DE19531660A1 - Reflexions-Lichtschranke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Reflexions-Lichtschranke mit einem Lichtstrahl und einem zugehörigen Empfangs­ system als Sensor zum berührungslosen Drehzahlmessen eines rotierenden Körpers.

Reflexionslichtschranken sind bekannt, beispielsweise ein Doppel-Linsensystem, bei dem Sende- und Empfangs­ strahl geometrisch voneinander getrennt sind. Das Licht einer Sendediode gelangt dabei durch eine kleine Linse gebündelt auf einen Reflektor, während das zurückgestrahlte Licht durch eine zweite kleine Linse einen Empfänger erreicht. Die V-förmig zueinander angeordneten Linsen gewährleisten ein sicheres Erken­ nen des reflektierten Sendestrahls.

Des weiteren sind Reflexions-Lichttaster bekannt, bei denen Lichtsender und -empfänger wie bei einer Refle­ xions-Lichtschranke in einem Gehäuse untergebracht sind. Ähnlich sind auch die Funktionsprinzipien; wäh­ rend der Lichtstrahl einer Reflexions-Lichtschranke auf einen Reflektor fällt und von dort zurückgeworfen wird, genügt beim Lichttaster ein fast beliebiges Objekt. Der Reflexions-Lichttaster läßt sich auf eine bestimmte Entfernung fokussieren. Das vom Sender des Reflexions-Lichttasters in Richtung des Objekts bzw. Tastguts austretende Licht wird remittiert, gelangt zum Empfänger und wird ausgewertet. Entscheidend ist dabei das Remissionsverhalten des Tastgutes. So besitzt ein weißer Gegenstand eine höhere Remission als ein dunkler Gegenstand gleicher Größe.

Schließlich ist auch eine spezielle Anordnung eines Doppellinsensystems zur Anwendung bei Winkel-Licht­ tastern bekannt. Infolge der V-förmig zueinander ange­ ordneten Linsen des Winkel-Lichttasters überschneiden sich die optischen Achsen von Sender und Empfänger in einem vorgegebenen Winkel. Der Tastabstand ist daher fest vorgegeben. Es können nur Gegenstände erfaßt wer­ den, die sich in dieser Überschneidungsebene befinden.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Sensor zum berührungslosen Geschwindigkeits- oder Drehzahl­ messen an einem rotierenden Körper, beispielsweise sich drehender Scheiben, zu schaffen, der ohne zusätz­ liche Reflektoren betriebssicher und schnell arbeitet. Der Sensor sollte insbesondere in der Lage sein, die Geschwindigkeits- oder Drehzahlmessungen und Änderun­ gen der Drehzahl während einer Beschleunigungs- oder Abbremsphase des rotierenden Körpers betriebssicher und schnell zu erfassen.

Die Lösung besteht darin, daß bei einer eingangs genannten Reflexionslichtschranke erfindungsgemäß das Empfangssystem auf an einer Haupt-Oberfläche des rotierenden Körpers gestreutes Reflexlicht des beleuchtenden Lichtstrahls eingestellt ist, und daß der rotierende Körper auf der Linie des Lichtstrahls mindestens eine für die Gesamtheit des Lichtstrahls gegenüber der Haupt-Oberfläche schwach reflektierende, wie eine Lichtfalle wirkende Bohrung besitzt. Der Begriff "Bohrung" umfaßt im Rahmen der Erfindung eine durchgehende Öffnung oder auch ein Sackloch. Wichtig ist vor allem, daß die Bohrung wie eine Lichtfalle bzw. Lichtsenke wirkt, so daß sie durch Null-Streuung auch bei einer nur schwach reflektierenden Haupt-Ober­ fläche noch einen ausreichenden Kontrast zur fehler­ freien Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitsmessung liefert.

Ein Anwendungsfall eines solchen Sensors ist die Dreh­ zahl- bzw. Geschwindigkeitsmessung an Rotoren von Rotorspinnmaschinen. Dabei geht es um das Anspinnen oder den Fall eines Fadenrisses, bei dem das Rohmate­ rial und ein Injektionsfaden bei der Soll-Umdrehungs­ geschwindigkeit miteinander verbunden werden müssen. Um das zu ermöglichen, muß der Injektionsfaden mit ausreichendem zeitlichem Abstand vor dem Erreichen der Soll-Drehzahl in Bewegung gesetzt werden. Zur Bestim­ mung des Startzeitpunkts und zur Berechnung des Treff­ zeitpunkts wird mit Hilfe des erfindungsgemäßen Sen­ sors und der beispielsweise 8 oder 12 Bohrungen des rotierenden Körpers die Rotationsgeschwindigkeit gemessen. Der Sensor gibt die Meßimpulse an einen Rechner ab, der den Startzeitpunkt im Hinblick auf den richtigen Treffzeitpunkt berechnet.

Vorzugsweise spannen der beleuchtende Lichtstrahl und die optische Achse des Empfangssystems einen Winkel auf, dessen Größe sich auf die Anforderungen des Ein­ zelfalls abstimmen lassen. Der Winkel wird vorzugs­ weise so gewählt, daß der Kontrast zwischen dem erfaß­ ten Streulicht und nicht ausblendbarem Fremdlicht für die Bedürfnisse des Sensors zum berührungslosen Dreh­ zahl- bzw. Geschwindigkeitsmessen noch ausreichend ist. Im allgemeinen ist ein spitzer Winkel zu bevor­ zugen.

Um den genannten Kontrast zwischen dem Streulicht der Haupt-Oberfläche und aus dem Bereich der Bohrung ge­ streutem Licht für das Meßsystem ausreichend groß zu machen bzw. um eine hohe Auflösung zu erreichen, kann der Querschnitt des Lichtstrahls an der Haupt-Oberflä­ che annähernd so groß wie - bevorzugt deutlich kleiner als - der Bohrungsquerschnitt sein. Der Gesamtquer­ schnitt des beleuchtenden Lichtstrahls kann dann in der Bohrung praktisch streulichtfrei "verschluckt" werden.

Um ein möglichst genaues Messen zu ermöglichen, sollte der Durchmesser der im rotierenden Körper befindlichen Bohrungen möglichst klein, aber dem Spotprofil ange­ paßt sein. Andererseits sollte die Zahl der Bohrungen möglichst groß sein. Entsprechend klein sollte auch der Querschnitt des beleuchtenden Lichtstrahls sein. Im Rahmen der Erfindung ist daher die Verwendung eines Laser-Lichtstrahls für die Reflexionslichtschranke besonders geeignet.

Ein deutlicher, vom Empfangssystem zu registrierender Kontrast zwischen dem an der Haupt-Oberfläche des rotierenden Körpers gestreuten Licht und dem in der jeweiligen Bohrung verschluckten Licht kann durch aus anderen Richtungen einfallendes Fremdlicht verwischt werden. Dem läßt sich begegnen, wenn der Fotoempfänger des Empfangssystems eine Loch-Blende zum Abschirmen von aus anderen Richtungen als vom rotierenden Körper kommendem Licht besitzt. Zusätzlich kann es günstig sein, wenn in die dem Empfangssystem nachgeschaltete Elektronik eine Dunkelpegelschaltung integriert ist, die noch auftretendes Restfremdlicht durch Nach­ regelung eines Bezugsniveaus kompensiert. Eine Dunkel­ pegelschaltung erlaubt es, mit einer Zeitkonstanten, beispielsweise 80 ms, die von der "dunkelsten" Reflex­ stelle erzeugte Signalspannung des Fotoempfängers auf ein konstantes Spannungsniveau (Dunkelpegel) zu regeln. Auf diese Weise lassen sich dann auch Drift­ einflüsse kompensieren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des nähe­ ren erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch die Ebene des beleuchten­ den Lichtstrahls und der optischen Achse des Empfangssystems und

Fig. 2 einen Schnitt durch die Vorrichtung nach Fig. 1 senkrecht zur Zeichnungsebene.

Der zylindrische Lasermodul 1 einer Laser-Reflexions­ lichtschranke ist in zwei Ebenen mit jeweils drei Schrauben 2 auf den gewünschten Zielpunkt 3 an einen um eine Achse 4 rotierenden Körper 5 eingestellt. Der Lichtstrahl 6 beleuchtet dann die zur Achse 4 koaxiale Umfangslinie 7 des rotierenden Körpers 5. Der Reflex­ strahl 8 (Streurück-Strahlung) des Zielpunktes 3 ist auf ein Empfangssystem mit Objektlinse 9 gerichtet und von der Linse auf das Loch 10 einer Blende 11 fokus­ siert, die vor allem der Fremdlichtunterdrückung dient. Hinter der Blende 11 wird das Streulicht-Signal des Reflexstrahls 8 von einer Fotodiode 12 empfangen.

In dem Gehäuse 13 befindet sich außer dem Lasermodul 1 und dem Empfangssystem 9 bis 12 unter anderem eine Schaltungsplatine 14. Die Schaltung auf der Platine 14 sollte die von dem rotierenden Körper 5 im Zielpunkt 3 gestreuten Lichtimpulse in binäre elektrische Impulse umwandeln. Diese können gezählt, registriert und/oder angezeigt werden.

Zur Spannungsversorgung von Laser und Elektronik sowie für die Ausgangsimpulse kann ein Stecker 15 dienen. Vor der Optik von Lasermodul 1 und Objektivlinse 9 ist eine für das verwendete Licht durchlässige Schutz­ scheibe 16, insbesondere eine Plexiglasscheibe, ange­ ordnet.

In der vom Zielpunkt 3 getroffenen Umfangslinie 7 des rotierenden Körpers 4 ist mindestens eine Bohrung 17 angeordnet. Der Bohrungsdurchmesser ist größer als der Durchmesser des Lichtstrahls 6 im Zielpunkt 3. Wenn bei der Rotation des Körpers 5 um die Achse 4 der Lichtstrahl 6 irgendwo auf die Umfangslinie 7 fällt, wird Streulicht reflektiert, das als Reflexstrahl 8 im Empfangssystem 9 bis 12 verarbeitet wird. In dem Moment jedoch, in dem die Bohrung 17 und der Zielpunkt 3 zusammenfallen, trifft auf das Empfangssystem 9 bis 12 kein reflektiertes Streulicht, so daß ein entspre­ chendes Zählsignal registriert und in der Platine 14 weiterverarbeitet wird.

Claims (6)

1. Reflexionslichtschranke mit einem Lichtstrahl (6) und einem Empfangssystem (9 bis 12) zum berüh­ rungslosen Drehzahlmessen an einem rotierenden Körper (5), dadurch gekennzeichnet, daß das Emp­ fangssystem (9 bis 12) auf an einer Haupt-Oberflä­ che (7) des rotierenden Körpers (5) gestreutes Reflexlicht (8) des beleuchtenden Lichtstrahls (6) eingestellt ist und der rotierende Körper (5) auf der Linie (7), auf die der Lichtstrahl (6) gerich­ tet ist, mindestens eine für die Gesamtheit des Lichtstrahls (6) gegenüber der Haupt-Oberfläche schwach reflektierend wie eine Lichtfalle wirkende Bohrung (17) besitzt.

2. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Licht­ strahls (6) an der Haupt-Oberfläche (7) annähernd so groß wie der Querschnitt der Bohrung (17) ist.

3. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Laser-Lichtstrahl (6).

4. Reflexionslichtschranke nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der beleuch­ tende Lichtstrahl (6) und die optische Achse des Empfangssystems (9 bis 12) einen Winkel kleiner als 60° einschließen.

5. Reflexionslichtschranke nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Fotoempfän­ ger (12) des Empfangssystems eine Blende (11) mit einem Loch (10) zum Abschirmen von aus anderen Richtungen als vom rotierenden Körper (5) kommen­ dem Licht besitzt.

6. Reflexionslichtschranke nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in die dem Emp­ fangssystem (9 bis 12) nachgeschaltete Elektronik eine Dunkelpegelschaltung zum Kompensieren von Fremdlicht durch Nachregelung eines Bezugsniveaus integriert ist.