eine Erhöhung, kann wie bei der
Kantenmessung die seitliche Lage und die Winkellage des Kontraststreifens
ermittelt werden.
Die entsprechende Meßwerteverlauf als Funktion des Scanwinkels Wi ist in
Fig. 14b dargestellt.
Im Betriebsmodus "Spurverfolgung" wird die Winkellage des
Kontraststreifens, was etwa der an den Kontraststreifen angelegten Tangente
entspricht, dadurch angezeigt, das nur der Leuchtring im unmittelbaren
Scanwinkelbereich w4 und w5, wie in Fig. 14b definiert, angezeigt und die
anderen Winkelbereiche ausgeblendet werden.
Fig. 14c zeigt, wie die Winkellage und der seitliche Versatz im
Leuchtringsymbol deutlich gemacht werden.
In Fig. 15 ist die Möglichkeit der Spaltbreitenmessung dargestellt. Hierbei wird
davon ausgegangen, daß die zu fügenden Flächen des Werkstückes (33) und
(33') etwa auf gleicher Höhe liegen und der dazwischen liegende Spalt durch
eine deutlich meßbare Vertiefung, Erhöhung oder einen Kontraststreifen
gebildet wird. Die Breite der in Fig. 14b definierten Scanwinkelbereiche w4
und w5 sind ein Maß für die Spaltbreite und werden im Betriebsmodus
"Spaltbreite" durch die in Fig. 15a dargestellten Leuchtringsymbole angezeigt.
Im Betriebsmodus "Parallele" wird der parallele Verlauf des Spaltes bewertet,
indem die Differenz zwischen den Scanwinkelbereichen w4 und w5 gebildet
und wie in Fig. 15b dargestellt, durch entsprechende Leuchtringsymbole
angezeigt.
Fig. 16a zeigt, wie die Vorrichtung (1) auf eine zylindrische Wölbung eines
Werkstückes (33) gerichtet ist.
Im Gegensatz zum Meßwerteverlauf nach Fig. 9b, wo eine geneigte, ebene
Fläche vorliegt und ein sinusförmiger Verlauf über dem Scanwinkel Wi
entsteht, bildet sich bei einer gewölbten Fläche ein Verlauf nach Fig. 16b,
wobei zwei Perioden pro Scan auftreten. Anteile mit der doppelten Frequenz
werden durch digitale Filter bestimmt, wobei die Amplitude zwischen dem
minimalen und maximalen Meßwert ein Maß für den Wölbungsgrad darstellt.
Die Scanwinkel, bei denen die Maximalwerte auftreten ergeben die Richtung
des "Bergkammes" der gewölbten Fläche.
Fig. 16c zeigt das zugehörige Anzeigemuster. Dabei zeigen die
Leuchtringpunkte die tiefer gelegenen Bereiche der Fläche an und die Anzahl
der Leuchtringpunkte ist ein Maß für den Wölbungsgrad.
Fig. 17 zeigt die Darstellung der Uhrzeit auf einer, dem Handmeßgerät
gegenüberliegenden Wand. Der Stundenzeiger (35) wird durch drei
zusammenhängende Leuchringpunkte (18) dargestellt, der Minutenzeiger (36)
durch einen Leuchringpunkt (18). Der Sekundenzeiger (37), der ebenfalls durch
einen Leuchringpunkt (18) dargestellt, kann vom Minutenzeiger (36) durch
seine Bewegung unterschieden werden. Eine, auf der Wand angebrachte,
Skalierung (38) ist beim Ablesen der Uhrzeit hilfreich.
Fig. 18 zeigt die Darstellung des Sonnenstandes auf einem 24-Stundenkreis.
Die auf der Wand aufgebrachte Skalierung (38) kann durch jeweils eine
horizontale Linie für Sonnenauf- und Untergang im Sommer, bzw. Winter
ergänzt werden.
Fig. 19a zeigt den Aufbau eines dritten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung
(1). Das Licht des Senders (2) wird durch die Sendeoptik (4) kollimiert und
durch den Microscanspiegel (40) abgelenkt. Vom Objekt (9) werden die
Empfangslichtstrahlen durch die Empfangsoptik (11) auf den Empfänger (12)
fokusiert.
In Fig. 19b ist die prinzipielle Funktion des Microscanspiegel (40) dargestellt.
Die mit einer Spiegelschicht versehene Siliziumplatte (41) ist über
Torsionsstege (42) an einem Rahmen (43) aufgehängt. Der Rahmen (43) ist
über 90° versetzte Torsionsstege (44) aufgehängt, sodaß der Rahmen (43) und
die Siliziumplatte (41) in zwei Richtungen schwingen können. Die Anregung
erfolgt elektrostatisch über seitliche, nicht dargestellte, Elektroden.
Fig. 20a zeigt das sichtbare Scanmuster (45), das durch Anregung mit
Wechselspannung entsteht und bei einem Verhältnis 1 : 1,1 der beiden
Anregungsfrequenzen die dargestellte Lissajoufigur ergibt. Fällt das
Scanmuster (45) auf einen, auf einer Verpackung (46) aufgedruckten Barcode
(47), wird dieser mehrfach abgetastet und im Prozessor (14) dekodiert.
Nach erfolgreicher Dekodierung wird, wie in Fig. 20b gezeigt, durch gezieltes
Austasten des Sendelichtfleckes, eine alphanumerische Zeichenkette (48) im
Bereich des Scanmusters (45) ausgegeben.
1
Vorrichtung
2
Sender
3
Sendelichtstrahl
4
Sendeoptik
5
Ablenkeinheit
6
Fresnellinse
7
Microscanspiegelarray
8
Austrittsfenster
9
Objekt
10
Empfangslichtstrahl
11
Empfangsoptik
12
Empfänger
13
Auswerte- und Treiberschaltung
14
Mikroprozessor
15
Winkelgeber
16
Sendelichtfleck
17
Leuchtring
18
Leuchtringpunkt
19
Rollen
20
Motor
21
Reibrad
22
Gehäuse
23
Schnittstelle
24
Ausgang
25
Taumeleinheit
26
Aktor
27
Spiegel
28
Grundplatte
29
Dorn
30
Bohrmaschine
31
Bohrer
32
Taste
33
Werkstück
34
Auflagefläche
35
Stundenzeiger
36
Minutenzeiger
37
Sekundenzeiger
38
Skalierung
39
-
40
Microscanspiegel
41
Siliziumplatte
42
Torsionssteg
43
Rahmen
44
Torsionssteg
45
Scanmuster
46
Verpackung
47
Barcode
48
Zeichenkette
Claims (36)
1. Optoelektronische Vorrichtung zur Erfassung von Struktur- und
Geometriedaten einer Objektoberfläche und Mitteln zur optischen
Anzeige der ermittelten Daten, bestehend aus einem Lichtsender (2),
einer Sendeoptik (4), einem Empfänger (12), einer Empfangsoptik (11),
einer Ablenkeinheit (5), einer Auswerte- und Treiberschaltung (13) und
einem Mikroprozessor (14), dadurch gekennzeichnet, daß der
Sendelichtstrahl (3) durch die Ablenkeinheit (5) periodisch abgelenkt
wird, wobei während einer Ablenkperiode mehrere Kontrast- und/oder
Distanzmeßwerte zur Ermittlung der Struktur- und Geometriedaten
ermittelt werden und daß in Abhängigkeit der Struktur- und
Geometriedaten der Sendelichtfleck (16) des Sendelichtstrahles (3)
partiell ausblendbar ist, wobei die sichtbaren Segmente des
Sendelichtfleckes (16) auf der Objektoberfläche die Mittel zur optischen
Anzeige bilden.
2. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß in einem ersten Ausführungsbeispiel der
Ablenkeinheit (5), diese durch eine Sammellinse, vorzugsweise eine
Fresnellinse (6), gebildet wird, die um eine Achse gedreht wird, die
parallel zur optischen Linsenachse versetzt ist und ein Winkelgeber (15),
der den Drehwinkel der Ablenkeinheit (5) ermittelt.
3. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß in einem zweiten Ausführungsbeispiel der
Ablenkeinheit (5), diese durch ein Microscanspiegelarray (7) gebildet
wird, dessen Spiegelflächen nach einer Sinusfunktion und in einer um
90° gedrehten Richtung nach einer Cosinusfunktion angesteuert und
damit die Sende- und Empfangslichtstrahlen (3, 10) kegelförmig
abgelenkt werden, wobei das Microscanspiegelarray (7) etwa 20° bis 60°,
vorzugsweise 45° gegenüber der Senderachse geneigt ist.
4. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß in einem dritten Ausführungsbeispiel der
Ablenkeinheit (5), diese durch eine Taumeleinheit (25) gebildet wird, die
durch mindestens drei als Tauchspulen oder Piezzoschwinger ausgeführte
und mit um 120° phasenversetzten Spannungen angesteuerten Aktoren
(26), gebildet wird.
5. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1-4, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Auswerte- und Treiberschaltung (13) die
Empfangssignale des Empfängers (12) bezüglich Amplitude und/oder
Distanz auswertet und den Sender (2) ansteuert.
6. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1-5, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Mikroprozessor (14) den von der Auswerte- und
Treiberschaltung (13) ermittelten Meßwert und gegebenenfalls den
Drehwinkel des Winkelgebers (15) einliest, daraus Geometriedaten
berechnet und über die Auswerte- und Treiberschaltung (13) den Sender
(2) partiell ausblendet.
7. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1-6, dadurch
gekennzeichnet, daß Parameter über eine serielle Schnittstelle (23)
eingestellt, bzw. ein Teachbefehl ausgelöst werden kann.
8. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1-7, dadurch
gekennzeichnet, daß über einen Ausgang (24) die, durch den Prozessor
(14) ermittelten analogen Geometriedaten ausgegeben, oder ein, mit Hilfe
eines parametrierten Schwellwertes ermitteltes, binäres Schaltsignal
bereitgestellt wird.
9. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1-8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Lichtsender (2) durch eine Leuchtdiode gebildet
wird und der Distanzmeßwert aus der Empfangsamplitude abgeleitet
wird.
10. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1-8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Lichtsender (2), die Sendeoptik (4), die
Empfangsoptik (11) und der Empfänger (12) koaxial angeordnet sind,
wobei der Empfänger (12) durch ein Fernelement, das konzentrisch von
einem Nahelement umschlossen ist, gebildet wird und die
Distanzinformation aus dem Verhältnis von Nah- und Fernsignalpegel
abgeleitet wird.
11. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1-8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Distanz nach dem Lichtlaufzeitmeßprinzip,
vorzugsweise der Phasenmessung ermittelt wird, wobei der Lichtsender
(2) durch einen Laser gebildet wird.
12. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1-11, dadurch
gekennzeichnet, daß in der Auswerte- und Treiberschaltung (13) aus
dem, sich über dem Drehwinkel der Ablenkeinheit (5) ändernden,
Distanzmeßwert die Flächenneigung des Objektes (9) ermittelt wird.
13. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1-12, dadurch
gekennzeichnet, daß der aktuelle, mittlere Distanzmeßwert durch einen
Teachbefehl gespeichert und mit den Distanzmeßwerten verglichen wird.
14. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1-13, dadurch
gekennzeichnet, daß der auf den geteachten Distanzreferenzwertes
bezogenen Distanzunterschiede mit Hilfe eines, durch den periodisch
abgelenkten Sendelichtfleck (16) erzeugten Leuchtring (17) dargestellt
wird, der zwei Unterbrechungen aufweist und die Bogenlänge d2 des
dazwischen liegenden Segmentes ein Maß für den positiven
Distanzunterschied ist, wobei die Objektdistanz größer als die
Referenzdistanz s_ref ist und ein negativer Distanzunterschied durch eine
einzelne Unterbrechung mit der Bogenlänge d1 dargestellt wird.
15. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1-14, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Anzeige der Flächenlage des Objektes (9) der
Leuchtring (17) im Scanwinkelbereich der kürzesten Meßdistanz
mehrfach unterbrochen wird, wobei die Anzahl der dadurch entstehenden
Leuchtringpunkte (18) ein Maß für die Flächenneigung darstellt.
16. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch
gekennzeichnet, daß die Leuchtringpunkte (18) zur Unterscheidung
gegenüber anderen Anzeigeinformationen blinkend dargestellt werden.
17. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1-16, dadurch
gekennzeichnet, daß die ermittelten Distanz- und Kontrastmesswerte mit
dem zugehörigen Ablenkwinkel, oder die daraus berechneten
Geometriedaten, über eine serielle Schnittstelle (23) ausgegeben werden
können.
18. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1-17, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (1) auf einer Handbohrmaschine
parallel zur Bohrachse montiert ist und die Anzeige der Geometriedaten
auf dem Werkstück (33) erfolgt.
19. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch
gekennzeichnet, daß die Werkstückdistanz s1 geteacht wird, während die
Bohrmaschine (30) mit eingespanntem Bohrer (31) auf einer
Auflagefläche (34) senkrecht aufgesetzt wird.
20. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 18-19, dadurch
gekennzeichnet, daß die Werkstückdicke s2 geteacht wird, indem der
Bohrer (31) am Werkstück (33) vorbei auf einer Auflagefläche (34)
aufgesetzt wird und dabei der Leuchtring (17) auf das zu bohrende und
auf der Auflagefläche (34) liegende Werkstück (33) gerichtet ist, die
Distanz s3 zum Werkstück (33) gemessen und die Werkstückdicke s2 =
s1 - s3 berechnet und gespeichert wird.
21. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 18-20, dadurch
gekennzeichnet, daß die Teachbefehle durch Doppel- und Einfachklicken
einer Taste (32) ausgelöst werden, die sich in der Nähe der
Bohrmaschineneinschalttaste befindet und mit dem Zeigefinger
erreichbar ist.
22. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 117 dadurch
gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (1) als Handmeßgerät mit
Batterieversorgung ausgelegt ist und mittels einer Taste (32) ein
Betriebsmodus eingestellt, oder ein Teachvorgang ausgelöst werden
kann.
23. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 22 dadurch
gekennzeichnet, daß im Betriebsmodus "Lage" mit dem, auf einer
Auflagefläche (34) mit Anschlag aufliegenden Handmeßgerät Schwenk-
und Neigewinkel, sowie Distanz einer Werkstückoberfläche (33),
bezogen zur Auflagefläche (34) und deren Anschläge gemessen und auf
dem Werkstück (33) angezeigt werden.
24. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 22 dadurch
gekennzeichnet, daß im Betriebsmodus "Höhenversatz" der
Distanzunterschied zwischen zwei Flächen, die gemeinsam vom
Leuchtring (17) erfaßt werden, bzw. die Spalttiefe oder längliche
Erhebung in einer Fläche gemessen und eine Objekterhebung durch einen
Bogen mit der Länge d2 und eine Vertiefung durch eine Unterbrechung
mit der Bogenlänge d1 dargestellt wird.
25. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 22 dadurch
gekennzeichnet, daß im Betriebsmodus "Kantenversatz" der seitliche
Versatz einer Kontur- oder Kontrastkante bezogen auf den Mittelpunkt
des Leuchtringes (17) gemessen und eine Kantenverschiebung in x-
Richtung durch einen Bogen mit der Länge d2 und eine
Kantenverschiebung entgegen der »Richtung durch eine Unterbrechung
mit der Bogenlänge d1 dargestellt wird.
26. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 22 dadurch
gekennzeichnet, daß im Betriebsmodus "Kantenwinkel" die
Winkelabweichung der Werkstückkante (33), bezogen auf die zur x-
Achse senkrecht stehende Richtung gemessen und eine Kantendrehung
im mathematisch positiven Sinne durch einen Bogen mit der Länge d2
und eine Kantendrehung mit negativem Winkel durch eine
Unterbrechung mit der Bogenlänge d1 dargestellt wird.
27. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 22 dadurch
gekennzeichnet, daß im Betriebsmodus "Spurverfolgung" der zur x-
Richtung gemessene Winkel einer Kante, eines Kontraststreifens, eines
Spaltes, oder einer länglichen Erhebung, dadurch angezeigt wird, indem
nur die unmittelbaren Bereiche um den Scanwinkel w4 und w5, bei dem
die Kante, bzw. der Streifen detektiert wurde, als Segmente angezeigt
werden.
28. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 22 dadurch
gekennzeichnet, daß im Betriebsmodus "Spaltbreite" die mittlere Breite
eines Kontraststreifens, eines Spaltes, oder einer länglichen Erhebung
gemessen und bezogen auf eine eingestellte oder eingeteachte Spaltbreite,
eine größere Spaltbreite durch einen Bogen mit der Länge d2 und eine
kleinere Spaltbreite durch eine Unterbrechung mit der Bogenlänge d1
dargestellt wird.
29. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 22 dadurch
gekennzeichnet, daß im Betriebsmodus "Parallele" die
Spaltbreitendifferenz der beiden, durch den Leuchtring (17) erfaßten
Spaltbreiten berechnet und ein, sich links zur x-Richtung verengender
Spalt durch einen Bogen mit der Länge d2 und ein, sich rechts zur x-
Richtung verengender Spalt durch eine Unterbrechung mit der
Bogenlänge d1 dargestellt wird.
30. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 22 dadurch
gekennzeichnet, daß im Betriebsmodus "Wölbung", aus dem
Meßwerteverlauf der Wechselanteil mit einer Periode von 180°, bezogen
auf einen Scan, gefiltert und daraus die Richtung und der Wölbungsgrad
der Werkstückoberfläche berechnet und die tiefer liegenden Bereiche
durch Leuchtringpunkte (18) dargestellt werden, wobei die Anzahl der
Leuchtringpunkte (18) ein Maß für den Wölbungsgrad sind.
31. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 22-30 dadurch
gekennzeichnet, daß der Neigungs- und Schwenkwinkel einer
Werkstückfläche (33), bzw. Winkellage einer Kante, auf den Winkel
eines, in der Vorrichtung (1) integrierten, . elektronischen
Beschleunigungssensors, mit zwei aufeinander senkrecht stehenden
Meßachsen, bezogen ist.
32. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 22 dadurch
gekennzeichnet, daß im Betriebsmodus "Standby" die aktuelle Uhrzeit
mit Hilfe von Leuchringpunkten (18), die den Stunden-, Minuten- und
Sekundenzeiger bilden, auf einer, der Vorrichtung (1)
gegenüberliegenden Fläche anzeigt wird, wobei der Stundenzeiger (35)
durch drei zusammenhängende Leuchringpunkte (18) gebildet wird.
33. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 22 dadurch
gekennzeichnet, daß im Betriebsmodus "Sonne", der Sonnenstand mit
Hilfe eines Leuchringpunktes (18) auf einer, der Vorrichtung (1)
gegenüberliegenden Fläche mit einer 24-Stunden-Skalierung, angezeigt
wird.
34. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Sendelichtstrahl (3) durch einen
Microscanspiegel (40) in zwei Richtungen abgelenkt wird, wobei die
Ablenkfrequenzen der beiden Ablenkrichtungen um 5% bis 20%
zueinander versetzt sind, so daß der Sendelichtfleck (16) ein Scanmuster
(45) in Form einer Lissajoufigur beschreibt, mit dem ein, auf dem Objekt
angebrachter Barcode abgetastet und durch partielles Austasten des
Senders (2) alphanumerische Zeichen dargestellt werden können.
35. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch
gekennzeichnet, daß innerhalb des Scanmusters (45) die Position und
Winkellage des Barcodes ermittelt und Pfeilsymbole als
Korrekturhinweis zum Drehen oder Verschieben des Handscanners
angezeigt werden.
36. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch
gekennzeichnet, daß über eine Taste (32) nacheinander verschiedene, aus
dem Barcode dekodierte Daten, selektiert und als alphanumerische
Zeichenkette (48) angezeigt werden können.
Priority Applications (1)
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