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Die
Erfindung bezeichnet einen, ein Positionierungssignal erzeugenden,
Lichtstrahlenempfänger
für den
gleichförmig
bewegten Laserstrahl eines Laserpositioniergerätes, insbesondere eine aktive Zieltafel,
welche vorteilhaft in handhabbaren Markierwagen verwendet wird.
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Derartige
Lichtstrahlenempfänger
dienen auf Baustellen einerseits zur automatisch positionsgesteuerten
Markierung von Objekten nach einem vorgegebenen flächig bewegten
Laserstrahl und andererseits zur automatisch positionsgesteuerten
Ausrichtung des Laserpositioniergerätes nach einer vorgegebenen
Markierung am Objekt, wobei zur automatischen Positionsregelung
das Positionierungssignal des Lichtstrahlenempfängers in einem Regelkreis über eine
Regelungselektronik ausgewertet und ein Steuermittel zur Verminderung
des relativen Abstands zwischen dem gleichförmig bewegten Laserstrahl und
der Sollposition des Lichtstrahlenempfängers angesteuert wird.
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Nach
der
EP508590 beinhaltet
eine handhabbare aktive Zieltafel mehrere zu einer elektrooptischen
Diodenzeile zusammengefasste Photodioden, welche, beidseitig der,
mit Markierungskerben versehenen, Sollposition angeordnet, direkt
ein Positionierungssignal liefern, das über eine Auswerteelektronik ausgewertet
und optisch angezeigt wird und beim Erreichen der Sollposition einen
Signalgeber aktiviert. Eine automatische Regelung ist nicht vorhanden.
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Nach
der
EP833021 ist eine
derartige aktive Zieltafel an einem handhabbaren Markierwagen angeordnet,
wobei die angezeigten Positionierungssignale vom Nutzer zur manuellen
Steuerung des Markierwagens benutzt werden.
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Nach
der
US4030832 weist
eine aktive Zieltafel für
einen in einer Ebene rotierenden Laserstrahl zwei Photodioden, eine
Regelungselektronik und ein Steuermittel für eine automatische Suche und
Regelung der Sollposition auf.
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Nach
der
DE3833153 beinhaltet
eine handhabbare aktive Zieltafel auf einem handhabbaren Lasermarkierungsgerät zwei einzelne
oder mehrere zu einem eindimensionalen elektrooptischen Photodiodenarray
zusammengefasste Photodioden, welche bezüglich einer Sollposi tion gegenüberliegend
angeordnet und gegenpolig verschaltet direkt ein, durch die Divergenz
des Laserstrahls analoges, Positionierungssignal liefern, das über eine
Regelungselektronik ausgewertet wird und ein Steuermittel zur Verminderung
des relativen Abstands zwischen dem gleichförmig bewegten Laserstrahl und
der Sollposition des Lichtstrahlenempfängers angesteuert sowie beim
Erreichen der Sollposition einen Signalgeber aktiviert. Für eine hohe
Positioniergenauigkeit über
einen Positionierbereich von ca. 10 cm wären sehr viele Photodioden
oder sehr lange Photodiodenarray erforderlich.
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Nach
der
DE19540590 beinhaltet
eine handhabbare aktive Zieltafel ein in der Ebene eines rotierenden
Laserstrahls beabstandet angeordnetes flächiges Streifenmuster aus zwei
oder drei länglich ausgeformten
Photosensoren, welche senkrecht zur Ebene jeweils einen anderen
relativen Abstand zueinander ausbilden. Der in der Ebene rotierende
Laserstrahl erzeugt zwei, je einer Photodiode zugeordnete, als Start-
und Stoppsignale zu interpretierende kurze Impulse, womit von der
Auswerteelektronik durch eine Zeitmessung zwischen diesen die Position
der Ebene des Laserstrahls berechnet und angezeigt wird. Die Photosensoren
sind als eindimensionales Photodiodenarray, als empfangsseitig länglich ausgebildetes
Lichtleitfaserbündel
mit ausgangsseitiger Photodiode oder als spezielles, das Licht umlenkendes,
längliches
Stabelement ausgebildet. Die Photodioden sind über Signalanpassstufen TTL-kompatibel
mit einem impulsgetriggert zählenden
Mikrocontroller zur Zeitmessung und Berechnung verbunden. Bei nur
zwei Photosensoren führen Schwankungen
der Rotationsgeschwindigkeit des Laserstrahls zu einem Messfehler.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht in der Realisierung einer einfachen
und fehlertoleranten, mit wenigen Photodioden ein Positionierungssignal
von hoher Positioniergenauigkeit über einen grossen Positionierbereich
erzeugende, aktiven Zieltafel für
einen gleichförmig
bewegten Laserstrahl eines Laserpositioniergerätes.
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Die
Aufgabe wird im wesentlichen durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Im
wesentlichen weist ein als Zieltafel für einen gleichförmig bewegten
Laserstrahl ausgeführter Lichtstrahlenempfänger einen
lichtempfindlichen Sensor mit einer über eine Signalanpassstufe
kompatibel verbundenen Auswerteelektronik zur Berechnung des Positionierungssignals über eine
Zeitmessung auf, wobei der lichtempfindliche Sensor grossflächig mit
einer, vorteilhaft dreieckigen, Geometrie ausgebildet ist, welche
für eine
in der Ebene des gleichförmig
bewegten Laserstrahls ausgebildete Linie in jeder senkrecht zur
Ebene bestimmten Position jeweils eine andere Schnittlänge ausbildet.
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Über die
Signalzeit ist von der Auswerteelektronik durch Zählung oder
Integration ein Positionierungssignal einfach berechenbar, welches
jedoch abhängig
von der Geschwindigkeit des gleichförmig bewegten Laserstrahls
ist.
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Vorteilhaft
ist die aktive Eingangsfläche
des lichtempfindlichen Sensors in mindestens zwei, voneinander beabstandeten
Teilflächen
unterteilt, welche für
eine in der Ebene des gleichförmig
bewegten Laserstrahls ausgebildete Linie in jeder senkrecht zur Ebene
bestimmten Position jeweils ein anderes relatives Schnittlängenverhältnis zueinander
ausbilden.
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Durch
die voneinander beabstandeten Teilflächen werden vom Sensor während des
gleichförmig über die
Eingangsfläche
des Sensors hinweg bewegten Laserstrahls zumindest zwei zeitlich
versetzte, durch eine für
ein Selektionsglied in der Auswerteelektronik registrierbare Zeitlücke unterbrochene, Schnittlängensignale
detektiert, woraus über
das Verhältnis
derer Signalzeiten zueinander ein Positionierungssignal berechenbar
ist. Durch eine Verhältnisbildung
in der Auswerteelektronik ist eine fehlertolerante, unabhängig von
der Geschwindigkeit des gleichförmig
bewegten Laserstrahls, Berechnung des Positionierungssignals möglich.
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Vorteilhaft
beinhaltet die Auswerteelektronik ein Integrierglied, welches die
beiden Signalzeiten mit entgegengesetztem Vorzeichen integriert,
wodurch ein vorzeichenbehaftetes Positionierungssignal direkt verfügbar ist,
welches in der, mit einer gleichen Schnittlänge charakterisierten, Sollposition
den Signalwert Null aufweist. Dieses Positionierungssignal ist an
der Sollposition unabhängig
von der Geschwindigkeit des gleichförmig bewegten Laserstrahls.
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Vorteilhaft
besteht der Sensor aus einem grossen Flächenphotosensor wie einer kostengünstigen
Standard-Silizium-Solarzelle von 100 mm × 100 mm mit zwei elektrischen
Anschlüssen,
welche schräg
zur Ebene des gleichförmig
bewegten Laserstrahls mit einem dünnen lichtundurchlässigen Streifen
maskiert in zwei voneinander beabstandeten Teilflächen unterteilt
ist.
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Alternativ
vorteilhaft besteht der Sensor aus einer, einer Photodiode mit zwei
elektrischen Anschlüssen
zugeordneten, grossen Eingangsfläche aus
einem, in Richtung zur Photodiode, reflektierenden Material, bspw.
einer refraktiven Folie, welche schräg zur Ebene des gleichförmig bewegten
Laserstrahls in zwei voneinander beabstandeten Teilflächen unterteilt
ist.
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Vorteilhaft
ist nur genau ein Sensor mit zwei elektrischen Anschlüssen vorhanden,
wodurch eine Realisierung mit einer minimalen Anzahl von elektronischen
Bauelementen möglich
ist.
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Vorteilhaft
ist das, die Zeitlücke
registrierende, Selektionsglied in der Auswerteelektronik zur Zuordnung
der jeweiligen Teilfläche
als Flip-Flop ausgeführt,
welches weiter vorteilhaft nach dem Überschreiten einer Zeitschwelle
auf einen definierten, der ersten vom Laserstrahl überstrichenen
Teilfläche zugeordneten,
Anfangszustand initialisiert wird.
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Alternativ
vorteilhaft ist jeder Teilfläche
des Sensors eine separate Photodiode mit zwei elektrischen Anschlüssen zugeordnet,
wodurch das Selektionsglied in der Auswerteelektronik entfallen
kann.
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Vorteilhaft
sind die den jeweiligen Photodioden zugeordneten reflektierenden
Materialen der Eingangsflächen
zueinander unterschiedlich orientiert, wodurch eine Verbesserung
des Signal/Rausch-Verhältnisses
erzielbar ist.
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Vorteilhaft
ist die der Auswerteelektronik mit dem Selektionsglied vorgeschaltete
Signalanpassstufe als Schwellwertschalter ausgebildet, dem weiter
vorteilhaft zur Glättung
ein Tiefpassfilter, dem vorteilhaft zur Selektion der Kanten ein
Differenzierglied und diesem weiter vorteilhaft zur Driftkompensation des
Gleichspannungsanteils ein, über
einen Summationspunkt gegengekoppeltes Integrierglied vorgeschaltet
ist.
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Vorteilhaft
werden die Schnittlängensignale und
damit die zeitliche Lage des abgedunkelten Bereiches über die
Software der Auswerteelektronik, bspw. einer Autokorrelationsfunktion,
aus den abgetasteten Messwerten des Photo-Stromsignals berechnet.
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Die
Erfindung wird bezüglich
eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels
näher erläutert mit:
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1 als
Zieltafel mit Auswerteelektronik
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2 als
alternativer Sensor mit refraktiven Folien
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Nach 1 weist
ein als aktive Zieltafel 1 ausgeführter Lichtstrahlenempfänger genau
einen, elektrisch als Photodiode wirkenden, lichtempfindlichen Sensor 2 mit
zwei elektrischen Anschlüssen auf,
welcher über
eine Signalanpassstufe 3 kompatibel mit einer Auswerteelektronik 4 verbundenen
ist, die über
eine integrale Zeitmessung ein Positionierungssignals 5 am
Ausgang bereitstellt, wobei der grossflächige, als Standard-Silizium-Solarzelle
ausgeführte,
lichtempfindliche Sensor 2, mit einem dünnen lichtundurchlässigen Streifen
maskiert, in zwei voneinander beabstandete Teilflächen 6a, 6b unterteilt
ist, welche für
eine in der Ebene eines gleichförmig
bewegten Laserstrahls 7 ausgebildete Linie in jeder senkrecht
zur Ebene bestimmten Position A, B, C jeweils ein anderes relatives
Schnittlängenverhältnis zueinander
ausbilden. Die während
des gleichförmig über die
Eingangsfläche
des Sensors 2 hinweg bewegten Laserstrahls 7 in
den Zeitpunkten t1...t4 zugeordneten Impulse liegen digital an der
Auswerteelektronik 4 an, wobei die zeitlich versetzten,
durch eine für
ein als Flip-Flop ausgeführtes
Selektionsglied 8 in der Auswerteelektronik 4 registrierbare
Zeitlücke 9 unterbrochene,
Schnittlängensignale 10a, 10b mit
entgegengesetztem Vorzeichen an einem Integrierglied 11 anliegen,
an dessem Ausgang das vorzeichenbehaftete Positionierungssignal 5 direkt verfügbar ist.
Die der Auswerteelektronik 4 mit dem Selektionsglied 8 vorgeschaltete
Signalanpassstufe 3 weist einen als Schmidt-Trigger ausgebildeten Schwellwertschalter 12 auf,
wobei diesem ein Tiefpassfilter 13, diesem ein Differenzierglied 14 und
diesem ein, über
einen Summationspunkt 15 gegengekoppeltes Integrierglied 16 vorgeschaltet
ist.
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Nach 2 besteht
der grossflächige
lichtempfindliche Sensor 2 aus zwei, jeweils einer Photodiode 17a, 17b mit
jeweils zwei elektrischen Anschlüssen
zugeordneten, grossen voneinander beabstandeten dreieckigen Teilflächen 6a, 6b,
welche für
eine in der Ebene eines gleichförmig
bewegten Laserstrahls 7 ausgebildete Linie in jeder senkrecht zur
Ebene bestimmten Position A, B, C jeweils ein anderes relatives
Schnittlängenverhältnis zueinander ausbilden.
Die beiden Teilflächen 6a, 6b bestehen aus
refraktiver Folie als um den Winkel von 90° reflektierendes Material, welche
den Laserstrahl in Richtung zu den zugeordneten Photodioden 17a, 17b ablenkt.