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Fotoelektrisches, Lichtsender und -empfänger enthaltendes Raumabtastgerät
(Lichtvorhang) nach dem Autokollimationsprinzip In der Automatisierungstechnik spielt
an bestimmten Fertigungsstationen die Erkennung von ankommendem oder abgehendem
Gut eine entscheidende Rolle. In den meisten Fällen muß die Materialerfassung berührungslos
erfolgen, was durch Einsatz von optoelektronischen Geräten, z. B. Lichtschranken,
gewährleistet wird. Häufig ist jedoch die Ortslage des Gutes nicht eindeutig definiert,
so daß der verhältnismäßig dünne Lichtstrahl der Lichtschranke das beispielsweise
seitlich verschobene Gut nicht erfassen kann. In solchen Fällen bedient man sich
zur Erkennung und Signalisierung von Objekten innerhalb eines weiteren Überwachungsbereichs
eines bekannten fotoelektrischen, Lichtsender und -empfänger enthaltenden Raumabtastgeräts,
das nach dem Autokollimationsprinzip mit bewegbarem, an einem Rückstrahler totalreflektierten
optischen Fahrstrahl (Lichtvorgang) arbeitet. Bei diesem optoelektronischen Verfahren
wird der feine Lichtstrahl des Lichtsenders durch schnelles Hin- und Herbewegen
in ein breites vorhangartiges Lichtband gedehnt, so daß die gesamte Breite der Förderstrecke
oder des Förderbandes, auf dem die Gutteile oder Objekte bewegt werden, überwacht
werden kann. Bei der Anwendung solcher Lichtvorhänge ergeben sich jedoch bei der
Materialerfassung Schwierigkeiten dann, wenn der zu erfassende Gutkörper selbst
Licht hinreichender Intensität emittiert.
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Demgemäß befaßt sich die vorliegende Erfindung mit der Aufgabe, die
bekannten Lichtvorgänge dahingehend abzuwandeln und zu verbessern, daß sowohl eigenstrahlendes
Gut als auch nichtstrahlendes Gut erfaßt und sein Durchgang signalisiert werden
kann.
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Die Erfindung betrifft somit ein fotoelektrisches, Lichtsender und
-empfänger enthaltendes Raumabtastgerät (Lichtvorgang) nach dem Autokollimationsprinzip
mit bewegbarem, an einem Rückstrahler totalreflektierten optischen Fahrstrahl zur
Erkennung und Signalisierung von Objekten innerhalb eines weiten Überwachungsbereichs,
und die Erfindung besteht darin, daß im Strahlengang des Fahrstrahls ruhende Mittel
zur periodischen Strahlunterbrechung vorgesehen sind.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Reflexionsfläche
des Rückstrahlers eine aus schmalen, abwechselnd aus lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen
Streifen bestehende Rasterblende vorgeschaltet, durch die das auffallende Gleichlicht
- ausschließlich durch die Fahrstrahlbewegung - in zum Lichtempfänger hin reflektiertes
Wechsellicht umgewandelt wird. Rückstrahler und Rasterblende können zu einer Baueinheit
vereinigt sein, indem z. B. die Arbeitsfläche des plattenförmigen Rückstrahlers
in abwechselnd totalreflektierende und nichtreflektierende Streifen gerastert wird.
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Der erfindungswesentliche Gedanke, das Gleichlicht des Lichtsenders
mittels des sich schnell bewegenden Fahrstrahls in Verbindung mit der Rasterblende
in den-Lichtempfänger (Fotozelle, Fotodiode, Fotowiderstand) beaufschlagendes Wechsellicht
umzuwandeln, fußt auf der Erkenntnis, daß es zur Lösung der gestellten Überwachungsaufgabe
lediglich erforderlich ist, festzustellen, ob während einer Periodendauer t des
Wechsellichts jeder Abdunkelung des Lichtempfängers unmittelbar eine Belichtung
folgt und umgekehrt. Ist der Gutkörper, welcher in den Strahlengang einläuft, -
ein Eigenstrahler, so fehlt nämlich an der betreffenden Stelle die Abdunkelung der
Fotozelle, handelt es sich dagegen um einen Nichtstrahler; so fehlt die Belichtung.
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Von nicht zu vernachlässigender Bedeutung ist der der Erfindung anhaftende
Umstand, daß nicht der Lichtstrahl des Lichtsenders an seiner Quelle unterbrochen
wird, sondern daß eine -periodische Unterbrechung des Fahrstrahls mit ruhenden Mitteln
nahe der Reflexionsstelle erfolgt. Das hat den Vorteil, daß aufwendige Mittel zur
periodischen Tastung der Lichtquelle entbehrlich sind. Auf diese Weise können erhebliche
Schwierigkeiten umgangen werden: Besteht nämlich der Lichtsender aus einer leistungsstarken
Niedervoltglühlampe, dann würden höherfrequente periodische Stromunterbrechungen
des Glühlampenstromkreises wegen der Trägheit der Glühlampe keine hinreichenden
Lichtintensitätsänderungen zur Folge haben. Würde man dagegen an Stelle der Glühlampe
eine praktisch trägheitslos arbeitende Glimmlampe verwenden, so würde deren
Lichtintensität
für den Anwendungszweck unzureichend sein, und eine weitere Möglichkeit, den Lichtstrahl
an der Sendestelle durch eine rotierende Loch- oder Schlitzscheibe zu unterbrechen,
würde zusätzliche motorische Antriebsmittel für die Lochscheibe erfordern. Die der
Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis, daß sich der bewegende und über die Rasterblende
geführte Fahrstrahl selbst ohne besonderes Zutun zur Erzeugung der gewünschten periodischen
Lichtintensitätsänderungen eignet, setzt den zur Lösung der eingangs umrissenen
Aufgabe erforderlichen Aufwand in vorteilhafter Weise weitgehend herab.
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Ausführungsbeispiele und weitere Merkmale der Erfindung seien nachstehend
an Hand von 4 Figuren näher erläutert.
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F i g. 1 veranschaulicht das fotoelektrische, Lichtsender und -empfänger
enthaltende Raumabtastgerät (Lichtvorhang), das nach dem Autokollimationsprinzip
mit bewegbarem, an einem Rückstrahler totalreflektierten optischen Fahrstrahl arbeitet.
Das veranschaulichte Bauelement B möge zunächst als nicht vorhanden angesehen werden
und außer Betracht bleiben. Der Lichtstrahl einer Lichtquelle Q, z. B. einer lichtstarken
Niedervoltglühlampe, gelangt über ein nicht näher veranschaulichtes Linsensystem
durch ein Loch L zum Brennpunkt O des innenverspiegelten parabolischen Reflektors
P und wird an einer Spiegelfläche des um seine Achse A drehbeweglichen Polygonspiegels
S über den halbdurchlässigen Hilfsspiegel Sp zum Punkt C des Parabolspiegels P geführt.
Durch abermalige Reflexion gelangt der Lichtstrahl vom Punkt C zur Stelle D des
entfernt angeordneten Reflektors R, der den auffallenden Lichtstrahl totalreflektiert,
so daß dieser zurück zum Punkt C und von dort an der Stelle G des haldurchlässigen
Spiegels Sp auf den Lichtempfänger E, z. B. eine Fotozelle, eine Fotodiode oder
einen Fotowiderstand, geworfen wird. Befindet sich im Bereich des Taststrahls
CD ein nicht selbstleuchtendes Objekt, so ist der Strahlengang zum Lichtempfänger
E unterbrochen, was durch dem Lichtempfänger E nachgeschaltete Auswertmittel wahrnehmbar
gemacht werden kann. Wird der Polygonspiegel S in schnelle Rotation versetzt, so
wandert der durch die Punkte CD definierte Strahl F zwischen den Begrenzungen
F, und F2, wobei sich der Punkt C längs der Oberfläche des Parabolspiegels P zwischen
den Grenzpunkten H und 1 verschiebt. Der Fahrstrahl F ist dann in der Lage, alle
Objekte, soweit sie nicht selbstleuchtend sind, in dem gesamten Erfassungsbereich
zwischen den Grenzlinien F, und F2 zu orten. Durch entsprechende Drehgeschwindigkeit
des Polygonspiegels S gelingt es, den Fahrstrahl F etwa 100mal in der Sekunde den
angegebenen Bereich durcheilen zu lassen. Ist das zu ortende Objekt dagegen ein
Eigenstrahler mit einer Lichtintensität, die etwa der Intensität des reflektierten
Fahrstrahls entspricht, so ist eine Ortung des Objektes mit Hilfe des Lichtempfängers
E nicht möglich. Die Erfindung schafft hier Abhilfe, indem sie lehrt, vor den Reflektor
R eine Rasterblende B aus abwechselnd lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen
Streifen anzuordnen. Die durchlässigen Rasterstreifen sind mit K, die lichtundurchlässigen
mit U bezeichnet. In der F i g. 2 ist diese Rasterblende nochmals in einer Aufsicht
dargestellt, sie besteht z. B. aus einer Glasplatte mit geschwärzten Streifen U.
Die Stegbreite der geschwärzten Streifen U und der lichtdurchlässigen Streifen K
ist gleichartig und dem gewünschten Auflösungsvermögen entsprechend gewählt. Dieses
Auflösungsvermögen ist um so größer, je schmaler die Stege gewählt sind; Fahrstrahlbewegungsgeschwindigkeit,
Rasterstegbreite und Lichtintensität der Sendelichtquelle Q sind zur Erzielung eines
hinreichenden Wirkungsgrades aufeinander abzustimmen.
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Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird der senderseitig erzeugte
Fahrstrahl F, der Gleichlicht führt, bei der Reflexion am Reflektor R mittels der
Blende B im Wechsellicht zerhackt, das den Lichtempfänger E beaufschlagt. Der Lichtempfänger
E wird somit - bei freiem Strahlengang - periodisch belichtet und verdunkelt. Die
überwachung durch nachfolgende elektronische Bauelemente kann sich also prinzipiell
darauf erstrecken, festzustellen, ob während einer Periodendauer t dieses Wechsellichtes
jeder Abdunkelung der Fotozelle unmittelbar eine Belichtung folgt und umgekehrt.
Der Lichtempfänger E wird aber nur dann während jeder Periode t abwechselnd belichtet
und verdunkelt, wenn sich im Strahlengang des Überwachungsbereichs kein Objekt befindet.
Befindet sich ein Eigenstrahler im Strahlengang, so fehlt an der betreffenden Stelle
der Periode t die Abdunklung des Lichtempfängers, ist das Objekt dagegen ein Nichtstrahler,
so fehlt die folgende Belichtung.
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Der Belichtungszustand des Lichtempfängers E ist in der F i g. 3 näher
veranschaulicht. Der Hell-Dunkel-Zustand der Fotozelle ist darin durch Stromsignalamplituden
gekennzeichnet, und zwar ist der Zustand »Fotozelle belichtet« durch h (hell), der
Belichtungszustand »Fotozelle unbelichtet« durch d (dunkel) bezeichnet. Im Grunde
genommen sind die von der Fotozelle, der Fotodiode bzw. dem Fotowiderstand E abgegebenen
Strom- bzw. Spannungsimpulse nicht rechteckförmig, aber durch der ZelleE nachgeschaltete
Impulsformerstufen ist die Umformung der von der Fotozelle abgegebenen Spannungen
in Rechtecksignale ohne weiteres möglich. Befindet sich in dem zu überwachenden
Lichtweg kein zu ortendes Objekt, ist also der Lichtweg frei, dann ergeben sich
Impulsfolgen, wie sie in der F i g. 3, a gezeigt sind. Während der Überwachungszeit
T1 eines Überwachungszyklus T, der sich aus der überwachungszeit T, und der Wartezeit
T2 zusammensetzt, folgen daher abwechselnd die Signalzustände d (dunkel) und h (hell)
lückenlos aufeinander. Nach Ablauf der Wartezeit T2, in der die Fotozelle verdunkelt
ist, folgt dann unmittelbar anschließend eine neue überwachungszeit T,, innerhalb
der während jeder Periode t des Wechsellichts ein Signalwechsel erfolgen muß. Befindet
sich dagegen ein Eigenstrahler im Lichtweg (F i g. 3, b), so erfolgt bei Ortung
des hellstrahlenden Objektes innerhalb der Überwachungszeit T, während einer
bestimmten Periode t
des Wechsellichts keine Verdunklung der Fotozelle. Befindet
sich dagegen ein Nichtstrahler im Lichtweg (F i g. 3, c), so fehlt während der betreffenden
Periodendauer die Hellsteuerung der Zelle. In den F i g. 3, b und 3, c sind diese
Stellen des veranschaulichten Impulsbildes durch Pfeile hervorgehoben.
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Die Auswertung der charakteristischen Veränderungen des Signalzustandes
an der Fotozelle E (F i g. 1) kann durch der Fotozelle nachgeschaltete kontaktlose
logische Steuerbausteine erfolgen, die den
Wechsel der Signalzustände
am Ausgang der Fotozelle ständig überwachen und ausgangsseitig dann und nur dann
ein Steuersignal abgeben, wenn der periodisch wechselnde Signalablauf am Ausgang
der Fotozelle durch Ausfall eines Dunkel- oder Hellsignals gestört ist, sich also
ein selbststrahlendes oder nichtstrahlendes Objekt im Lichtweg befindet. Ein solches
Steuersignal am Ausgang der Auswertbausteine entspricht also der Meldung: »Objekt
(Nichtstrahler oder Eigenstrahler) im Strahlengang«. Ein solches Steuersignal wird
übrigens als Dauersignal dann auftreten, wenn einer der überwachungsbausteine defekt
geworden ist, sei es die Fotozelle, die Signalformerstufe oder eine der Signalauswertstufen.
Auch die Lichtquelle Q (F i g. 1) und der Bewegungsmechanismus für den Polygonspiegel
S werden hierbei mitüberwacht. Die gesamte Geräteanordnung ist daher in vorteilhafter
Weise eigensicher.
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Die der Fotozelle E (F i g. 1) nachgeschalteten Impulsformungs- und
überwachungsschaltmittel zur überwachung der Abweichung der Ausgangssignalfolge
der Fotozelle von der periodischen Hell-Dunkel-Signalfolge sind in der F i g. 4
veranschaulicht. Die normalerweise, bei freiem Lichtweg, mit Wechsellicht beaufschlagte
FotozelleE, deren Speisestromkreis erfindungsunwesentlich ist, gibt ihre Ausgangswechselstromsignalfolge
Ei auf die impulsformende Grenzwertstufe Gr nach Art eines Schmitt-Triggers und
formt sie in streng rechteckförmige Ausgangssignale Ai der Periodendauer t um. Der
Ausgang der Grenzwertstufe Gr speist direkt die hgfiflSdni- enÖSßyGx33 umlhwy umlhwy
umlhwym Eingänge der beiden Zeitkippstufen K1 und K2 sowie über die Umkehrstufe
N1 die Eingänge der beiden Zeitkippstufen K, und K4. Die Zeitkonstantenglieder der
Zeitkippstufen K1 bis K4 sind paarweise unterschiedlich gewählt. So beträgt sowohl
die Eigenzeit KZ der Kippstufe K1 als auch der Kippstufe K3 : KZ = 2/s t und die
Eigenzeit sowohl der Kippstufe K2 als auch der Kippstufe K4 : Kz = 1/4 t, wobei
mit t wiederum die Periodendauer des Wechsellichts bzw. der ImpulseAi bezeichnet
ist. Der Ausgang der Kippstufe K1 ist über die Umkehrstufe N2 mit dem einen Eingang
des Undgatters X1 verbunden, während der Ausgang der Kippstufe K3 über die Umkehrseite
N3 mit dem einen Eingang eines weiteren Undgatters X2 verbunden ist. Die Ausgänge
der Kippstufen K2 und K4 belegen einerseits den Setzeingang und andererseits den
Löscheingang einer Gedächtnisstufe Ml, deren Ausgänge jeweils mit den zweiten Eingängen
der Undgatter X1 bzw. X2 verbunden sind. Die Ausgänge der Undgatter X1 und X2 sind
über ein Odergatter 01 zusammengefaßt, das über eine Leistungsstufe P1 den
nicht gezeigten Signalsteuerkreis bzw. die ebenfalls nicht veranschaulichten nachfolgenden
befehlverarbeitenden Elemente beeinflußt. Es bedarf keiner näheren Erläuterung,
daß eine Steuersignalgabe am Ausgang der Leistungsstufe P1 nicht erfolgt, solange
- bei freiem Lichtweg - die Ausgangssignale der Fotozelle E bzw. des Grenzwertmelders
Gr innerhalb einer Periode t ihren Signalzustand verändern. Dagegen erfolgt sofort
eine Signalgabe am Ausgang der Leistungsstufe P1, sobald, aus welchen der geschilderten
Gründe auch immer, innerhalb einer Periode t einer der beiden Signalzustände
h bzw. d aufrechterhalten bleibt.