DE19727792C2 - Scanner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Scanner mit einem Lichtsender, einem Licht­ empfänger, einer Lichtablenkvorrichtung und einer Auswerteschaltung zur Detektion von im Scanbereich vorhandenen Objekten, wobei die Lichtablenkvorrichtung um eine Drehachse und um eine Schwenkachse beweglich ist.

Aus der deutschen Patentschrift DE 41 25 690 C1 ist eine Vorrichtung zur zweidimensionalen Abtastung einer Oberfläche mit einem Lichtstrahl be­ kannt. Diese Vorrichtung ist ausgestattet mit einem um zwei senkrecht aufeinander stehende Achsen drehbaren Spiegel, wobei die eine Achse ei­ ne optische Achse ist, entlang welcher ein von einer Lichtquelle ausge­ sandter Lichtstrahl verläuft. Die Vorrichtung besitzt ferner zwei Antriebs­ motoren für die Drehbewegungen des Spiegels, wobei die kontinuierliche Drehbewegung des Spiegels um die optische Achse von einem ersten An­ triebsmotor auf den Spiegel über ein Getriebe übertragen wird, welches einen Zahnriemen und eine mit diesem zusammenwirkende und an einer mit einer Spiegelhalterung verbundenen Hohlwelle angeordnete Antriebs­ scheibe enthält. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Drehung des Spiegels um die auf die optische Achse senkrecht stehende Achse ein zwischen den beiden Antriebsmotoren und dem Spiegel ange­ ordnetes Differentialgetriebe mit zwei miteinander kämmenden Zahnrä­ dern vorgesehen ist und der Spiegel in der mit der Hohlwelle verbundenen Spiegelhalterung um die Achse drehbar angeordnet ist, und daß das eine Zahnrad des Differentialgetriebes am Spiegel befestigt ist und das andere Zahnrad mit der Antriebswelle des zweiten Antriebsmotors verbunden ist und mit dem am Spiegel fest angeordneten Zahnrad kämmt.

Die Auswerteschaltung bei Scannern der eingangs genannten Art kann beispielsweise zur Ermittlung der Position eines im Scanbereich vorhan­ denen Objektes anhand von Abstands- und Winkelkoordinaten, zur De­ tektion eines Objektes und/oder zur Erkennung eines Objektes, eines Objektmerkmals oder eines Codes ausgebildet sein.

Scanner der genannten Art sind beispielsweise unter dem Namen 3-D- Scanner bekannt und verwenden als Lichtablenkvorrichtung in der Regel ein oder zwei Spiegel, welche um zumindest zwei unterschiedlich zueinan­ der orientierte Achsen dreh- bzw. schwenkbar sind.

Nachteilig an den bekannten Systemen sind die oftmals beschränkten Scanwinkel und die teilweise erheblichen Baugrößen der Scanner. Wenn bekannte Systeme zur Positionsbestimmung eingesetzt werden, sind zu­ sätzlich die zum Einsatz kommenden komplexen Algorithmen zur Ermitt­ lung der Position eines Objektes von Nachteil, wobei diese Komplexität dadurch bedingt ist, daß Dreh- und Schwenkachse bei bekannten Syste­ men keinen Schnittpunkt besitzen, welcher als gemeinsamer Koordina­ tenursprung verwendet werden kann.

Zudem können bekannte Systeme den Nachteil besitzen, daß die Bewe­ gung der Lichtablenkvorrichtung um die Drehachse nicht unabhängig von ihrer Bewegung um die Schwenkachse gesteuert werden kann und für den Betrieb des Scanners eine exakte und nur mit erheblichen Aufwand zu realisierende Synchronisation von zwei unterschiedlichen Antriebsmitteln benötigt wird, von denen eines für die Erzeugung der Drehbewegung und das andere für die Erzeugung der Schwenkbewegung der Lichtablenkvor­ richtung verantwortlich ist.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Scanner der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, daß ohne aufwendige Syn­ chronisationsmaßnahmen durch zwei unterschiedliche Antriebsmittel Dreh- und Schwenkbewegungen der Lichtablenkvorrichtung unabhängig voneinander bewirkbar sind, wobei gleichzeitig eine geringe Baugröße des Scanners und größtmögliche Scanwinkel erreichbar sein sollen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Lichtablenk­ vorrichtung mit einer Antriebswelle und einer Stellwelle wirkverbunden ist, welche mit gleicher Drehzahl von einem gemeinsamen Antriebsmotor derart antreibbar sind, daß bei unverändertem Phasenwinkel zwischen den beiden drehenden Wellen mittels des Antriebsmotors ausschließlich eine Drehung der Lichtablenkvorrichtung um die Drehachse erzeugbar ist, und daß ein mit einem Getriebe zusammenwirkender Stellmotor zur Ver­ änderung des Phasenwinkels zwischen den beiden drehenden Wellen vor­ gesehen ist, mittels welchem zusätzlich ein Verschwenken der Licht­ ablenkvorrichtung um die Schwenkachse bewirkbar ist.

Die Wirkverbindung zwischen der Lichtablenkvorrichtung und der An­ triebs- bzw. Stellwelle ist erfindungsgemäß also derart ausgebildet, daß beide Wellen mit gleicher Drehzahl von einem gemeinsamen Antriebsmo­ tor angetrieben werden, um auf diese Weise ein Drehen der Lichtablenk­ vorrichtung um die Drehachse mit der Drehzahl des Antriebsmotors zu bewirken. Soll nun erfindungsgemäß ein Schwenken der Lichtablenkvor­ richtung um die Schwenkachse erfolgen, so ist es erfindungsgemäß nicht nötig, die Drehzahlen von Antriebs- und Stellwelle zu variieren, sondern es wird lediglich über ein separates Antriebsmittel, den Stellmotor, eine Ver­ änderung des Phasenwinkels zwischen den beiden drehenden Wellen er­ zeugt, was schließlich in einem Verschwenken der Lichtablenkvorrichtung um die Schwenkachse resultiert.

Erfindungsgemäß sind also zwei separate Antriebsmittel, nämlich ein An­ triebsmotor und ein Stellmotor vorgesehen, wobei der Antriebsmotor ein Verdrehen der Lichtablenkvorrichtung um die Drehachse und der Stell­ motor ein Verdrehen der Lichtablenkvorrichtung um die Schwenkachse bewirkt. Die Drehbewegungen um Dreh- und Schwenkachse sind dabei unabhängig voneinander durch unterschiedlichen Ansteuerung von An­ triebsmotor und Stellmotor bewirkbar. Drehwinkel und Schwenkwinkel der Lichtablenkvorrichtung sind folglich vollkommen unabhängig vonein­ ander einstellbar, wodurch aus dem Stand der Technik bekannte Syn­ chronisationsprobleme der die Dreh- bzw. Schwenkbewegung bewirken­ den Antriebsmittel eliminiert werden.

Weiterhin ist am erfindungsgemäßen Scanner von Vorteil, daß sowohl der Dreh- als auch der Schwenkwinkel durch keinerlei konstruktionstechni­ sche Maßnahmen beschränkt sind, wodurch der maximal mögliche Scan­ bereich gegenüber bekannten Vorrichtungen erheblich vergrößert wird.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Scanners ist darin zu sehen, daß problemlos eine Ausführungsform realisierbar ist, bei der sich Dreh­ achse und Schwenkachse in einem Punkt schneiden, so daß die Position eines Objektes im Scanbereich auf besonders einfache Weise zu ermitteln ist, da Schwenkwinkel, Drehwinkel und Abstand des Objektes vom Scan­ ner direkt die Position des Objektes in einem Polarkoordinatensystem be­ schreiben, dessen Ursprung im Schnittpunkt zwischen Drehachse und Schwenkachse liegt. Diese Lage des Ursprungs des Polarkoordinatensy­ stems ist insbesondere auch hinsichtlich der Abstandsmessung von Vor­ teil, da ein Lichtstrahl unabhängig von der Stellung des Drehspiegels im Inneren des Scanners immer die gleiche Wegstrecke zurücklegt.

Schließlich ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen Scanners auch darin zu sehen, daß als Lichtablenkvorrichtung ein einziger Spiegel zum Einsatz gelangen kann, welcher um die Dreh- und die Schwenkachse beweglich ist und sowohl für die Umlenkung des Sendelichtstrahls als auch für die Umlenkung des Empfangslichts eingesetzt wird. Ein solcher Spiegel kann eine relativ geringe Masse besitzen, so daß der Spiegel mit hohen Fre­ quenzen bewegt werden kann, was letztlich zu einer Erhöhung der Bildrate des vom erfindungsgemäßen Scanner gelieferten 3-dimensionalen Bildes führt. Es wird also nur eine minimale Anzahl von Spiegeln, nämlich nur ein einziger Spiegel eingesetzt, welcher neben den erwähnten Vorteilen aufgrund der nur an einer spiegelnden Fläche stattfindenden Reflexion auch noch einen energetischen Vorteil bedingt.

Bevorzugt sind Antriebswelle und Stellwelle vom Antriebsmotor um die Drehachse drehend angetrieben, wobei die Antriebswelle für eine Drehbe­ wegung der Lichtablenkvorrichtung um die Drehachse und die Stellwelle für eine Bewegung der Lichtablenkvorrichtung um die Schwenkachse ver­ antwortlich ist. Die um die Drehachse erfolgende Drehbewegung der Stellwelle wird in diesem Fall mittels eines geeigneten Getriebes, bei­ spielsweise mittels zweier Kegelzahnräder in eine um die Schwenkachse erfolgende Drehbewegung transformiert.

Die Drehachse kann senkrecht zur Schwenkachse orientiert sein, wobei es vorteilhaft ist, wenn sich beide Achsen in einem Punkt schneiden. Auf die­ se Weise wird eine besonders einfache Ermittlung der Polarkoordinaten eines im Scanbereich vorhandenen Objektes ermöglicht.

Die Lichtablenkvorrichtung kann in einem von der Antriebswelle um die Drehachse drehend angetriebenen Rahmen gehalten sein, wobei sie in diesem Rahmen bevorzugt um die Schwenkachse drehbar gelagert ist. Die Drehbewegung der Lichtablenkvorrichtung um die Drehachse wird in die­ sem Fall folglich durch einen entsprechenden Antrieb des Rahmens be­ wirkt, während die Drehbewegung der Lichtablenkvorrichtung um die Schwenkachse durch eine Bewegung der Lichtablenkvorrichtung relativ zum Rahmen erfolgt.

Um eine Drehbewegung der Lichtablenkvorrichtung um die Schwenkachse zu ermöglichen, kann diese mit einem um die Schwenkachse drehbaren ersten Antriebsmittel fest verbunden sein, welches sich in Eingriff mit ei­ nem mit der Stellwelle fest verbundenen zweiten Antriebsmittel befindet. Das erste Antriebsmittel dreht sich dabei folglich um die Schwenkachse, während sich das zweite Antriebsmittel - ebenso wie die Stellwelle - um die Drehachse dreht.

Von Vorteil ist es, wenn auf der dem ersten Antriebsmittel gegenüberlie­ genden Seite der Lichtablenkvorrichtung ein insbesondere scheibenförmi­ ges Unwucht-Ausgleichsgewicht vorgesehen wird, um so eine gleichmäßige Drehbewegung der Lichtablenkvorrichtung um die Drehachse zu ermögli­ chen.

Wie bereits erwähnt, können das erste und das zweite Antriebsmittel je­ weils als Kegelzahnrad ausgebildet sein, deren Drehachsen senkrecht zu­ einander orientiert sind.

Vorteilhaft ist es, wenn die Antriebswelle als Hohlwelle ausgebildet wird, durch welche die Stellwelle hindurch geführt ist. Diese Ausführungsform vereinfacht die Konstruktion des Scanners im Hinblick auf die Übertra­ gung der erforderlichen Drehmomente auf die Lichtablenkvorrichtung.

Die Antriebswelle kann über ein Antriebsgetriebe mit dem Antriebsmotor wirkverbunden sein. Ebenso ist es möglich, die Stellwelle über ein Stell­ getriebe mit dem Antriebsmotor zu koppeln.

Besonders bevorzugt ist es, wenn das Stellgetriebe in einem Stellgetriebe­ gehäuse gelagert ist, welches wiederum um die Drehachse drehbar gela­ gert ist. In diesem Fall kann das Stellgetriebegehäuse mittel des Stellmo­ tors um die Drehachse verschwenkt werden, wodurch sich letztlich eine Veränderung des Phasenwinkels zwischen Antriebswelle und Stellwelle ergibt. Das Verschwenken des Stellgetriebegehäuses kann bevorzugt da­ durch bewirkt werden, daß das Stellgetriebegehäuse mit einer Außenver­ zahnung versehen wird, welche sich in Eingriff mit einem mit dem Stell­ motor verbundenen Zahn- oder Schneckenrads befindet. Durch einen An­ trieb des Zahn- oder Schneckenrad ergibt sich in diesem Fall ein Ver­ schwenken des Stellgetriebegehäuses um die Drehachse, was eine Verän­ derung des Phasenwinkels zwischen Antriebswelle und Stellwelle bewirkt, wobei diese Veränderung des Phasenwinkels in einer Verdrehung der Lichtablenkvorrichtung um die Schwenkachse resultiert.

Vorteilhaft ist es, wenn das Antriebs- und das Stellgetriebe in einem ge­ meinsamen, auch das Stellgetriebegehäuse beinhaltenden Getriebegehäu­ se angeordnet sind. In diesem Fall können alle im Getriebegehäuse ent­ haltenen Zahnräder beispielsweise durch ein gemeinsames Ölbad ge­ schmiert werden.

Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Lichtablenkvorrichtung bzw. deren erstes Antriebsmittel und/oder deren Unwucht-Ausgleichsgewicht zusätz­ lich mit weiteren Ausgleichsgewichten versehen wird bzw. werden, wobei diese Ausgleichsgewichte zum Ausgleich der Deviationsmomente der Lichtablenkvorrichtung bei unterschiedlichen Schwenkwinkel dienen.

Die Auswerteschaltung zur Ermittlung des Abstands zwischen Scanner und Objekt kann bevorzugt so ausgelegt werden, daß die Abstandser­ mittlung nach dem Lichtlaufzeitverfahren erfolgt. Dabei ist es von Vorteil, wenn Sende- und Empfangslicht über die Lichtablenkvorrichtung geführt sind. Ebenso kann die Ermittlung des Abstands jedoch auch nach dem Triangulationsprinzip oder dem Prinzip der Phasenmessung erfolgen.

Dem Lichtsender kann eine Sendeoptik und dem Lichtempfänger ein Empfangsoptik zugeordnet werden, deren optische Achsen mit der Dreh­ achse der Lichtablenkvorrichtung zusammenfallen oder parallel zu dieser Drehachse verlaufen.

Der Lichtsender kann bevorzugt mit Pulslicht betrieben werden.

Neben sichtbarem Licht kann der Lichtsender auch Infrarot- oder UV- Strahlung aussenden. Ebenso kann anstelle von Lichtsender und Licht­ empfänger auch ein Ultraschallsender und ein Ultraschallempfänger ein­ gesetzt werden.

Die Lichtablenkvorrichtung kann als reflektierendes Element, insbesonde­ re als Spiegel oder Prisma ausgebildet sein.

Der erfindungsgemäße Scanner kann auf vielfältige Weise eingesetzt wer­ den, indem die Auswerteschaltung je nach Anwendungsfall zur Ermittlung der Position eines im Scanbereich vorhandenen Objektes anhand von Ab­ stands- und Winkelkoordinaten, zur Detektion eines Objektes und/oder zur Erkennung eines Objektes, eines Objektmerkmals oder eines Codes ausgebildet wird. Die Anwendungen der Erfindung sind dabei nicht auf die vorstehend genannten Fälle beschränkt.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigen:

Bild 1 eine schematische Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Scanners,

Bild 2 eine schematische Seitenansicht des Lichtablenkbereichs ei­ nes Scanners gemäß Bild 1,

Bild 3 einen Schnitt gemäß der Schnittlinie C-C entsprechend Bild 2,

Bild 4 ein Polarkoordinatensystem zur erfindungsgemäßen Ermitt­ lung der Position eines Objektes im Scanbereich,

Bild 5 eine erste Ausführungsform einer Getriebeanordnung zum Antrieb einer Lichtablenkvorrichtung gemäß den Bildern 2 und 3,

Bild 6 eine vereinfachte Seitenansicht einer Getriebeanordnung ge­ mäß Bild 5,

Bild 7 eine Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie B-B entspre­ chend Bild 5,

Bild 8 eine zweite Ausführungsform einer Getriebeanordnung zum Antrieb einer Lichtablenkvorrichtung gemäß den Bildern 2 und 3, und

Bild 9 eine Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie A-A entspre­ chend Bild 8.

In Bild 1 ist eine als Drehspiegel 1 ausgebildete Lichtablenkvorrichtung gezeigt, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht mit allen Einzelheiten dargestellt ist. Der genaue Aufbau der Lichtablenkvorrichtung geht aus dem nachfolgend noch beschriebenen Bild 2 hervor.

Der Drehspiegel 1 ist um eine Drehachse D drehbar und um eine Schwenkachse S verschwenkbar. Drehachse D und Schwenkachse S ste­ hen senkrecht aufeinander, wobei sich die Schwenkachse S in der in Bild 1 gezeigten Stellung des Drehspiegels 1 senkrecht zur Zeichenebene er­ streckt.

Oberhalb des Drehspiegels 1 ist ein Entfernungsmeßgerät 2 angeordnet, welches zur Aussendung eines Sendestrahls 3 und zum Empfang von Empfangsstrahlen 4 ausgelegt ist.

Der Sendestrahl 3 wird über den Drehspiegel in seiner in Bild 1 gezeigten Stellung um 90° umgelenkt und in den Scanbereich gesandt. Von im Scanbereich vorhandenen Objekten reflektierte Empfangsstrahlen 4 wer­ den ebenfalls vom Drehspiegel 1 um 90° umgelenkt und zum Entfer­ nungsmeßgerät 2 reflektiert. Das Entfernungsmeßgerät 2 ist dazu geeig­ net, gemäß dem Lichtlaufzeitverfahren die Laufzeit des Lichts zwischen Aussendung und Empfang zu berechnen und daraus den Abstand eines im Scanbereich vorhandenen Objektes zum Scanner zu ermitteln.

Bild 1 veranschaulicht, daß durch ein Drehen des Drehspiegels 1 um die Drehachse D ein Scanbereich rings um die Drehachse D abgetastet wer­ den kann. Durch ein zusätzliches Verschwenken des Drehspiegels 1 um die Schwenkachse S, welche sich beim Drehen des Drehspiegels 1 um die Drehachse D mitdreht, kann der Sendestrahl 3 zusätzlich auf jeden belie­ bigen Punkt in dem den Scanner umgebenden Raum gelenkt werden, so­ fern sich keine Teile des Scanners in den entsprechenden Lichtwegen be­ finden. Durch die genannten Bewegungen des Drehspiegels 1 ist mittels des dargestellten Scanners also ein 3-dimensionaler Scanbereich abtast­ bar. Der aktuelle Drehwinkel sowie der aktuelle Schwenkwinkel des Dreh­ spiegels 1 charakterisieren gemeinsam mit dem vom Entfernungsmeßgerät 2 ermittelten Abstand die Position eines Objektes im Scanbereich.

Der Drehspiegel 1 ist über eine Antriebswelle 5 mit einem Getriebe ver­ bunden, welches sich in einem Getriebegehäuse 6 befindet. Mit dem Ge­ triebegehäuse 6 ist sowohl ein Antriebsmotor 7 als auch ein Stellmotor 8 gekoppelt. Das Zusammenwirken von Antriebsmotor 7, Stellmotor 8, im Getriebegehäuse 6 vorgesehenem Getriebe und der Antriebswelle 5 wird nachfolgend noch anhand der Bilder 2 bis 9 beschrieben.

Bild 2 zeigt den genauen Aufbau der Lichtablenkvorrichtung.

Der Drehspiegel 1 ist in einem im wesentlichen U-förmigen Rahmen 9 ge­ halten und an den Lagerstellen 10 drehbar um die Schwenkachse S gela­ gert.

Der Rahmen 9 ist an seinem unteren Ende fest mit der Antriebswelle 5 verbunden, die als Hohlwelle ausgebildet ist und in der die Stellwelle 11 drehbar geführt ist. Drehwelle 5 und Stellwelle 11 sind um die Drehachse D drehend angetrieben.

Der Drehspiegel 1 ist an einer Seite fest mit einem ersten Kegelzahnrad 12 gekoppelt, welches ebenso wie der Drehspiegel 1 drehbar um die Schwen­ kachse S gelagert ist. Aufgrund der festen Verbindung zwischen Drehspie­ gel 1 und erstem Kegelzahnrad 12 vollzieht der Drehspiegel 1 jede Dre­ hung des ersten Kegelzahnrads 12 mit.

Das erste Kegelzahnrad 12 befindet sich in Eingriff mit einem zweiten Ke­ gelzahnrad 13, welches fest mit der Stellwelle 11 verbunden ist. Aufgrund der genannten Wirkverbindung zwischen erstem und zweitem Kegelzahn­ rad 12, 13 bewirkt eine Drehung der Stellwelle 11 eine Drehung des Dreh­ spiegels 1 um die Schwenkachse S, sofern die Antriebswelle 5 die Drehung der Stellwelle 11 nicht in identischer Weise mitvollzieht. Werden Antriebs­ welle 5 und Stellwelle 11 mit gleicher Drehzahl und gleicher Phase ange­ trieben, erfolgt lediglich eine Drehung des Drehspiegels 1 um die Dreh­ achse D, nicht jedoch um die Schwenkachse S. Nur bei unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten von Antriebswelle 5 und Stellwelle 11 bzw. bei Veränderung des Phasenwinkels zwischen den Drehungen der beiden ge­ nannten Achsen erfolgt eine Bewegung des Drehspiegels 1 um die Schwenkachse S.

Auf der dem ersten Kegelzahnrad 12 gegenüberliegenden Seite des Dreh­ spiegels 1 ist ein scheibenförmiges Unwucht-Ausgleichsgewicht 14 vorge­ sehen, welches bewirkt, daß beim Drehen des Drehspiegels 1 um die Drehachse D keine Unwuchten auftreten.

Sowohl das erste Kegelzahnrad 12 als auch das scheibenförmige Un­ wucht-Ausgleichsgewicht 14 sind mit weiteren Ausgleichsgewichten 15 zum Ausgleich der Deviationsmomente der Lichtablenkvorrichtung bei unterschiedlichen Schwenkwinkeln versehen.

Bild 3 zeigt einen Schnitt gemäß der Schnittlinie C-C entsprechend Bild 2.

Aus Bild 3 ist besonders gut erkennbar die Anordnung des ersten Kegel­ zahnrades 12, welches fest mit dem Drehspiegel 1 verbunden ist. In der Mitte des ersten Kegelzahnrades 12 ist die Welle 16 zu erkennen (siehe auch Bild 2), die sich durch das erste Kegelzahnrad 12 erstreckt und mit­ tels der der Drehspiegel 1 und das erste Kegelzahnrad 12 bei 10 im Rah­ men 9 gelagert sind. Die Mittelachse der Welle 16 fällt mit der Spiegel­ oberfläche des Drehspiegels 1 zusammen, so daß sichergestellt ist, daß sich die Spiegeloberfläche des Drehspiegels 1 exakt um die Schwenkachse S drehen kann.

Aus Bild 3 ist die genaue Position der Ausgleichsgewichte 15 gemäß Bild 2 ersichtlich. Die beiden Ausgleichsgewichte 15, welche am ersten Kegel­ zahnrad 12 angebracht sind, befinden sich auf einer durch den Mittel­ punkt des ersten Kegelzahnrades 12 verlaufenden Linie und sind näher am äußeren Umfang des ersten Kegelzahnrades 12 als an dessen Mittel­ punkt angebracht. Die Ausgleichsgewichte 15 dienen - wie bereits erwähnt - zum Ausgleich der Deviationsmomente, welche bei unterschiedlichen Schwenkwinkel, d. h., bei unterschiedlicher Verschwenkung des Drehspie­ gels 1 um die Schwenkachse S auftreten, wobei die Deviationsmomente durch die Drehung der Lichtablenkvorrichtung um die Drehachse D ver­ ursacht werden.

Bild 4 zeigt schematisch ein Polarkoordinatensystem, welches zur Er­ mittlung der Position von Objekten im Scanbereich eines erfindungsge­ mäßen Scanners verwendet werden kann. Der Ursprung 17 des darge­ stellten Polarkoordinatensystems fällt mit dem Schnittpunkt von Dreh­ achse D und Schwenkachse S zusammen. Durch ein Verschwenken des Drehspiegels 1 entlang des Pfeiles b gemäß Bild 1 wird der Sendelicht­ strahl 3 entlang einer Drehlinie 18 des Polarkoordinatensystems bewegt. Dementsprechend erfolgt eine Bewegung des Sendelichtstrahls 3 entlang einer Schwenklinie 19, wenn der Drehspiegel 1 in Richtung des Pfeiles a (Bild 1) bewegt wird. Die Bewegung des Drehspiegels 1 in Richtung des Pfeiles b entspricht somit einer Drehung um die Drehachse D, die Bewe­ gung entlang des Pfeiles a entspricht einer Bewegung des Drehspiegels 1 um die Schwenkachse S.

Bild 5 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines im Rahmen der Erfin­ dung zum Einsatz gelangenden Getriebes.

Das gesamte Getriebe ist in einem Getriebegehäuse 6 angeordnet, welches auf seiner Oberseite von der Antriebswelle 5 sowie von der innerhalb der Antriebswelle 5 verlaufenden Stellwelle 11 durchdrungen ist. Die An­ triebswelle 5 ist dabei mittels eines Lagers 20 im oberen Gehäusedeckel des Getriebegehäuses 6 gelagert.

An ihrem unteren Ende ist die Antriebswelle 5 fest mit einem Zahnrad 21 verbunden, welches sich in Eingriff mit einem Walzenzahnrad 22 befindet. Das Walzenzahnrad 22 steht wiederum in Eingriff mit einem weiteren Walzenzahnrad 23, wobei die Drehachsen der beiden Walzenzahnräder 22 und 23 gleich weit von der Drehachse des mit der Antriebswelle 5 verbun­ denen Zahnrades 21 beabstandet sind.

Das Walzenzahnrad 22 befindet sich lediglich in seinem oberen Bereich in Eingriff mit dem Zahnrad 21, während der untere Bereich des Walzen­ zahnrades 22 in Eingriff mit dem oberen Bereich des Walzenzahnrades 23 ist.

Der untere Bereich des Walzenzahnrades 23 befindet sich in Eingriff mit einem weiteren Zahnrad 24, dessen Drehachse mit der Drehachse des Zahnrades 21 zusammenfällt. Das Zahnrad 24 ist mit dem Antriebsmotor 7 fest verbunden.

Die Durchmesser der beiden Zahnräder 21 und 24 sowie die Durchmesser der beiden Walzenzahnräder 22 und 23 sind untereinander jeweils gleich.

Die beiden Walzenzahnräder 22 und 23 sind mit den ihnen zugeordneten Wellen 25, 26 im Getriebegehäuse 6 gelagert.

Der Antriebsmotor 7 ist über eine Antriebswelle 27 mit dem Zahnrad 24 verbunden, wobei die Welle 27 im Getriebegehäuse 6 drehbar gelagert ist.

Die Antriebswelle 27 ist auf der dem Antriebsmotor 7 gegenüberliegenden Seite des Zahnrades 24 verlängert und erstreckt sich durch ein Lager 28 in das Innere eines Stellgetriebegehäuses 29, wobei das Lager 28 im Be­ reich der Unterseite des Stellgetriebegehäuses 29 vorgesehen ist.

Innerhalb des Stellgetriebegehäuses 29 ist die Welle 27 mit einem Zahn­ rad 30 fest verbunden, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmes­ ser der Zahnräder 21 und 24.

In analoger Weise ist die Stellwelle 11 auf der dem Lager 20 abgewandten Seite des Zahnrades 21 verlängert und durch ein Lager von oben in das Innere des Stellgetriebegehäuses 29 hineingeführt. Im Inneren des Stell­ getriebegehäuses 29 ist die Stellwelle 11 mit einem weiteren Zahnrad 31 fest verbunden, welches den gleichen Durchmesser aufweist wie das Zahnrad 30. Die Drehachse der Stellwelle 11 sowie die Drehachse der An­ triebswelle 27 fallen zusammen.

Das mit der Stellwelle 11 verbundene Zahnrad 31 befindet sich in Eingriff mit dem oberen Bereich eines Walzenzahnrades 32, dessen unterer Ab­ schnitt wiederum in Eingriff mit dem oberen Abschnitt eines weiteren Walzenzahnrades 33 steht. Der untere Bereich des Walzenzahnrades 33 befindet sich in Eingriff mit dem mit der Antriebswelle 27 verbundenen Zahnrad 30.

Die beiden Walzenzahnräder 32, 33 sind über Wellen 34, 35 im Stellge­ triebegehäuse 29 gelagert.

Die Durchmesser der Walzenzahnräder 32 und 33 sind jeweils unterein­ ander gleich. Die Drehachsen der Zahnräder 30 und 31 fallen zusammen, während die Drehachsen der Walzenzahnräder 32 und 33 zueinander ver­ setzt sind.

An seiner rechten, vertikal verlaufenden Außenseite ist das Stellgetriebe­ gehäuse 29 mit einer Außenverzahnung versehen, welches sich in Eingriff mit einem Stellzahnrad 36 befindet, das vom Stellmotor 8 antreibbar ist.

Beim Betrieb des Antriebmotors 7 und gleichzeitigem Stillstand des Stell­ motors 8 wird die Antriebswelle 5 über die Zahnräder 24, 23, 22 und 21 angetrieben, während die Stellwelle 11 über die Zahnräder 30, 33, 32 und 31 angetrieben wird. Stellwelle 11 und Antriebswelle 5 drehen sich dabei aufgrund der Größenverhältnisse der erwähnten Zahnräder zwangsläufig mit gleicher Drehzahl. In diesem Fall erfolgt lediglich eine Drehung des Drehspiegels 1 um die Drehachse D (siehe Bild 2). Es folgt keine Verdre­ hung des Drehspiegels 1 um die Schwenkachse S.

Wenn nun der Stellmotor 8 in Betrieb gesetzt wird, erfolgt über das Zahn­ rad 36 und die Außenverzahnung des Stellgetriebegehäuses 29 ein Ver­ drehen des gesamten Stellgetriebegehäuses 29 um die Drehachse D bzw. um die Drehachsen der Antriebswelle 27 und der Stellwelle 11. Während dieses Verdrehens des Stellgetriebegehäuses 29 wird aufgrund der ent­ sprechenden Getriebewirkung die Drehgeschwindigkeit des mit der Stell­ welle 11 verbundenen Zahnrads je nach Drehrichtung des Stellmotors 8 beschleunigt oder verlangsamt, so daß sich eine Phasenverschiebung zwi­ schen der Drehung der Stellwelle 11 und der Drehung der Antriebswelle 5 einstellt. Diese Phasenverschiebung führt dann letztlich zu einem Ver­ schwenken des Drehspiegels 1 um die Schwenkachse S (siehe Bild 2), da sich das zweite Kegelzahnrad 13 während der genannten Zeit kurzfristig schneller oder langsamer dreht als der Rahmen 9.

Somit regelt die Drehgeschwindigkeit des Antriebsmotors 7 die Drehge­ schwindigkeit des Drehspiegels 1 um die Drehachse D, während die Stel­ lung des Antriebsmotors 8 den Schwenkwinkel des Drehspiegels 1 um die Schwenkachse S bestimmt. Die Zahnräder 30, 33, 32 und 31 bilden ge­ meinsam mit dem Stellgetriebegehäuse 29 dementsprechend ein Differen­ tialgetriebe.

Anstelle der Zahnräder 21, 24, 31 und 30 könnten auch jeweils Kegel­ zahnräder eingesetzt werden, wobei in diesem Fall die Walzenzahnräder 22, 23 bzw. 32, 33 jeweils durch ein weiteres Kegelzahnrad ersetzt wür­ den, dessen Drehachse jeweils senkrecht zur Drehachse D verlaufen wür­ de. Die Drehachse des die Walzenzahnräder 32, 33 ersetzenden Kegel­ zahnrads wäre in diesem Fall im Stellgetriebegehäuse gelagert und somit um die Drehachse D verschwenkbar.

Bild 6 zeigt eine Seitenansicht der Zahnräder und Weilen gemäß Bild 5, wobei eine Darstellung der beiden Walzenzahnräder 32 und 33 aus Grün­ den der Übersichtlichkeit unterblieben ist.

Bild 6 zeigt das mit der Antriebswelle 5 fest verbundene Zahnrad 21, welches sich in Eingriff mit dem oberen Bereich des Walzenzahnrades 22 befindet. Der untere Bereich des Walzenzahnrades 22 befindet sich in Eingriff mit dem oberen Bereich des Walzenzahnrades 23, wobei die Drehachsen der beiden Walzenzahnräder 22 und 23 versetzt zueinander angeordnet sind. Der untere Bereich des Walzenzahnrades 23 befindet sich wiederum in Eingriff mit dem Zahnrad 24, welches seinerseits fest mit Antriebswelle 27 verbunden ist.

Weiterhin ist aus Bild 6 das ebenfalls fest mit der Antriebswelle 27 ver­ bundene Zahnrad 30 sowie das fest mit der Stellwelle 11 verbundene Zahnrad 31 ersichtlich.

Bild 7 zeigt einen Schnitt entlang der Schnittlinie B-B entsprechend Bild 5.

Das Stellzahnrad 36 ist über eine Welle mit dem nicht dargestellten Stell­ motor verbunden und befindet sich in Eingriff mit einer Außenverzahnung 39 des Stellgetriebegehäuses 29.

Durch einen Antrieb des Stellzahnrades 36 wird das Stellgetriebegehäuse 29 um die Antriebswelle 27 verschwenkt, wobei gleichzeitig die im Stellge­ triebegehäuse 29 gelagerten Walzenzahnräder 32, 33 mit verschwenkt werden.

Die Funktion der Anordnung gemäß Bild 7 wurde bereits in Verbindung mit den Bildern 5 und 6 erläutert.

Bild 8 zeigt eine Getriebeanordnung, welche im wesentlichen Bild 5 ent­ spricht.

Der einzige Unterschied zwischen der Darstellung gemäß Bild 8 und der Darstellung gemäß Bild 5 besteht im über die Außenverzahnung des Ge­ triebegehäuses 29 erfolgenden Antrieb durch den Stellmotor 8.

Gemäß Bild 8 ist der Stellmotor 8 fest mit einem Schneckenrad 37 ver­ bunden, welches sich in Eingriff mit der Außenverzahnung des Stellge­ triebegehäuses 29 befindet.

Durch einen Antrieb des Stellmotors 8 gemäß Bild 8 kann folglich ebenso ein Verdrehen des Stellgetriebegehäuses 29 um die Drehachse D erfolgen, wobei mittels des Schneckenrads 37 eine etwas feinere Dosierung dieser Drehbewegung möglich ist als mit dem Zahnrad 36 gemäß Bild 5.

Bild 9 zeigt einen Schnitt gemäß der Schnittlinie A-A entsprechend Bild 8. Das Schneckenrad 37 ist über eine Welle 38 mit dem Stellmotor 8 ver­ bunden und befindet sich in Eingriff mit einer Außenverzahnung 39 des Stellgetriebegehäuses 29.

Durch einen Antrieb des Schneckenrades 37 wird das Stellgetriebegehäu­ se 29 um die Antriebswelle 27 verschwenkt, wobei gleichzeitig die im Stell­ getriebegehäuse 29 gelagerten Walzenzahnräder 32, 33 mit verschwenkt werden.

Die Funktion der Anordnung gemäß Bild 9 wurde bereits in Verbindung mit Bild 5 erläutert.

Bezugszeichenliste

1

Drehspiegel

2

Entfernungsmeßgerät

3

Sendestrahl

4

Empfangsstrahl

5

Antriebswelle

6

Getriebegehäuse

7

Antriebsmotor

8

Stellmotor

9

Rahmen

10

Lagerstellen

11

Stellwelle

12

erstes Kegelzahnrad

13

zweites Kegelzahnrad

14

Unwucht-Ausgleichsgewicht

15

Ausgleichsgewichte

16

Welle

17

Koordinatenursprung

18

Drehlinie

19

Schwenklinie

20

Lager

21

Zahnrad

22

Walzenzahnrad

23

Walzenzahnrad

24

Zahnrad

25

Welle

26

Welle

27

Antriebswelle

28

Lager

29

Stellgetriebegehäuse

30

Zahnrad

31

Zahnrad

32

Walzenzahnrad

33

Walzenzahnrad

34

Welle

35

Welle

36

Stellzahnrad

37

Schneckenrad

38

Welle

39

Außenverzahnung
DDrehachse
SSchwenkachse

Claims (28)

1. Scanner mit einem Lichtsender, einem Lichtempfänger, einer Lichtablenkvorrichtung (1) und einer Auswerteschaltung zur Detek­ tion von im Scanbereich vorhandenen Objekten, wobei die Lichtablenkvorrichtung (1) um eine Drehachse D und um eine Schwenkachse S beweglich ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtablenkvorrichtung (1) mit einer Antriebswelle (5) und einer Stellwelle (11) wirkverbunden ist, welche mit gleicher Drehzahl von einem gemeinsamen Antriebsmotor (7) derart antreibbar sind, daß bei unverändertem Phasenwinkel zwischen den beiden drehen­ den Wellen (5, 11) mittels des Antriebsmotors (7) ausschließlich eine Drehung der Lichtablenkvorrichtung (1) um die Drehachse D er­ zeugbar ist, und
daß ein mit einem Getriebe zusammenwirkender Stellmotor (8) zur Veränderung des Phasenwinkels zwischen den beiden drehenden Wellen (5, 11) vorgesehen ist, mittels welchem zusätzlich ein Ver­ schwenken der Lichtablenkvorrichtung (1) um die Schwenkachse S bewirkbar ist.

2. Scanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Antriebswelle (5) und Stellwelle (11) um die Drehachse D dre­ hend angetrieben sind.

3. Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse D senkrecht zur Schwenkachse S orientiert ist, und diese insbesondere in einem Punkt (17) schneidet.

4. Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtablenkvorrichtung (1) in einem von der Antriebswelle (5) um die Drehachse D drehend angetriebenen Rahmen (9) gehalten ist.

5. Scanner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtablenkvorrichtung (1) im Rahmen (9) um die Schwen­ kachse S drehbar gelagert ist.

6. Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtablenkvorrichtung (1) mit einem um die Schwenkach­ se S drehbaren ersten Antriebsmittel (12) fest verbunden ist, wel­ ches sich in Eingriff mit einem mit der Stellwelle (11) fest verbunde­ nen zweiten Antriebsmittel (13) befindet.

7. Scanner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem ersten Antriebsmittel (12) gegenüberliegenden Seite der Lichtablenkvorrichtung (1) ein insbesondere scheibenförmiges Unwucht-Ausgleichsgewicht (14) vorgesehen ist.

8. Scanner nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Antriebsmittel (12, 13) jeweils als Ke­ gelzahnrad ausgebildet sind.

9. Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (5) als Hohlwelle ausgebildet ist, durch welche die Stellwelle (11) hindurchgeführt ist.

10. Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (5) über ein Antriebsgetriebe (24, 23, 22, 21) mit dem Antriebsmotor (7) wirkverbunden ist.

11. Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellwelle (11) über ein Stellgetriebe (30, 33, 32, 31) mit dem Antriebsmotor (7) wirkverbunden ist.

12. Scanner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellgetriebe (30, 33, 32, 31) in einem Stellgetriebegehäuse (29) gelagert ist, welches wiederum um die Drehachse D drehbar gelagert ist.

13. Scanner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellgetriebegehäuse (29) mittels des Stellmotors (8) um die Drehachse D verschwenkbar ist.

14. Scanner nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellgetriebegehäuse (29) ein Außenverzahnung (39) auf­ weist, welche sich in Eingriff mit einem mit dem Stellmotor (8) ver­ bundenen Zahn- oder Schneckenrad (36, 37) befindet.

15. Scanner nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebs- und/oder das Stellgetriebe jeweils vier Zahnräder (21-24; 30-33) oder jeweils drei Kegelzahnräder umfaßt.

16. Scanner nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen von jeweils zwei Zahnrädern (21, 24; 30, 31) des Antriebs- und/oder des Stellgetriebes mit der Drehachse D der Lichtablenkvorrichtung (1) zusammenfallen.

17. Scanner nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen von jeweils zwei weiteren Zahnrädern (22, 23; 32, 33) des Antriebs- und/oder des Stellgetriebes beabstandet und par­ allel zur Drehachse D der Lichtablenkvorrichtung (1) verlaufen.

18. Scanner nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebs- und das Stellgetriebe in einem gemeinsamen, auch das Stellgetriebegehäuse (29) beinhaltenden Getriebegehäuse (6) angeordnet sind.

19. Scanner nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß alle im Getriebegehäuse (6) enthaltenen Zahnräder durch ein gemeinsames Ölbad geschmiert sind.

20. Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtablenkvorrichtung (1) bzw. deren erstes Antriebsmittel (12) und/oder deren Unwucht-Ausgleichsgewicht (14) mit Aus­ gleichsgewichten (15) zum Ausgleich der Deviationsmomente der Lichtablenkvorrichtung (1) bei unterschiedlichen Schwenkwinkeln versehen ist.

21. Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung zur Ermittlung der Position eines im Scanbereich vorhandenen Objektes anhand von Abstands- und Winkelkoordinaten, zur Detektion eines Objektes und/oder zur Er­ kennung eines Objektes, eines Objektmerkmals oder eines Codes ausgebildet ist.

22. Scanner nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung zur Ermittlung des Abstands zwischen Scanner und Objekt nach dem Lichtlaufzeitverfahren, dem Trian­ gulationsprinzip oder dem Prinzip der Phasenmessung ausgelegt ist.

23. Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Sende- und Empfangslicht (3, 4) über die Lichtablenkvorrich­ tung (1) geführt sind.

24. Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung zur Ermittlung der Objektposition mit­ tels der Bestimmung von Polarkoordinaten ausgelegt ist.

25. Scanner nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Ursprung (17) des Polarkoordinatensystems mit dem Schnittpunkt von Dreh- und Schwenkachse D, S zusammenfällt.

26. Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Lichtsender eine Sendeoptik und dem Lichtempfänger eine Empfangsoptik zugeordnet ist, deren optische Achsen mit der Dreh­ achse D der Lichtablenkvorrichtung (1) zusammenfallen oder paral­ lel zu dieser Drehachse D verlaufen.

27. Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtablenkvorrichtung (1) als reflektierendes Element, ins­ besondere als Spiegel oder Prisma ausgebildet ist.

28. Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkwinkel mittels des Stellmotors (8) über einen Be­ reich von +/-70°, insbesondere +/-45° verstellbar ist.