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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkstückträgersystem. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Werkstückträgersystem mit einem frei schwebenden Werkstückträger, wobei eine Position des frei schwebenden Werkstückträgers bestimmbar ist.
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Aus dem Stand der Technik sind Werkstückträgersysteme bekannt. Dabei ist außerdem bekannt, dass Werkstückträger, die insbesondere frei schwebend über einer Oberfläche bewegbar sind, überwacht werden müssen, um eine Position der Werkstückträger zu ermitteln. Für solche Überwachungen sind beispielsweise kapazitive Sensoren bekannt, die jedoch aufgrund der benötigten Bauraumgröße in manchen Anwendungen nicht eingesetzt werden können. Optische Sensoren, insbesondere Stereokameras, sind teuer und aufwendig zu installieren, wodurch solche Sensoren je nach Anwendungsfall nicht geeignet sind. Ein Werkstückträgersystem umfassend eine Stereokamera zur Positionsbestimmung eines frei schwebenden Werkstückträgers ist beispielsweise aus der
WO 2013/059934 A1 bekannt.
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Grundsätzlich ist an den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen nachteilig, dass eine große Anzahl von Sensoren verwendet werden muss, wodurch das Werkstückträgersystem sehr teuer ist. Außerdem ist durch die Vielzahl von Sensoren eine große Bauhöhe vorhanden, die sich negativ auf die Leistungsfähigkeit des Werkstückträgersystems auswirkt.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Werkstückträgersystem ist kostengünstig aufgebaut und benötigt nur wenige Sensoren sowie eine Referenzschicht, welche sehr dünn auf eine Fläche aufgebracht werden kann, über die sich ein Werkstückträger bewegt. Somit ist ein sehr zuverlässiges System einfach und kostengünstig herstellbar. Das erfindungsgemäße Werkstückträgersystem umfasst einen freischwebenden Werkzeugträger, eine Referenzfläche, eine Erfassungseinheit und eine Steuereinheit. Der Werkstückträger ist insbesondere frei schwebend über der Referenzfläche ausgebildet und ist somit bevorzugt über der Referenzfläche frei bewegbar. Die freischwebende Bewegung ist insbesondere über eine elektromagnetische Kraft erzeugbar, sodass kein Kontakt zwischen Werkstückträger und Referenzfläche vorhanden ist. Die Erfassungseinheit und die Steuereinheit sind an dem Werkstückträger angeordnet. Dabei ist vorgesehen, dass die Referenzfläche ein charakteristisches Muster aufweist, wobei die Erfassungseinheit zum Erfassen zumindest eines Teilabschnitts des charakteristischen Musters ausgebildet ist. Das charakteristische Muster ist insbesondere derart ausgestaltet, dass der Teilabschnitt eindeutig zugeordnet werden kann. Somit ist durch das Erfassen des Teilabschnitts eine Positionserkennung des Werkstückträgers ermöglicht. Dazu ist die Steuereinheit ausgebildet, aus dem von der Erfassungseinheit erfassten Teilabschnitt eine Position des Werkstückträgers über der Referenzfläche zu berechnen. Bei dem charakteristischen Muster handelt es sich vorteilhafterweise um eine optisch strukturierte Schicht der Referenzfläche. Dies umfasst insbesondere einen von der übrigen Referenzfläche farblich unterschiedlichen Bereich, wodurch das charakteristische Muster eindeutig erkennbar ist. Um aus dem Teilabschnitt des charakteristischen Musters eine Position zu berechnen, ist der Steuereinheit das charakteristische Muster bevorzugt bekannt. Durch einen Vergleich des Teilabschnitts mit dem bekannten, insbesondere gespeicherten, charakteristischen Muster lässt sich somit die Position des Teilabschnitts in dem charakteristischen Muster ermitteln, wodurch auch eine Position des Werkstückträgers über der Referenzfläche bekannt ist. Durch das Anbringen der Erfassungseinheit an dem Werkstückträger sowie das Bereitstellen der Steuereinheit an dem Werkstückträger ist das gesamte Werkstückträgersystem sehr kostengünstig aufgebaut, da die Hauptkosten auf den Werkzeugträger konzentriert werden. Somit muss kein Kernsystem zur Positionserfassung auf der gesamten Referenzfläche bereitgehalten werden. Die Referenzfläche muss lediglich das charakteristische Muster aufweisen. Weiterhin muss lediglich ein geringer Abstand zwischen dem frei schwebenden Werkstückträger und der Referenzfläche vorhanden sein. So ist für das charakteristische Muster nur eine dünne, optisch strukturierte Schicht auf die Referenzfläche aufzubringen, wobei eine Dicke der optisch strukturierten Schicht nur wenige Mikrometer umfasst.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Bevorzugt ist das charakteristische Muster ein Binärmuster. Somit ist insbesondere vorgesehen, dass die Referenzfläche zwei verschiedene Farben, insbesondere die Farben schwarz und weiß, umfasst. Das charakteristische Muster ist dann dadurch gebildet, dass einzelne Bereiche der Referenzfläche entweder die erste Farbe, insbesondere schwarz, aufweisen, während andere Bereiche die zweite Farbe, insbesondere weiß, aufweisen. Auf diese Weise ist eine große Störsicherheit vorhanden, da lediglich der Unterschied zwischen den beiden Farben erkannt werden muss. Außerdem ist bevorzugt vorgesehen, dass auf diese Weise ein erfasster Teilabschnitt des charakteristischen Musters binär gespeichert werden kann, wodurch eine benötigte Speicherkapazität für den Speichervorgang des Teilabschnitts sehr gering ausfällt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das charakteristische Muster eine Vielzahl von Pixel. Dabei ist vorgesehen, dass sich jeder zumindest vier Pixel umfassende Teilabschnitt des charakteristischen Musters von jedem anderen Teilabschnitt des charakteristischen Musters unterscheidet. Besonders vorteilhaft ist das Muster zusätzlich das zuvor beschriebene Binärmuster, sodass jedem Pixel entweder eine 0 oder eine 1 zuordenbar ist. Insbesondere umfasst das charakteristische Muster eine Vielzahl von Pixeln, wobei jeder Pixel entweder schwarz oder weiß gefärbt ist. Durch die Erfassungseinheit ist somit der Teilabschnitt des charakteristischen Musters als eine Sammlung von vier Binärwerten erfassbar. Die vier Pixel des Teilabschnitts sind insbesondere in Form eines Quadrats angeordnet. Da sich jeder Teilabschnitt von jedem anderen Teilabschnitt unterscheidet, ist eine eindeutige Zuordnung des Teilabschnitts zu einer Position des charakteristischen Musters ermöglicht. Dies erlaubt eine Positionsbestimmung der Erfassungseinheit, die den Teilabschnitt erfasst, und somit auch eine Positionsbestimmung des Werkstückträgers relativ zu dem charakteristischen Muster und damit relativ zu der Referenzfläche. Der Teilabschnitt kann vorteilhafterweise mehr als vier Pixel umfassen, wobei besonders bevorzugt vorgesehen ist, dass der Teilabschnitt jeweils quadratisch ausgestaltet ist. Durch eine derartige Ausgestaltung ist eine notwendige Auflösung bei dem charakteristischen Muster sowie der Erfassungseinheit minimiert. Dies erlaubt ein einfaches und kostengünstiges Bereitstellen des Werkstückträgersystems.
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Die Erfassungseinheit umfasst bevorzugt eine Kamera, insbesondere eine Hochgeschwindigkeitskamera. Die Kamera dient somit insbesondere zum Erfassen des Teilabschnitts des charakteristischen Musters, wobei dies bei der Bereitstellung eines Binärmusters als charakteristisches Muster vereinfacht ist. Eine notwendige Auflösung der Kamera ergibt sich somit aus der Ausgestaltung des charakteristischen Musters. Durch eine entsprechende Wahl des charakteristischen Musters, das heißt, durch das Vorsehen einer Vielzahl von unterschiedlichen Formen innerhalb des charakteristischen Musters ist eine notwendige Auflösung der Erfassungseinheit, insbesondere der Kamera, minimierbar.
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Die Kamera weist bevorzugt einen optischen Sensor sowie ein Objektiv auf. Dabei ist vorgesehen, dass dem Objektiv eine Umlenkvorrichtung vorgeschaltet ist. Auf diese Weise ist ein optischer Weg zwischen dem Objektiv und dem charakteristischen Muster umlenkbar. Das Umlenken erfolgt insbesondere um einen Winkel von 90 Grad, wovon Abweichungen von bis zu 10 Grad möglich sind. Durch das Umlenken ist es ermöglicht, den Werkstückträger in einer vertikalen Abmessung schmal aufzubauen, da sich die Kamera in horizontaler Richtung erstreckt. Durch die Umlenkvorrichtung ist dennoch möglich, das charakteristische Muster vertikal von oben zu erfassen. Auf diese Weise kann die Bauhöhe des Werkstückträgers im Vergleich zum Stand der Technik deutlich reduziert werden. Durch die Umlenkvorrichtung ist somit ein Abstand des Werkstückträgers über der Referenzfläche von 0 Millimetern ermöglicht, um ein Erfassen des charakteristischen Musters zu ermöglichen. Dies bedeutet, dass ein etwaiger Mindestabstand zwischen Werkstückträger und Referenzfläche, wie im Stand der Technik vorgesehen, nicht einzuhalten ist.
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Besonders vorteilhaft umfasst die Umlenkvorrichtung einen Strahlteiler. Mit dem Strahlteiler ist ermöglicht, den optischen Weg zwischen Objektiv und charakteristischen Muster um 90 Grad abzulenken. Somit ist ein Erfassen des charakteristischen Musters aus der vertikalen Richtung ermöglicht, wobei sich die Kamera selbst in der horizontalen Richtung erstreckt.
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Das Objektiv umfasst bevorzugt eine Lochblende. Die Lochblende weist insbesondere eine Mittelachse auf, die parallel zu der optischen Achse des Objektivs ausgerichtet ist. Durch die Lochblende wird die Schärfentiefe der Kamera erhöht, so dass die Schwebehöhe, das bedeutet der Abstand zwischen Referenzfläche und Werkstückträger, über einen vordefinierten Bereich verändert werden kann, wobei das charakteristische Muster weiterhin von der Kamera erfassbar ist. Somit ist die Erfassungsgenauigkeit der Kamera erhöht.
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In einer alternativen Ausführungsform weist die Kamera einen optischen Sensor und eine Vielzahl von Mikrolinsen auf. Durch jede Mikrolinse ist jeweils ein Teilbild des charakteristischen Musters, insbesondere mit unterschiedlichem Fokuspunkt, auf einen Teilbereich des optischen Sensors abbildbar. Auf diese Weise wird das Prinzip einer Lichtfeldkamera umgesetzt. Das endgültige Bild wird durch verschiedene Rechenschritte wiederhergestellt, wobei der Fokuspunkt in der Bildverarbeitung angepasst werden kann. Ein solches Wiederherstellen von Endbildern aus der Vielzahl von aufgenommenen Teilbildern ist aus dem Stand der Technik bekannt.
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Gemäß einer weiteren Alternative weist die Kamera einen optischen Sensor sowie eine Vielzahl von diffraktiven optischen Elementen auf. Bei den diffraktiven optischen Elementen handelt es sich insbesondere um holographische optische Elemente. Durch Verwendung von diffraktiven optischen Elementen ist die Schärfentiefe der Kamera erhöht war. Besonders vorteilhaft kann bei Verwendung von diffraktiven optischen Elementen auf die zuvor beschriebene Umlenkvorrichtung, insbesondere auf den zuvor beschriebenen Strahlteiler, verzichtet werden, obwohl sich die Kamera in der vertikalen Richtung erstreckt. Dies ist aufgrund der geringen Abmessungen der Kamera bei Verwendung von diffraktiven optischen Elementen möglich, sodass auch bei einer vertikalen Erstreckung der Kamera die vertikalen Abmessungen des freischwebenden Werkstückträgers nicht erhöht sind.
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Besonders vorteilhaft kann die Erhöhung der Schärfentiefe auch über eine Signalverarbeitung des fertig aufgenommenen Bildes des optischen Sensors erfolgen. Insbesondere wird eine Erhöhung der Schärfentiefe somit durch Regularisierung und/oder eine spezielle Faltung mit der Abbildungsfunktion erreicht. Hierbei kann, wenn zusätzliche Sensoren zur Bestimmung des Abstands zwischen Werkstückträger und Referenzfläche vorhanden sind, auf die Daten der zusätzlichen Sensoren zurückgegriffen werden. Dadurch ergibt sich eine verbesserte Rekonstruktionsqualität.
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Besonders vorteilhaft weist das Werkstückträgersystem eine Beleuchtungseinheit auf. Die Beleuchtungseinheit ist insbesondere an dem Werkstückträger angeordnet. Um ein Erfassen des Teilabschnitts des charakteristischen Musters durch die Kamera zu ermöglichen oder zu vereinfachen, ist die Beleuchtungseinheit ausgebildet, die Referenzfläche mit einem Licht zu beleuchten, das von der Kamera erfassbar ist. Die Beleuchtungseinheit ist somit vorteilhafterweise in unmittelbarer Umgebung der Kamera angeordnet. Die Beleuchtungseinheit ermöglicht oder vereinfacht insbesondere einen störungsfreien Betrieb der Erfassungseinheit, insbesondere der Kamera, wodurch eine sichere und zuverlässige Positionserkennung gewährleistet ist. Die Beleuchtung erfolgt insbesondere mittels eines für das menschliche Auge nicht sichtbaren Lichts. Besonders vorteilhaft wird die Beleuchtungsvorrichtung verwendet, wenn das Objektiv der Kamera, wie zuvor beschrieben, eine Lochblende aufweist. Durch die Lochblende steigt zwar die Schärfentiefe, allerdings sinkt die Beleuchtungsintensität des optischen Sensors. Dies wird durch die Beleuchtungsvorrichtung ausgeglichen. Weiterhin ist besonders vorteilhaft, wenn die Beleuchtungsvorrichtung die Referenzfläche über den Strahlteiler beleuchtet. Hierzu ist insbesondere ein Diffusor zwischen Beleuchtungsvorrichtung und Strahlteiler angebracht, um die Beleuchtung zu homogenisieren. Das Beleuchten kann somit aus einer anderen Richtung erfolgen, als die optische Achse der Kamera auf den Strahlteiler trifft. Somit sind Kamera und Beleuchtungsvorrichtung durch den Strahlteiler bevorzugt entkoppelt.
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Die Erfassungseinheit umfasst weiterhin bevorzugt eine Laserabtasteinrichtung. Dazu ist vorgesehen, dass durch ein Abtasten der Referenzfläche durch den Laser der Teilabschnitt des charakteristischen Musters erfassbar ist. Durch die Laserabtasteinrichtung ist insbesondere eine höhere Schärfentiefe als bei einer Kamera erreichbar. Außerdem ist eine Laserabtasteinrichtung auch bei variablem Abstand des Werkstückträgers zur Referenzfläche einsetzbar, ohne dass Ergebnis der Erfassung des Teilabschnitts zu verfälschen. Das charakteristische Muster ist bevorzugt an eine Auflösung und an eine Form des abtastenden Lasers, insbesondere an eine Kreisform des abtastenden Lasers, angepasst.
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Somit ist sichergestellt, dass jeder Abtastung eine eindeutige Position zugeordnet werden kann.
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Das Werkstückträgersystem weist vorteilhafterweise einen Höhensensor auf. Der Höhensensor ist bevorzugt an dem Werkstückträger angebracht. Außerdem ist der Höhensensor zum Ermitteln eines Abstands zwischen Werkstückträger und Referenzfläche ausgebildet. Der Höhensensor ist bevorzugt ein Infrarotsensor und / oder ein Lasersensor. Außerdem sind andere Sensoren, wie Radarsensoren oder Ultraschallsensoren, möglich. Durch das Bereitstellen des Höhenmessers ist neben dem Abstand zwischen Werkstückträger und Referenzfläche auch eine Verkippung des Werkstückträgers relativ zu der Referenzfläche erfassbar. Somit ist eine sehr genaue Positionsermittlung innerhalb von sechs Freiheitsgraden ermöglicht.
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Weiterhin weist das Werkstückträgersystem bevorzugt eine an dem Werkstückträger angebrachte Induktionsschleife auf. Die Induktionsschleife ist elektrisch leitend mit der Erfassungseinheit und / oder der Steuereinheit und / oder der Beleuchtungseinheit und / oder dem Höhenmesser verbunden. Somit ist eine über die Induktionsschleife kontaktlos empfangene elektrische Energie an zumindest die Erfassungseinheit und / oder die Steuereinheit, insbesondere auch an die Beleuchtungseinheit und / oder den Höhenmesser leitbar. Auf diese Weise stellt die Induktionsschleife eine Energieversorgung für den Höhenmesser und / oder die Beleuchtungseinheit und / oder die Erfassungseinheit und / oder die Steuereinheit dar. Durch die Induktionsschleife ist dabei elektrische Energie kabellos übertragbar, wodurch keine Verkabelung des frei schwebenden Werkstückträgers notwendig ist. In einer Alternative ist bevorzugt vorgesehen, dass anstatt der Induktionsschleife eine Batterie und / oder ein Akku und / oder eine kabelgebundene Stromversorgung vorhanden ist, die jeweils elektrisch leitfähig mit der Erfassungseinheit und / oder der Steuereinheit und / oder der Beleuchtungseinheit und / oder dem Höhenmesser verbunden ist.
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Das Werkstückträgersystem weist außerdem bevorzugt eine Sendeeinheit auf. Die Sendeeinheit ist an dem Werkstückträger angeordnet und insbesondere mit der Steuereinheit elektrisch verbunden. Die Sendeeinheit dient zum Übertragen der von der Steuereinheit bestimmten Position des Werkstückträgers über der Referenzfläche an eine Empfangseinheit. Die Empfangseinheit ist bevorzugt in der Referenzfläche integriert. Eine Übertragung eines Signals zwischen Sendeeinheit und Empfangseinheit erfolgt bevorzugt entweder durch Funkübertragung und / oder durch eine optische Übertragung. Erfolgt die Signalübertragung durch Funkübertragung, so ist bevorzugt vorgesehen, dass die Empfangseinheit innerhalb der Referenzfläche angeordnet ist und somit bevorzugt unterhalb des charakteristischen Musters liegt. Daher ist ein störender Einfluss der Empfangseinheit auf die Erfassung des Teilabschnitts des charakteristischen Musters ausgeschlossen. Die Empfangseinheit ist bevorzugt elektrisch mit weiteren Komponenten verbunden, um die empfangene Position des Werkstückträgers über der Referenzfläche zu verarbeiten. Ist eine Signalübertragung hingegen durch optische Übertragung realisiert, so weist die Referenzfläche bevorzugt eine Öffnung auf, in der die Empfangseinheit angeordnet ist. Die optische Signalübertragung erfolgt bevorzugt mittels eines Lichts einer charakteristischen Wellenlänge. Die Sendeeinheit ist somit bevorzugt eine Leuchtdiode oder eine sonstige lichtimitierende Einheit.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind eine Vielzahl von charakteristischen Mustern sowie eine Vielzahl von Empfangseinheiten bereitgestellt. Dabei weist die Referenzfläche die Vielzahl von charakteristischen Mustern auf. Bevorzugt sind alle charakteristischen Muster identisch. Außerdem ist jedem charakteristischen Muster eine eigene Empfangseinheit zugeordnet. Auf diese Weise ist eine Positionserkennung durch sehr einfache Maßnahmen auch bei großen Referenzflächen ermöglicht. Sollte sich der Werkstückträger innerhalb eines Bereichs bewegen, das von einem einzigen charakteristischen Muster abgedeckt ist, so erfolgt die Positionserkennung, wie zuvor beschrieben. Sollte sich der Werkstückträger zwischen zwei Bereichen bewegen, die von unterschiedlichen charakteristischen Mustern abgedeckt sind, so erfolgt zunächst eine Positionserkennung derart, dass anhand der Empfangseinheit, die von der Sendeeinheit Signale empfängt, dasjenige charakteristische Muster ermittelt wird, über dem sich der Werkstückträger befindet. Somit erfolgt durch die Auswahl der Empfangseinheit eine Grobbestimmung der Position des Werkstückträgers. Die Feinbestimmung der Position erfolgt anschließend mittels des charakteristischen Musters, wie zuvor beschrieben. Für die Auswahl der Empfangseinheit ist insbesondere diejenige Empfangseinheit auswählbar, die als einzige Signale von der Sendeeinheit empfängt, oder die ein stärkstes Signal von der Sendeeinheit empfängt. Eine Größe der Referenzfläche ist somit durch das wiederholte Anordnen identischer Referenzmuster und Zuordnen jeweils einer Empfangseinheit beliebig erweiterbar.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Ansicht eines Werkstückträgers eines Werkstückträgersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine schematische Seitenansicht des Werkstückträgersystems gemäß des Ausführungsbeispiels der Erfindung,
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3 eine schematische Ansicht eines charakteristischen Musters einer Referenzfläche des Werkstückträgersystems gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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4 eine schematische Ansicht einer Vielzahl von Teilabschnitten, die sich aus dem charakteristischen Muster wie in 3 gezeigt extrahieren lassen,
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5 eine schematische Ansicht eines Werkstückträgersystems gemäß einem ersten alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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6 eine schematische Ansicht eines Werkstückträgersystems gemäß einem zweiten alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
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7 eine schematische Ansicht eines Werkstückträgersystems gemäß einem dritten alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Die 1 und 2 zeigen schematisch verschiedene Ansichten eines Werkstückträgersystem 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Werkstückträgersystem 1 umfasst einen Werkstückträger 2, der frei schwebend über einer Referenzfläche 3 angeordnet ist. Der Werkstückträger 2 ist somit frei über der Referenzfläche 3 verschiebbar.
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Um eine relative Position zwischen Werkstückträger 2 und Referenzfläche 3 zu bestimmen, weist die Referenzfläche 3 ein charakteristisches Muster 6 auf. Das charakteristische Muster 6 ist insbesondere eine optisch strukturierte Schicht, die eine Dicke von wenigen Mikrometern umfasst. Das charakteristische Muster 6 wird nachfolgend anhand der 3 und 4 erklärt werden.
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Der Werkstückträger 2 weist eine Erfassungseinheit 4 auf. Mit der Erfassungseinheit 4 ist das charakteristische Muster 6 erfassbar. Dies ermöglicht eine Positionsbestimmung des Werkstückträgers 2 relativ zu der Referenzfläche 3. Die Erfassungseinheit 4 ist dazu insbesondere eine Kamera, besonders bevorzugt eine Hochgeschwindigkeitskamera. Die Kamera ist mit einer Steuereinheit 5 verbunden, wobei die Steuereinheit 5 zum Berechnen der Position aus der von der Erfassungseinheit 4 erfassten Bereiche ausgebildet ist.
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Um ein Erfassen mittels der als Kamera ausgebildeten Erfassungseinheit 4 zu vereinfachen, weist der Werkstückträger 2 eine Beleuchtungseinheit 9 auf. Die Beleuchtungseinheit 9 ist um die Erfassungseinheit 4 herum angeordnet und dient zur Beleuchtung der Referenzfläche 3. Die Beleuchtungseinheit umfasst dazu bevorzugt eine lichtimitierende Diode zum Aussenden von Licht, wobei das Licht von der als Kamera ausgestalteten Erfassungseinheit 4 erfassbar ist. Besonders vorteilhaft ist das von der Beleuchtungseinheit 9 ausgesendete Licht für das menschliche Auge nicht sichtbar.
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Weiterhin weist der Werkstückträger 2 eine Sendeeinheit 12 auf. Die Sendeeinheit 12 dient zum Übertragen der von der Steuereinheit 5 berechneten Position des Werkstückträgers 2 an eine Empfangseinheit 13. Die Empfangseinheit 13 ist innerhalb der Referenzfläche 3 angeordnet und liegt bevorzugt unterhalb des charakteristischen Musters 6. Eine Signalübertragung zwischen Sendeeinheit 12 und Empfangseinheit 13 erfolgt vorteilhafterweise mittels Funkübertragung. Durch die Anordnung der Empfangseinheit 13 unterhalb des charakteristischen Musters 6 ist sichergestellt, dass durch die Empfangseinheit 13 ein Erfassen der Erfassungseinheit 4 nicht gestört ist.
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Um eine Positionsermittlung des Werkstückträgers 2 in sechs Freiheitsgraden zu ermöglichen oder zu vereinfachen weist der Werkstückträger 2 außerdem vier Höhensensoren 10 auf. Die Höhensensoren 10 sind regelmäßig um die Erfassungseinheit 4 angeordnet. Es ist vorgesehen, dass die Höhensensoren 10 einen Abstand zwischen der Referenzfläche 3 und dem Werkstückträger 2 erfassen. Dies geschieht insbesondere mittels Infrarotsensoren und / oder Lasersensoren und / oder Ultraschallsensoren und / oder Radarsensoren. Andere Sensortypen sind ebenfalls möglich. Durch die Vielzahl von Höhensensoren 10 ist neben dem Abstand des Werkstückträgers 2 zu der Referenzfläche 3 außerdem eine Verkippung des Werkstückträgers 2 relativ zu der Referenzfläche 3 bestimmbar. Somit ist eine genaue Positionsbestimmung in sechs Freiheitsgraden möglich. Die sechs Freiheitsgrade umfassen insbesondere jeweils eine Verschiebung und jeweils eine Rotation entlang bzw. um drei unabhängige Raumachsen.
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Für eine Stromversorgung der Erfassungseinheit 4, der Steuerungseinheit 5, der Beleuchtungseinheit 9, der Höhensensoren 10 und der Sendeeinheit 12 ist eine Induktionsschleife 11 vorhanden, die elektrisch mit den genannten Komponenten verbunden ist. Somit erfolgt eine Versorgung mit elektrischer Energie der genannten Komponenten derart, dass elektrische Energie kontaktlos an die Induktionsschleife 11 übertragen wird. Auf diese Weise ist eine Kabelanbindung des Werkstückträgers 2 nicht notwendig.
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Nachfolgend wird anhand der 3 und 4 erklärt, wie eine Positionsberechnung durchgeführt werden kann. Dazu ist in 3 ein charakteristisches Muster 6 gezeigt, das auf der Referenzfläche 3 angebracht ist. Das charakteristische Muster 6 ist insbesondere ein Binärmuster, das eine Vielzahl von Pixel 8 umfasst. In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das charakteristische Muster 6 insgesamt fünfundzwanzig Pixel 8 auf. Die fünfundzwanzig Pixel 8 sind entweder schwarz oder weiß ausgebildet, sodass ein binäres Muster entsteht. Für eine Speicherung des Musters ist nur ein geringer Speicheraufwand notwendig, da pro Pixel lediglich ein Bit als Speichermenge ausreicht.
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Durch das Bereitstellen eines binären Musters ist ein Erfassen durch die als Kamera ausgebildete Erfassungseinheit 4 vereinfacht, da lediglich zwei Zustände voneinander unterschieden werden müssen. So ist pro Pixel 8 lediglich zu unterscheiden, ob Pixel 8 schwarz oder weiß ist. Auf diese Weise sind Störanfälligkeiten des Erfassungsvorgangs minimiert.
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Zur Positionsbestimmung ist ein Teilabschnitt 7 des charakteristischen Musters 6 durch die Erfassungseinheit 4 erfassbar. Aus dem in 3 gezeigten charakteristischen Muster 6 lassen sich somit sechszehn Teilabschnitte 7 extrahieren, die jeweils vier Pixel umfassen und die von der Erfassungseinheit 4 erkannt werden können. Diese sind in 4 gezeigt. Durch die Wahl des charakteristischen Musters 6 ergeben sich die sechszehn Teilabschnitte 7, die jeweils unabhängig voneinander sind. Die Wahl des charakteristischen Musters 6 erlaubt somit, dass sich die Teilabschnitte 7 jeweils überlagern können, wodurch eine maximale Anzahl an Teilabschnitten 7 aus einem charakteristischen Muster 6 mit minimaler Abmessung extrahierbar ist. Somit ist eine sehr feine Positionserkennung auf einfache und kostengünstige Weise realisiert.
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Eine Position des Werkstückträgers 2 relativ zu der Referenzfläche 3 lässt sich somit durch einen Vergleich des von der Erfassungseinheit 4 erfassten Teilabschnitts 7 mit dem Referenzmuster 6 bestimmen. Dazu ist vorteilhafterweise das charakteristische Muster 6 innerhalb der Steuerungseinheit 5 gespeichert. Sobald die Steuerungseinheit 5 von der Erfassungseinheit 4 den erfassten Teilabschnitt 7 erhält, vergleicht die Steuerungseinheit 5 den Teilabschnitt 7 mit dem charakteristischen Muster 6, um denjenigen Bereich des charakteristischen Musters 6 festzustellen, der dem Teilabschnitt 7 entspricht. Eine solche Bestimmung ist eindeutig, da jeder Teilabschnitt 7 unterschiedlich von jedem anderen Teilabschnitt 7 ist. Durch Identifikation des Bereichs aus dem charakteristischen Muster 6, das dem Teilabschnitt 7 entspricht, ist eine Position der Erfassungseinheit 4 relativ zu dem charakteristischen Muster 6 und damit eine Position des Werkstückträgers 2 relativ zu der Referenzfläche 3 bekannt. Eine Höhe des Werkstückträgers 2 über der Referenzfläche 3 ist insbesondere durch einen Vergleich der Größe der erfassten Pixel 8 sowie der Pixel 8 des charakteristischen Musters 6 bestimmbar. Alternativ oder zusätzlich ist die Höhe des Werkstückträgers 2 mittels der Höhensensoren 10 bestimmbar.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass eine Vielzahl von in 3 gezeigten charakteristischen Mustern 6 auf der Referenzfläche 3 vorhanden ist. Alle diese charakteristischen Muster 6 sind bevorzugt identisch. Somit ist eine Positionsbestimmung des Werkstückträgers 2 insbesondere in zwei Schritten aufgeteilt. So ist zunächst zu bestimmen, über welchem charakteristischen Muster 6 sich der Werkstückträger 2 befindet. Anschließend ist eine Positionsbestimmung innerhalb des charakteristischen Musters 6 möglich.
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Für den ersten Schritt ist bevorzugt vorgesehen, dass die Referenzfläche 3 außerdem eine Vielzahl von Empfangseinheiten 13 aufweist, wobei jede Empfangseinheit 13 genau einem charakteristischen Muster 6 zugeordnet ist. Somit kann diejenige Empfangseinheit 13, die als Einzige ein Signal von der Sendeeinheit 12, oder ein stärkstes Signal von der Sendeeinheit 12, empfängt, als diejenige Empfangseinheit 13 angesehen werden, über deren zugeordnetem charakteristischen Muster 6 sich der Werkstückträger 2 befindet. Die Grobpositionsbestimmung des Werkstückträgers 2 erfolgt somit über die Vielzahl von Empfangseinheiten 13. Anschließend erfolgt eine Feinpositionsbestimmung wie zuvor beschrieben, mittels des charakteristischen Musters 6. Um eine Positionsermittlung zu ermöglichen, ist bevorzugt vorgesehen, dass jede Empfangseinheit 13 mittig unterhalb des zugeordneten charakteristischen Musters 6 angeordnet ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Werkstückträgersystem 1 gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind sämtliche aktiven Komponenten in dem Werkstückträger 2 integriert. Die Referenzfläche 3 muss lediglich ein charakteristisches Muster 6 sowie eine Empfangseinheit 13 aufweisen. Somit ist das für die Positionsermittlung notwendige Sensorsystem vollständig in dem Werkstückträger 2 vorhanden, wodurch das gesamte Werkstückträgersystem sehr kostengünstig bereitgestellt werden kann. Gleichzeitig ist die Positionsermittlung durch die Erfassung des charakteristischen Musters 6, das insbesondere ein Binärmuster ist, sehr einfach und zuverlässig. Außerdem ist ein Bauraum, der für die zur Positionsbestimmung notwendigen Komponenten an dem Werkstückträger 2 bereitgestellt werden muss, minimiert. Somit ist eine negative Auswirkung auf den Werkstückträger 2, insbesondere auf eine Bewegung des frei schwebenden Werkstückträgers 2, vermieden.
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5 zeigt schematisch ein erstes alternatives Ausführungsbeispiele eines Werkstückträgersystems 1. Dabei zeigen dieselben Bezugszeichen wie in 1 und 2 gleiche oder gleichartige Bauteile wie in 1 bis 4 an.
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So zeigt 5 ein Werkstückträgersystem 1 umfassend einen Werkstückträger 2 sowie eine Referenzfläche 3. Die Referenzfläche 3 ist analog wie in den 2 bis 4 dargestellt aufgebaut. Der Werkstückträger 2 umfasst eine als Kamera ausgebildete Erfassungseinheit 4. Die Erfassungseinheit 4 umfasst einen optischen Sensor 14 sowie ein Objektiv 15. Das Objektiv 15 wiederum umfasst eine Vielzahl von Linsen 20 sowie eine Lochblende 17. Dabei ist vorgesehen, dass eine Mittelachse der Lochblende 17 parallel zu den optischen Achsen der Linsen 20 ausgebildet ist.
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Dem Objektiv 15 vorgeschaltet ist eine als Strahlteiler ausgebildete Umlenkvorrichtung 16. Die optische Achse des Objektivs 15 und damit der als Kamera ausgebildeten Erfassungseinheit 4 ist insbesondere horizontal orientiert. Ein Erfassen des charakteristischen Musters 6 der Referenzfläche 3 muss jedoch aus einer vertikalen Orientierung erfolgen. Somit wird die Umlenkvorrichtung 16 verwendet, um den optischen Weg zwischen Objektiv 15 und charakteristischem Muster 6 um 90 Grad zu lenken. Durch die Umlenkvorrichtung 16 ist ermöglicht, dass sich die als Kamera ausgebildete Erfassungseinheit 4 in der horizontalen Ebene erstreckt. Somit ist eine Dicke des Werkstückträgers 2, das bedeutet insbesondere eine Abmessung senkrecht zu der Referenzfläche 3, minimiert. Gleichzeitig ist außerdem eine Schwebehöhe des Werkstückträgers 2 minimiert, das bedeutet, es ist kein minimaler Abstand zwischen Werkstückträger 2 und Referenzfläche 3 einzuhalten, um ein Erfassen des charakteristischen Musters 6 durch die Erfassungseinheit 4 zu gewährleisten.
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Die Lochblende 17 dient zum Erhöhen der Schärfentiefe. Auf diese Weise ist ermöglicht, dass ein Erfassen des charakteristischen Musters 6 durch die Erfassungseinheit 6 auch dann möglich ist, wenn der Abstand zwischen Referenzfläche 3 und Werkstückträger 2 innerhalb eines vordefinierten Intervalls variiert wird. Um eventuell durch die Lochblende 17 auftretende Helligkeitsverluste an dem optischen Sensor 14 auszugleichen, ist außerdem eine Beleuchtungsvorrichtung 9 vorhanden. Die Beleuchtungsvorrichtung 9 beleuchtet die Referenzfläche 3 über einen Diffusor 19 und über die als Strahlteiler ausgebildete Umlenkvorrichtung 16. Der Diffusor 19 dient zum erzeugen einer homogenen Beleuchtung. Außerdem ist vorgesehen, dass die Beleuchtungsvorrichtungen 9 das Licht in eine andere Seitenfläche der als Strahlteiler ausgebildeten Umlenkvorrichtung 16 einleitet, als in diejenige Seitenfläche, auf der die optische Achse des Objektivs 15 auf die als Strahlteiler ausgebildete Umlenkvorrichtung 16 trifft. Auf diese Weise ist die Erfassungseinheit 4 räumlich von der Beleuchtungsvorrichtung 9 getrennt.
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Soll die Schärfentiefe weiter erhöht werden, so wird insbesondere die Steuereinheit 5 des Trägersystems 1 zur Signalverarbeitung des fertigen Bildes des optischen Sensors 14 verwendet. Dabei ist vorgesehen, dass mittels der Steuereinheit 5 eine Regularisierung und/oder eine spezielle Faltung der Abbildungsfunktion durchgeführt werden. Wird, wie zuvor beschrieben, die Höhe des Werkstückträgers 2 über der Referenzfläche 3 bestimmt, so ist vorgesehen, dass von der Steuereinheit diese Information zur Signalverarbeitung verwendet wird. Auf diese Weise ergibt sich eine verbesserte Rekonstruktionsqualität.
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6 zeigt eine zweite Alternative des Werkstückträgersystems 1. Wiederum zeigen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichartige Bauteile wie in den 1 bis 5 an. In der in 6 gezeigten Alternative umfasst die als Kamera ausgebildete Erfassungseinheit 4 einen optischen Sensor 14 sowie ein Objektiv 15. In diesem Fall ist das Objektiv 15 derart ausgebildet, dass dieses zumindest eine Linse 20 sowie zumindest ein diffraktives optisches Element 21 umfasst. Das diffraktive optische Element 21 stellt insbesondere ein holographisches optisches Element dar. Durch den kompakten Aufbau des Objektivs 15 aufgrund der Verwendung des diffraktiven optischen Elements 21 ist ein sehr schmaler Aufbau der Erfassungseinheit 4 realisiert. Somit ist die Verwendung der zuvor beschriebenen Umlenkvorrichtung 16 nicht notwendig. Vielmehr lässt sich die Erfassungseinheit 4 in einer vertikalen Ausrichtung in dem Werkstückträger 2 vorsehen, ohne dass die Dicke des Werkstückträgers 2, das bedeutet die Abmessung des Werkstückträgers 2 senkrechts zu der Referenzfläche 3, erhöht werden muss. Somit lassen sich dieselben Vorteile wie im Bezug auf 5 beschrieben erreichen. Eine Beleuchtung der Referenzfläche 3 durch die Beleuchtungseinheit 9 erfolgt in der in 6 gezeigten Alternative vorteilhafterweise seitlich von dem optischen Sensor 14 und dem Objektiv 15.
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Schließlich zeigte 7 ein drittes alternatives Ausführungsbeispiel. Wiederum zeigen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichartige Bauteile wie in 1 bis 6. In dieser Alternative umfasst die als Kamera ausgebildete Erfassungseinheit 4 einen optischen Sensor 4 sowie eine Vielzahl von Mikrolinsen 18. Die Erfassungseinheit 4 folgt damit dem Prinzip einer Lichtfeldkamera. Über die Mikrolinsen 18 werden verschiedene Teilbilder des charakteristischen Musters 6 mit unterschiedlichen Fokuspunkt auf den optischen Sensor 14 projiziert. Das Endbild des optischen Sensors 14 wird durch verschiedene Rechenschritte innerhalb der Steuereinheit 5 generiert. Der Fokuspunkt kann dabei während der Bildverarbeitung angepasst werden. In dieser Alternative ist ein fertiges Bild erst durch diverse Rechenschritte der Steuereinheit 5 generierbar. Die benötigten Rechenschritte, um die verschiedenen Teilbilder auf dem Sensor zu dem Endgerät zusammenzusetzen, sind aus dem Stand der Technik bekannt daher wird auf eine weitere Beschreibung verzichtet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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