-
Die Erfindung betrifft einen optischen
Sensor mit einer Schutzvorrichtung gegenüber Störlicht nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, wie er beispielsweise aus der
DE 42 06 357 C1 als bekannt
hervorgeht.
-
Optische Sensoren finden im industriellen Umfeld
weite Verbreitung als Messmittel. Sie haben den Vorteil, berührungsfrei
zu messen und daher weitgehend unempfindlich gegenüber Vibrationen
zu sein sowie – aufgrund
kurzer Messzeiten – in-Prozess-Messungen im Produktionstakt
zu gestatten. Allerdings haben optische Sensoren den Nachteil, dass sie
sehr empfindlich gegenüber
Störlichteinflüssen reagieren.
Daher ist oftmals ein großer
Zusatzaufwand in der Gestaltung der Messumgebung (Abschattung der
optischen Messzelle durch Vorhänge oder
Stellwände,
Anbringen von Verdunkelungsfolie an Fenstern zum Schutz vor Sonneneinstrahlung etc.)
notwendig, um störendes
Fremdlicht von den optischen Sensoren fernzuhalten und Fehlmessungen
zu vermeiden.
-
Alternativ zu den oben erwähnten raumfesten
Schutzmaßnahmen,
die in einer Verdunkelung der gesamten optischen Messzelle bestehen,
kann der optische Sensor selbst mit einer Schutzvorrichtung versehen
werden, die ein Eindringen von Störlicht in den Messbereich des
Sensors zu unterbinden. So kann beispielweise das Spektrum der für die Messung
verwendeten Strahlung in den Infrarot-Bereich gelegt werden. Dies
hat allerdings die negative Auswirkung, dass der Sensor nun empfindlich
auf Wärmestrahlung
reagiert; außerdem
weisen die zu vermessenden technischen Objekte oftmals im Infraroten
unterschiedliche Reflexionseigenschaften auf als im sichtbaren Frequenzbereich,
so dass die Verwendung eines infrarot messenden Sensors für viele
Anwendungsfälle
nicht in Frage kommt.
-
Weiterhin ist es bekannt, wie beispielsweise in
der gattungsbildenden
DE
42 06 357 C1 beschrieben, den Sensor mit einem partiell
abschattenden Schirm zu versehen, der den Beobachtungssektor des
Sensors auf einen bestimmten Winkelbereich begrenzt und auf diese
Weise Fremdlicht, das von außerhalb
dieses Winkelbereichs auf den Sensor trifft, abhält. Wird der Sensor allerdings
zur Beobachtung eines Objekts nahe an die Objektoberfläche heranbewegt,
so besteht die Gefahr, dass der Schirm das Objekt berührt und
eventuell beschädigt
oder dass – falls
der Schirm aus einem weichen Material besteht – Teile des Schirms bei der
Berührung
mit der Objektoberfläche
in einer solchen Weise verformt werden, dass der Sichtbereich des
Sensors beeinträchtigt
wird.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, die aus der
DE
42 06 357 C1 bekannte Schutzvorrichtung zum Schutz eines
optischen Sensors gegenüber
Störlichteinflüssen in
einer solchen Weise weiterzuentwickeln, dass sie preiswert und einfach
zu handhaben ist und für
ein weites Spektrum unterschiedlicher optischer Sensoren und Messobjekte
einsetzbar ist.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
-
Danach wird der Sensor mit einer
mechanischen Schutzvorrichtung versehen, welche am Gehäuse des
Sensors befestigt ist und einen nichttransparenten Schirm umfasst.
Der Schirm besteht aus einem lichtabsorbierenden Material, ist steif
und gleichzeitig elastisch und umgibt die optische Achse des Sensors
zumindest abschnittsweise. Der Schirm ist durch Bürsten gebildet,
die am Sensorgehäuse
befestigt sind und deren Borsten vom Sensor abragen. Aufgrund seiner
Steifigkeit stehen die Borsten des Schirms – unabhängig von der räumlichen
Lage und Ausrichtung des Sensors – in einer fest vorgegebenen
Richtung vom Sensorgehäuse
ab und gewährleisten
somit eine wohldefinierte Abschattung des Messbereichs des Sensors.
Aufgrund seiner elastischen Eigenschaften passt sich der Schirm
bei Berührungen
mit dem Messobjekt der Oberflächenkontur
dieses Messobjekts an, ohne das Messobjekt zu beschädigen. Der
mit der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung
versehene Sensor ist somit einerseits gegenüber Störlicht geschützt und
kann andererseits für
eine Vielzahl von Messproblemen und Messobjekten eingesetzt werden.
-
Bei Verwendung einer solchen erfindungsgemäßen Abschirmung
des Sensors gegenüber Fremdlicht
können
erhebliche Kostenreduktionen erreicht werden, da auf aufwendige
Abschattungseinrichtungen bzw. Lichtvorhänge verzichtet werden kann.
Weiterhin ist der erfindungsgemäß gegenüber Fremdlicht
geschützte
optische Sensor in hell ausgeleuchtetem Produktionsumfeld einsetzbar
und ermöglicht
daher die optische Messung von Messbereichen, die bisher der optischen
Messung aufgrund des hohen Fremdlichtanteils nicht zugänglich waren. Dies
betrifft beispielsweise Produktionsstationen, in denen neben Messeinrichtungen
auch Prozess-Roboter im Einsatz sind. Durch Anpassung bzw. Auswechseln
des Schirms kann der Sensor schnell und unaufwendig an neue Messumgebungen
bzw. Messobjekte angepasst werden.
-
Vorzugsweise umgibt der Schirm die
optische Achse des Sensors unterbrechungsfrei (siehe Anspruch 2).
Durch einen solchen umlaufenden Schirm wird seitlich auf den Sensor
einfallendes Störlicht – unabhängig von
der Richtung des Störlichts – vom Messbereich
des Sensors abgehalten. Dies hat den Vorteil, dass der Sensor – unabhängig von
seiner räumlichen
Ausrichtung – gegenüber seitlich
einfallendem Fremdlicht jeglicher Art geschützt ist.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung ragt der Schirm näherungsweise
in Richtung der optischen Achse des Sensors vom Gehäuse ab (siehe
Anspruch 3). Dadurch wird – je
nach Abraglänge
des Schirms – auch
Störlicht,
das unter einem stumpfen Winkel auf den Sensor fällt, abgehalten, während gleichzei tig
eine Beeinträchtigung
des Messvolumens durch den Schirm vermieden wird.
-
In einer alternativen Ausgestaltung
ragt der Schirm gegenüber
der optischen Achse des Sensors schräg nach außen vom Sensorgehäuse ab (siehe Anspruch
4). Diese Ausgestaltung bringt besondere Vorteile mit sich, wenn
außerdem
die Ausdehnung des Schirms in Richtung der optischen Achse des Sensors
größer ist
als der Messabstand des Sensors (siehe Anspruch 5). In diesem Fall
wird der Sensor nämlich
zur Durchführung
einer Messung so nahe an das Messobjekt heranbewegt, dass der Schirm
das Messobjekt berührt
und sich – aufgrund
seiner Elastizität – der Oberflächenkontur
des Messobjekts anpasst. Der Öffnungswinkel
des Schirms gegenüber der
optischen Achse des Sensors stellt dabei sicher, dass der Schirm
nicht nach innen in Richtung des Messfeldes gebogen wird, sondern
vielmehr nach außen
ausweicht.
-
Wird der Sensor für mehrere unterschiedliche
Messaufgaben eingesetzt, so ist es vorteilhaft, den Schirm lösbar am
Sensorgehäuse
zu befestigen (siehe Anspruch 7). Weiterhin ist es vorteilhaft,
mehrere (alternativ zu nutzende) Schirme vorzusehen, die jeweils
auf eine bestimmte Messaufgabe bzw. Messumgebung des Sensors zugeschnitten
sind. Dann wird – je
nach Messaufgabe und Messumgebung – der auf diese Messaufgabe
bzw. Messumgebung abgestimmte Schirm am Sensorgehäuse befestigt,
so dass der Sensor für
diesen bestimmten Einsatzfall optimal geschützt ist. Kommen unterschiedliche
Sensoren zum Einsatz, so ist es vorteilhaft, alle mit demselben
Befestigungsmechanismus für
die Schutzvorrichtungen bzw. die Schirme zu versehen, so dass ein
und derselbe Schirm an verschiedenen Sensoren genutzt werden kann.
-
Im folgenden wird die Erfindung anhand
eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert; dabei
zeigen:
-
1 einen
mit einer Schutzvorrichtung gegen Störlicht geschützten Sensor
in Schnittansichten ...
-
1a ...
entlang seiner Längsachse
und
-
1b ...
entlang einer Querachse;
-
2 den
Sensor der 1 mit einem
Meßobjekt
in ...
-
2a ...
Schnittansicht entsprechend 1a und
-
2b ...
Schnittansicht entsprechend 1b.
-
1a und 1b zeigen Schnittansichten
eines erfindungsgemäßen Sensors 1 mit
einem quaderförmigen
Sensorgehäuse 2,
an dem eine Schutzvorrichtung 3 befestigt ist, welche den
Sensor 1 vor Störlichteinflüssen 4 schützt.
-
Die Schutzvorrichtung 3 umfasst
einen steifen, elastischen Schirm 5, welcher aus einem
lichtabsorbierenden Kunststoffmaterial besteht. Unter dem Begriff „lichtabsorbierend" soll dabei "verstanden werden,
dass der Schirm 5 elektromagnetische Strahlung in demjenigen
Spektralbereich absorbiert, in dem der Sensor 1 misst.
Besitzt der Sensor 1 beispielsweise seine höchste Empfindlichkeit
im Nah-Infrarotbereich und wird dieser Spektralbereich zur Messung
verwendet, so wird für
den Schirm 5 ein Werkstoff verwendet, der in diesem Spektralbereich einen
hohen Absorptionskoeffizienten hat. Es ist allerdings keineswegs
notwendig, dass der Schirm 5 das Störlicht 4 im entsprechenden
Spektralbereich vollständig
absorbiert; es ist vielmehr ausreichend, wenn der Schirm 5 die
Intensität
des störenden Fremdlichts 4 in
einem solchen Maße
schwächt,
dass aufgrund des Fremdlichteinflusses keine Fehlmessungen auftreten.
-
Der Schirm 5 ragt in einer
solchen Weise vom Sensorgehäuse 2 ab,
dass er die optische Achse 6 des Sensors 1 zumindest
abschnittsweise umgibt. Mit dem Begriff der „optischen Achse" 6 des Sensors 1 wird
hier eine Verbindungslinie zwischen dem Sensor 1 und dem
Mittelpunkt 7 des Messvolumens 8 des Sensors 1 bezeichnet.
Die hier betrachteten Sensoren 1 sind allesamt Eigenlichtsensoren, weisen
also sowohl eine Lichtquelle 9 als auch einen Lichtdetektor 10 auf.
Die „optische
Achse" 6 kann
in diesem Fall als diejenige Linie definiert werden, die den Mittelpunkt
des Sensor-Messvolumens 8 mit dem Mittelpunkt der Verbindungslinie
von Detektor 10 und Lichtquelle 9 verbindet. Als
Beispiel eines solchen Sensors ist in den Figuren ein Lichtschnittsensor
dargestellt; dieser Lichtschnittsensor verwendet als Lichtquelle 9 eine
Laserdiode, deren Lichtstrahl mit Hilfe einer Zylinderlinse strichförmig auf
geweitet wird; als Detektor 10 wird eine CCD-Kamera verwendet,
die unter einem Winkel 11 zur Abstrahlrichtung der Laserdiode 9 angeordnet
ist und mit Hilfe derer das auf einer Objektoberfläche gebildete
Projektionsmuster der strichförmig
aufgeweiteten Laserstrahlung aufgenommen wird. (Weitere optische
und elektronische Elemente des Sensors 1 wie Linsen, Stromversorgung,
Verstärker
etc. sind in den Figuren aus Gründen
der Übersichtlichkeit
weggelassen). Die „optischen
Achse" 6 verläuft in diesem
Fall entlang der Winkelhalbierenden des Winkels 11 zwischen Detektor 10 und
Lichtquelle 9. Alternativ kann als „optische Achse" 6 auch
eine Linie definiert werden, die den Mittelpunkt 7 des
Sensor-Messvolumens 8 mit dem Mittelpunkt des Sensorgehäuses 2 verbindet. Sind – wie im
Beispiel der Figuren gezeigt – Detektor 10 und
Lichtquelle 9 symmetrisch zueinander im Sensorgehäuse 2 angeordnet,
so sind diese beiden Definitionen der „optische Achse" 6 identisch.
-
Der Schirm 5 ist in einer
solchen Weise am Sensorgehäuse 2 befestigt,
dass er die optische Achse 6 des Sensors 1 umgibt.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Schirm 5 modular aufgebaut und besteht aus mehreren
Bürsten 12,
die am Außenumfang 13 des
Sensorgehäuses 2 angeordnet
sind. In dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel, in dem das
Sensorgehäuse 2 quaderförmig und der
Außenumfang 13 des
Sensorgehäuses 2 demnach
rechteckig ist, wird der Schirm 5 durch vier Leistenbürsten 12a–12d gebildet,
die jeweils seitlich am Sensorgehäuse 2 angebracht sind.
Die Breite jeder Bürste 12a–12d ist
der Breite bzw. Länge
des Sensorgehäuses 2 in
einer solchen Weise angepasst, dass die Bürsten 12a–12d die
optische Achse 6 gegenüber
Störlicht 4 aus
allen seitlichen Richtungen schützen.
-
Die Borsten 14 der Bürsten 12a–12d bestehen
aus einem lichtabsorbierenden weichen, elastischen Kunststoffmaterial
und sind gegenüber
der optischen Achse 6 des Sensors 1 um einen Winkel 15a–15d schräg nach außen gerichtet.
Der Winkel 15a–15d liegt
vorzugsweise zwischen 5° und
45°. Die
Länge 16a–16d der
Borsten 14 auf den unterschiedlichen Bürsten 12a–12d kann
unterschiedlich sein und ist so bemessen, dass sie näherungsweise gleich
oder länger
ist als der Messabstand 18 zwischen dem Messvolumen 8 und
dem Sensorgehäuse 2.
Die Borsten 14 der Bürsten 12a–12d umgeben
somit das Messvolumen 8 ringförmig und sind so angeordnet,
daß sie
das Messvolumen 8 des Sensors 1 nicht beeinträchtigen.
-
Das Material, die Beborstung und
die Elastizität
der Borsten 14 jeder Bürste 12a–12d kann
individuell ausgelegt werden und kann insbesondere der zu vermessenden
Oberfläche
(blankes Metall, Kunststoff, lackierte Oberfläche etc.) angepasst werden. Erfahrungsgemäß kann mit
einer dreireihigen Beborstung der Bürsten 12 ein im wesentlichen
lichtdichter Schirm 5 erzeugt werden.
-
Wird nun mit dem Sensor 1 eine
Messung durchgeführt,
so wird der Sensor 1 so weit an das Messobjekt 19 (beispielsweise
einen Bereich einer Karosserie 20) heranbewegt, bis die
zu messende Oberfläche 21 des
Messobjekts 19 im Messvolumen 8 des Sensors 1 liegt.
Dies ist in 2a und 2b dargestellt. Da die elastischen
Borsten 14 des Schirms 5 relativ zur optischen
Achse 6 des Sensors 1 schräg nach außen abragen, werden die Borsten 14 beim Auftreffen
auf die Oberfläche 21 nach
außen
gebogen. Die Borsten 14 legen sich bei einer weiteren Annäherung des
Sensors 1 an die Oberflächen 21 an und
gleiten nach außen
weg. Die Borsten 14 bilden somit einen lichtundurchlässigen Vorhang,
der einerseits den Messbereich 8 des Sensors 1 nach
allen Seiten hin umgibt und somit das Eintreten von Störlicht 4 verhindert,
andererseits aber den Messbereich 8 nicht beeinträchtigen.
Durch einen Testbetrieb kann der Anstellwinkel 15a–15d,
die Borstenlänge 16a–16d dem
Messobjekt angepasst werden. Sollten sich in einer Anwendung Lichtdurchlässigkeiten
des Schirms 5 ergeben, können diese durch eine gezielte Ergänzung weiterer
Borstenreihen bzw. weiterer Einzelbürsten 12 abgeschattet
werden.
-
Andere Formen des Sensorgehäuses 2 (wie z.B.
ovale oder runde Formen) können
durch stückweise
angebrachte gerade Leistenbürsten
oder durch Bürsten 12 mit
angepassten Bürstenkörpern abschirmen.
Für zylindrisch
geformte Sensorgehäuse 2 können beispielsweise
kreisförmig
gebogene Leistenbürsten
verwendet werden, die – ebenso
wie die geraden Leistenbürsten – preiswert
kommerziell erhältlich
sind.
-
Alternativ zu dem in den Figuren
gezeigten Ausführungsbeispiel,
bei dem der Schirm 5 am Außenumfang 13 des Sensorgehäuses 2 befestigt
ist, kann der Schirm 5 auch an der Frontfläche 22 des Sensorgehäuses 2 befestigt
sein; wichtig ist dabei nur, dass der Schirm 5 an einer
solchen Stelle angebracht ist und in einer solchen Weise abragt,
dass er den optischen Strahlengang des Sensors 1 nicht
beeinträchtigt.
Weiterhin kann die Länge 16a-16d des Schirms 5 kürzer sein
als der Messabstand 18; in diesem Fall schließen die
Borsten 14 das Messvolumen 8 nicht – wie in 2a und 2b gezeigt – vollständig ein, sondern bilden eine
Blende, die zwar große
Teile des Störlichts 4 abschattet,
aber keinen geschlossenen Vorhang um das Messvolumen 8 bildet.
-
Zur Befestigung der Bürsten 12 am
Sensorgehäuse 2 weist
die Schutzvorrichtung 3 im vorliegenden Ausführungsbeispiel
elastische Schlitze 23 auf, in die die Bürsten 12 des
Schirms 5 eingeschoben werden. Dies hat den Vorteil, dass
die Bürsten 12 lösbar am
Sensorgehäuse 2 befestigt
sind, so dass sie – beispielsweise
bei einer Beschädigung
einer Bürste 12 – schnell
ausgewechselt werden können. Weiterhin
können – je nach
Messproblem – in
die verschiedenen Schlitze 23 unterschiedliche Bürsten 12 eingeschoben
werden, so dass beispielsweise bei Vermessung einer stark gegenüber dem
Sensor 1 geneigten Oberfläche 21 – wie in
den Figuren dargestellt – auf
der einen Seite des Sensorgehäuses 2 eine
Bürste 12a verwendet
wird, deren Borsten länger
sind als die Borsten der Bürste 12b auf
der gegenüberliegenden
Seite.
-
Im Regelfall sind im Fabrikumfeld
eine Vielzahl unterschiedlicher optischer Sensoren 1 im Einsatz;
werden diese unterschiedlichen optischen Sensoren 1 alle
mit ähnlich
aufgebauten Schutzvorrichtungen 3 mit analog geformtem
elastischem Schlitz 23 versehen, so können die Bürsten 12 variabel
zwischen den unterschiedlichen Sensoren 1 ausgetauscht
werden. In diesem Fall kann daher ein Standardsatz von Bürsten 12 unterschiedlicher
Länge und
Breite verwendet werden, welche – je nach Messproblem – in die
Schlitze 23 des jeweils zum Einsatz kommenden Sensors
1 eingeschoben
werden. Ein modularer Aufbau der Schirme 5 aus mehreren
Standardteilen (Bürsten 12 mit
unterschiedlicher Borstenlänge)
hat somit den Vorteil, eine große
Zahl variabler Schutzvorrichtungen 3 für unterschiedliche Sensortypen
und unterschiedliche Messprobleme zu ermöglichen, welche frei miteinander
kombinierbar sind.
-
Alternativ zu dem Einschieben der
Bürsten 12 in
elastische Schlitze 23 auf den Schutzvorrichtungen können die
Bürsten 12 auch
an das Sensorgehäuse 2 angeschraubt
werden. Sollen die Bürsten 12 unlösbar mit
dem Sensorgehäuse 2 verbunden
werden, so können
sie angeklebt werden.
-
Neben der in den Figuren gezeigten
Ausgestaltung des Schirms 5 als mehrere Bürsten 12 kann der
Schirm 5 auch durch nebeneinander angeordnete, überlappende
Streifen aus einem weichen Kunststoff, insbesondere Gummi, gebildet
sein. Kommt das Störlicht 4 ausschließlich aus
einer bestimmten Richtung, so braucht der Schirm 5 die
optische Achse 6 des Sensors 1 nicht umlaufend
zu umgeben, sondern braucht nur in dem Bereich vorgesehen zu werden,
der zwischen dem Sensor 1 und der Störlichtrichtung liegt, so dass
das Störlicht 4 in
diesem Fall gezielt richtungsabhängig
abgeschattet wird.
-
Neben Lichtschnittsensoren ist die
Erfindung auch auf andere optische, mit Eigenlicht arbeitende Sensoren
anwendbar, beispielsweise auf Streifenprojektions-Sensoren sowie
auf bildgebende Sensoren. Weiterhin braucht das Sensorgehäuse 5 nicht unbedingt
die in den Figuren gezeigte kastenförmige Gestalt zu haben; vielmehr
sollen unter „Sensorgehäuse" auch beliebig geformte
Platten, Rahmen etc. verstanden werden, die geeignet sind, Lichtquelle 9 und
Detektor 10 relativ zueinander zu fixieren.