DE19508397A1 - Optoelektronische Vorrichtung zum Erkennen von Marken - Google Patents
Optoelektronische Vorrichtung zum Erkennen von MarkenInfo
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- G06K7/10821—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by electromagnetic radiation, e.g. optical sensing; by corpuscular radiation by scanning of the records by radiation in the optical part of the electromagnetic spectrum further details of bar or optical code scanning devices
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Hauptpatent . . . /Patentan
meldung P 44 24 008.2-53.
Dort sind an einem Zielobjekt Referenz-Marken angeordnet, in deren Konstrast
mustern die Positionen der Referenz-Marken kodiert sind. Wird ein Objekt, auf
dem die optoelektronische Vorrichtung installiert ist, an dem Zielobjekt vorbei
bewegt, trifft der Sendelichtstrahl der Vorrichtung auf die Referenz-Marken. In
der Auswerteeinheit wird die in den Empfangssignalen enthaltene Ortsinforma
tion über die Referenz-Marken dekodiert und zur Positionierung des Objekts
relativ zum Zielobjekt verwendet.
Auf diese Weise können mit der optoelektronischen Vorrichtung nicht nur Ob
jekte identifiziert, sondern auch relativ zu Zielobjekten ausgerichtet werden.
Durch eine geeignete Ausbildung der Referenz-Marken kann diese Positionie
rung sehr genau erfolgen. Zudem kann in den Referenz-Marken deren Absolut
ort kodiert sein. Dadurch kann ein fortlaufendes Ausrichten des Objekts be
züglich eines vorgegebenen Fixpunktes vermieden werden.
Die Referenz-Marken können ohne großen Aufwand an den Zielobjekten ange
bracht werden. Bei Bedarf können die Referenz-Marken einfach ausgetauscht
oder versetzt werden. Dies gewährleistet eine hohe Flexibilität und einfache
Handhabbarkeit beim Installieren der Vorrichtung. Zudem sind die Referenz-
Marken kostengünstig herstellbar.
Mittels der Vorrichtung erfolgt eine Positionierung in einer vorgegebenen
Raumrichtung.
Der Erfindung liegt in Weiterbildung des Gegenstands des Hauptpatents die Auf
gabe zugrunde, eine Positionierung der Vorrichtung relativ zu einem Zielobjekt
in zwei Raumrichtungen zu gewährleisten.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.
Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin
dung sind in den Ansprüchen 2-7 beschrieben.
Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnung erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 Ein Prinzipaufbau der optoelektronischen Vorrichtung,
Fig. 2 eine auf einem Regalbediengerät angeordnete optoelektronische
Vorrichtung vor einem Regallager,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Referenz-Marke.
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel zweier in einem Rahmen angeordneter
Testmarken.
In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau einer optoelektronischen Vorrichtung 1 zum
Erkennen von mit definierten Kontrastmustern versehenen Marken dargestellt.
Die Marken können beliebige Folgen und Formen von aneinander angrenzenden
Hell-Dunkelflächen, vorzugsweise Schwarz-Weiß-Flächen, aufweisen. Insbeson
dere können die Marken von Barcodes 2 gebildet sein. Die Barcodes 2 bestehen
im wesentlichen aus einer Folge von schwarzen und weißen Strichelementen 2a,
b definierter Länge und Breite.
Die optoelektronische Vorrichtung 1 besteht im wesentlichen aus einem Sende
element 3, einem Empfangselement 4 sowie einer Auswerteeinheit 5. Das Sen
deelement 3 besteht aus einem Sender 6, vorzugsweise einer Laserdiode, sowie
aus einer dem Sender 6 vorgeschalteten Sendeoptik 7 zur Fokussierung des Sen
delichts 8. Das fokussierte Sendelicht 8 wird über eine Ablenkeinheit 9, die im
vorliegenden Ausführungsbeispiel von einem rotierenden Polygonspiegelrad ge
bildet ist, abgelenkt und über den zu detektierenden Barcode 2 geführt. Die
Drehachse des Polygonspiegelrads ist senkrecht zur in Fig. 1 dargestellten
Äquatorialebene des Polygonspiegelrads angeordnet.
Das vom Barcode 2 reflektierte Empfangslicht 10 wird über das Polygonspiegel
rad zum Empfangselement 4 geführt. Das Empfangselement 4 besteht aus einer
Photodiode 11, in der das Empfangslicht 10 in ein elektrisches Empfangssignal
gewandelt wird, und einem dieser nachgeschalteten Verstärker 12. Zur Verbes
serung der Nachweisempfindlichkeit ist dem Empfangselement 4 eine Emp
fangsoptik 13 vorgeschaltet.
Das am Ausgang des Empfangselements 4 anstehende Empfangssignal wird der
Auswerteeinheit 5 zugeführt. Die Auswerteeinheit 5 Weist eine Schwellwertein
heit auf, mittels derer die Empfangssignale der Hellflächen von den Empfangs
signalen der Dunkelflächen der Marken getrennt werden.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung der optoelektronischen Vorrichtung i an einem be
weglichen Objekt, das als Regalbediengerät 14 ausgebildet ist. Das Regalbedien
gerät 14 wird vorzugsweise auf nicht dargestellten Schienen an einer Regalwand
15 vorbeibewegt. Das Regalbediengerät 14 muß möglichst exakt vor einem be
stimmten Regalfach 16 der Regalwand 15 positioniert werden, damit anschließend
mit dem Regalbediengerät 14 selbsttätig Werkstücke aus dem Regalfach 16
entnommen bzw. in das Regalfach 16 eingelagert werden können. Hierzu weist
das Regalbediengerät 14 nicht dargestellte Greifarme auf. Die Greifarme sind
mit der Vorrichtung 1 starr verbunden und höhenverstellbar am Regalbedienge
rät 14 gelagert. Die geforderte Genauigkeit, mit der das Regalbediengerät 14 vor
den einzelnen die Zielobjekte bildenden Regalfächern 16 positioniert werden
muß, beträgt typischerweise ± 1 mm.
Die Positionierung des Regalbediengerätes 14 erfolgt mittels der optoelektroni
schen Vorrichtung 1. Deren Sendelichtstrahl 8 ist auf die Regalwand 15 gerich
tet. Während der Vorbeifahrt des Regalbediengerätes 14 an der Regalwand 15
wird der Sendelichtstrahl 8 über Referenz-Marken 17a, b geführt, die an den
einzelnen Regalfächern 16 angebracht sind.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden zwei unterschiedliche Typen von
Referenzmarken 17a, b verwendet, nämlich Referenz-Marken zur Grob- 17a
bzw. Feinpositionierung 17b des Regalbediengerätes 14 vor einem Regalfach
16.
Die Regalfächer 16 der Regalwand 15 sind identisch ausgebildet und in hori
zontaler und vertikaler Richtung aneinandergereiht. Ihre Frontseiten weisen
rechteckige Querschnitte auf. Zur Unterscheidung der Regalfächer 16 sind diese
in horizontaler und vertikaler Richtung jeweils mit einer fortlaufenden Nummer
gekennzeichnet.
Die Referenz-Marken 17a zur Grobpositionierung sind als Referenz-Barcodes
ausgebildet. In den Strichmustern der Referenz-Barcodes sind die Nummern der
Regalfächer kodiert. Vorzugsweise wird eine vierstellige Dezimalzahl zur Kenn
zeichnung der Regalfächer 16 verwendet, wobei die ersten beiden Ziffern die
Numerierung der Regalfächer 16 in vertikaler und die letzten beiden Ziffern die
Numerierung in horizontaler Richtung beinhalten.
Die Referenz-Barcodes sind an einem seitlichen Rand sowie am unteren Rand
eines jeden Regalfaches 16 angeordnet. Dabei sind die Strichmuster der Refe
renz-Barcodes senkrecht zur Bewegungsrichtung des Sendelichtstrahls 8 ange
ordnet. Im vorliegenden Fall erfolgt die Abtastung der Referenz-Marken 17a, b
durch einen in vertikaler Richtung verlaufenden Sendelichtstrahl 8. Bei dieser
Anordnung der optoelektronischen Vorrichtung 1 werden lediglich die an den
unteren Rändern der Regalfächer 16 angeordneten Referenzmarken 17a, b zur
Positionierung verwendet. Dieser Fall soll im folgenden betrachtet werden. Alter
nativ kann die Abtastebene des Sendelichtstrahls 8 um 90° gedreht sein, so daß
der Sendelichtstrahl 8 in horizontaler Richtung geführt wird. In diesem Fall
werden die an den seitlichen Rändern der Regalfächer 16 angeordneten Refe
renz-Marken 17a, b zur Positionierung verwendet.
Die Kontrastmuster der Referenz-Marken 17b zur Feinpositionierung weisen in
Längsrichtung eine eindeutige Ortsabhängigkeit auf. Ein Beispiel hierfür ist in
Fig. 3 dargestellt. Die Referenz-Marke 17b ist in Längsrichtung in mehrere Seg
mente unterteilt, wobei jedes der Segmente nur einmal im Kontrastmuster vor
kommt. Die Segmente selbst bestehen aus einer Folge von schwarzen und
weißen Strichelementen unterschiedlicher Breite. Der Sendelichtstrahl 8 ist
durch die Ablenkeinheit 9 zur Längsachse der Referenz-Marke 17b geführt. Um
dies zu gewährleisten wird die Vorrichtung 1 von Inbetriebnahme justiert.
Die Breiten der Segmente nehmen zum Mittelpunkt der Referenz-Marke 17b ab.
Die Anzahl und Breiten der Segmente sind symmetrisch zum Mittelpunkt der
Referenz-Marke 17b. Die Breite des zentralen Segments ist an die geforderte
Ortsauflösung angepaßt. Für eine geforderte Ortsauflösung von ± 1 mm beträgt
die Breite des zentralen Segments 2 mm.
Die Referenz-Marken 17b zur Feinpositionierung sind jeweils zwischen zwei
Referenz-Marken 17a zur Grobpositionierung angeordnet.
Anhand des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels wird im folgenden die
Positionierung des vom Regalbediengerät 14 gebildeten Objekts relativ zu den
von den Regalfächern 16 gebildeten Zielobjekten beschrieben. Die Aufgabe bei
der Positionierung besteht darin, das Regalbediengerät 14 mit hoher Genauigkeit
zu einem Regalfach 16 mit vorgegebener Nummer zu positionieren. Dabei wird
zunächst die Positionierung in Fahrtrichtung des Regalbediengeräts 14 erläutert.
Während einer ersten Phase wird das Regalbediengerät 14 mit relativ hoher Ge
schwindigkeit an den Regalfächern 16 vorbeibewegt. Die optoelektronische Vor
richtung 1 registriert fortlaufend die von den Referenz-Marken 17a, b stam
menden Empfangssignale und übermittelt die Positionsdaten an eine nicht darge
stellte zentrale Rechnereinheit im Regalbediengerät 14, vorzugsweise eine SPS-
Steuerung.
Während dieser Phase werden allein die von den Referenz-Marken 17a zur
Grobpositionierung stammenden Daten in der Rechnereinheit ausgewertet. An
hand der registrierten Nummern der Regalfächer 16 kann erkannt werden, wie
weit sich das Regalbediengerät 14 dem Zielobjekt genähert hat.
Sobald das letzte Regalfach 16 vor dem das Zielobjekt bildenden Regalfach 16
erreicht ist, wird die Geschwindigkeit des Regalbediengeräts 14 drastisch redu
ziert.
In der nun beginnenden zweiten Phase wird das Regalbediengerät 14 auf das
Zielobjekt exakt ausgerichtet. Hierfür werden vorrangig die von den Referenz-
Marken 17b zur Feinpositionierung stammenden Signale benötigt. Der anzusteu
ernde Zielort ist dann erreicht, wenn die optoelektronische Vorrichtung 1 auf
das Zentrum der Referenz-Marke 17b in dem Regalfach 16 mit der als Ziel
größe vorgegebenen Regalfach-Nummer ausgerichtet ist.
Da beidseits der Referenz-Marke 17b zur Feinpositionierung Referenz-Marken
17a zur Grobpositionierung angeordnet sind, wird unabhängig von der Fahrt
richtung des Regalbediengeräts 14 in jedem Fall die Referenz-Marke 17a zur
Grobpositionierung am Zielobjekt gelesen, bevor der Sendelichtstrahl 8 auf die
Referenz-Marke 17b zur Feinpositionierung trifft. Dadurch ist eine sichere
Zuordnung der Referenz-Marke 17b zur Feinpositionierung zur betreffenden
Nummer des Regalfaches 16 gewährleistet.
Nachdem durch die Fahrbewegung des Regalbediengerätes 14 der Sendelicht
strahl 8 die Referenz-Marke 17a zur Grobpositionierung passiert hat und die
entsprechende Regalfachnummer in der Rechnereinheit registriert wurde, trifft
der Sendelichtstrahl 8 auf die Referenzmarke 17b zur Feinpositionierung.
Bei vorgegebener Fahrgeschwindigkeit verweilt der Sendelichtstrahl 8 für vor
gegebene Zeitintervalle auf den einzelnen Segmenten. Diese Werte sind zweck
mäßigerweise in Form eines Kennfelds als Sollwerte in der Rechnereinheit
abgespeichert.
Da sich die Segmente in eindeutiger Weise voneinander unterscheiden, ist eine
räumliche Zuordnung des Sendelichtstrahls 8 relativ zur Referenz-Marke 17b
durch die Auswertung der Empfangssignale möglich.
Je weiter der Sendelichtstrahl 8 zum Zentrum der Referenz-Marke 17b vor
dringt, desto stärker wird die Geschwindigkeit des Regalbediengerätes 14 redu
ziert. Wird schließlich das Muster des zentralen Segments der Referenz-Marke
17b registriert, wird das Regalbediengerät 14 angehalten, da es seine Zielposi
tion erreicht hat.
Durch Vorgabe der Breite des zentralen Segments der Referenz-Marke 17b kann
die Genauigkeit der Positionierung auf einfache Weise vorgegeben werden.
Zusätzlich zur Positionierung in Fahrtrichtung des Regalbediengeräts 14 kann
die Vorrichtung 1 zusammen mit den Greifarmen des Regalbediengeräts 14
senkrecht zur Fahrtrichtung positioniert werden. Hierzu ist die Vorrichtung i
höhenverstellbar am Regalbediengerät 14 angeordnet.
Zur Bestimmung der Sollhöhe der Vorrichtung 1 ist, wie aus den Fig. 2 und
4 ersichtlich ist, an einer Halterung 18 ein Rahmen 19 befestigt. Der Rahmen
19 weist in der Mitte eine Öffnung 20 auf, durch die der Sendelichtstrahl 8 hin
durch tritt. Die Öffnung 20 ist in Abtastrichtung des Sendelichtstrahls 8 so groß
gewählt, daß der durch die Öffnung 20 tretende Sendelichtstrahl 8 die an der
Regalwand 15 angeordneten Referenzmarken 17a, b vollständig erfaßt.
Auf den Rahmen 19 sind zwei Testmarken 21, 22 aufgebracht. Die Testmarken
21, 22 sind in einer Ebene senkrecht zur Abtastebene, in der der Sendelichtstahl
8 verläuft angeordnet. Die Strichelemente der Testmarken 21, 22 verlaufen
senkrecht zur Abtastrichtung des Sendelichtstrahls 8 in horizontaler Richtung.
Vorzugsweise befinden sich die Testmarken 21, 22 in einem Abstand von ca. 50-100 cm
zur Vorrichtung 1.
Das Funktionsprinzip der Positionierung ist insbesondere aus Fig. 4 ersichtlich.
Der Sendelichtstrahl 8 wird bei einer Abtastung zuerst über die Testmarke 21
geführt und tritt dann durch die Öffnung 20. Dabei erfaßt er die am Regalfach
15 angeordnete Referenzmarke 17b. Schließlich trifft der Sendelichtstrahl 8 auf
die Testmarke 22.
Vorteilhafterweise sind die Breiten der Strichelemente der Testmarken 21, 22 in
der Auswerteeinheit 5 abgespeichert. Somit kann durch Erfassen der Zeitpunkte
der Detektion der Testmarken 21, 22 der momentane Absolutort des Sende
lichtstrahls 8 bestimmt werden.
Nach einer Abtastung werden die Abstände d₁, d₂ der Referenzmarke 17b zu
den Testmarken 21, 22 bestimmt. Die Testmarken 21, 22 sind bezüglich des
Sendelichtstrahls 8 so angeordnet, daß die Vorrichtung 1 relativ zur Referenz
marke 17b dann richtig postitioniert ist, wenn die Abstände d₁ und d₂ gleich
groß sind.
Sind die Abstände d₁ und d₂ unterschiedlich, so wird die Differenz der Ab
stände an die zentrale Rechnereinheit weitergegeben. Über die zentrale Rechner
einheit wird ein Motor zur Höhenverstellung der Greifarme, die mit der Vor
richtung 1 verbunden sind, angesteuert, bis die Abstände d₁ und d₂ denselben
Wert annehmen.
Die Richtung der Höhenverstellung ergibt sich aus dem Vorzeichen der Diffe
renz d₁-d₂. Hierzu müssen in der Vorrichtung 1 die Abstandswerte d₁ und d₂
unterschieden werden können. Dies kann zum einen durch die Abtastrichtung
des Sendelichtstrahls 8 ermittelt werden. Wenn die Testmarke 21 vom Send
lichtstrahl 8 zuerst abgetastet wird, wird der Abstand d₁ vor dem Abstand d₂
ermittelt, so daß hierdurch eine Unterscheidung von d₁ und d₂ ermöglicht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die Testmarken 21, 22
unterschiedliche Strichmuster auf, so daß durch die Detektion der unterschied
lichen Testmarken 21, 22 eine Unterscheidung von d₁ und d₂ ermöglicht wird.
Die vertikale Positionierung kann immer dann erfolgen, wenn eine der Refe
renzmarken 17a, 17b durch die Öffnung 20 des Rahmens 19 hindurch erfaßt
wird. Die vertikale Postitionierung kann demzufolge während der Grob- und der
Feinpositionierung in horizontaler Richtung erfolgen.
Claims (7)
1. Optoelektronische Vorrichtung zum Erkennen von mit definierten Kon
trastmustern versehenen Marken mit einem einen Sendelichtstrahl emittie
renden Sendeelement und einem Empfangselement, wobei der Sendelicht
strahl über die Marken geführt wird und das von den Marken reflektierte
Empfangslicht, welches eine durch den Kontrast der Marken aufgeprägte
Amplitudenmodulation aufweist, in einer Auswerteeinheit ausgewertet
wird, wobei die optoelektronische Vorrichtung auf einem Objekt relativ zu
einem Zielobjekt, an welchem Referenz-Marken angeordnet sind, beweg
lich installiert ist, und wobei zur Positionierung des Objekts relativ zum
Zielobjekt die Kontrastmuster der Referenz-Marken (17a, b) von der
Vorrichtung (1) gelesen und in der Auswerteeinheit (5) ausgewertet
werden nach Patent . . . /Patentanmeldung P 44 24 008.2-53, dadurch
gekennzeichnet, daß in vorgegebenem Abstand zur Vorrichtung (1) in
Bewegungsrichtung des Sendelichtstrahls (8) in Abstand zueinander zwei
Testmarken (21, 22) angeordnet so sind, daß mittels des zwischen den
Testmarken (21, 22) durchtretenden Sendelichtstrahls (8) die Referenzmar
ken (17a, b) erfaßbar sind, wobei die Abstände (d1, d2) der Referenzmar
ken (17a, b) zu den Testmarken (21, 22) zur Positionierung der Vorrich
tung (1) in der Auswerteeinheit (5) ausgewertet werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese starr mit
Greifarmen verbunden ist, welche höhenverstellbar an einem das Objekt
bildenden Fahrzeug angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zielobjekte von in einer Regalwand (15) angeordneten Regalfächern (16)
gebildet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das
Fahrzeug von einem in definiertem Abstand zur Regalwand (15) bewegten
schienengebundenen Regalbediengerät (14) gebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Breiten der Strichelemente der Testmarken (21, 22) in der Aus
werteeinheit (5) abgespeichert sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Testmarken (21, 22) unterschiedliche Strichmuster aufweisen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet,
daß diese in einem Abstand von 50-100 cm von den Testmarken (21,
22) angeordnet ist.
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