DE202021101748U1

DE202021101748U1 - Photoelectric sensor

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Publication number: DE202021101748U1
Application number: DE202021101748.1U
Authority: DE
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2021-04-01
Filing date: 2021-04-01
Publication date: 2022-07-06
Anticipated expiration: 2031-04-02

Abstract

Optoelektronischer Sensor (10, 60), insbesondere Laserscanner, zur Erfassung von Objekten (34) in einem Überwachungsbereich (32), wobei der Sensor (10, 60) einen Lichtsender (26) zum Aussenden von Sendelicht (30), einen Antrieb mit einem Stator (24) und einem Rotor (22), eine mit Hilfe des Rotors (22) bewegbare Abtasteinheit (12, 62) zur periodischen Abtastung des Überwachungsbereichs (32) mit dem Sendelicht (30), einen Lichtempfänger (40) zum Erzeugen eines Empfangssignals aus von Objekten (34) im Überwachungsbereich (32) remittiertem Licht (30), eine Steuer- und Auswertungseinheit (44) zur Erfassung von Informationen über Objekte (34) im Überwachungsbereich (32) anhand des Empfangssignals und ein Grundgehäuse (14) mit einer Haube (16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundgehäuse (14) und die Haube (16) wenigstens eine Schnittstelle (18) zur mechanischen Verbindung miteinander aufweisen, und die Haube (16) wenigstens ein erstes Lager (20) zur Aufnahme der Abtasteinheit (12, 62) umfasst, wobei die Abtasteinheit (12, 62) mit dem Rotor (22) drehbar in dem ersten Lager (20) gelagert ist.Optoelectronic sensor (10, 60), in particular a laser scanner, for detecting objects (34) in a monitored area (32), the sensor (10, 60) having a light transmitter (26) for emitting transmitted light (30), a drive with a stator (24) and a rotor (22), a scanning unit (12, 62) movable with the aid of the rotor (22) for periodically scanning the monitored area (32) with the transmitted light (30), a light receiver (40) for generating a received signal consisting of light (30) remitted by objects (34) in the monitored area (32), a control and evaluation unit (44) for acquiring information about objects (34) in the monitored area (32) using the received signal and a basic housing (14) with a Hood (16), characterized in that the basic housing (14) and the hood (16) have at least one interface (18) for mechanical connection to one another, and the hood (16) has at least one first bearing (20) for accommodating the scanning unit (12, 62), wherein the scanning unit (12, 62) is rotatably mounted with the rotor (22) in the first bearing (20).

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a sensor for detecting objects in a surveillance area according to the preamble of claim 1.

Für Abstandsmessungen, die einen großen horizontalen Winkelbereich des Messsystems erforderlich machen, eignen sich optoelektronische Systeme und besonders Laserscanner. In einem Laserscanner überstreicht ein von einem Laser erzeugter Lichtstrahl mit Hilfe einer Ablenkeinheit periodisch einen Überwachungsbereich. Das Licht wird an Objekten in dem Überwachungsbereich remittiert und in dem Scanner ausgewertet. Aus der Winkelstellung der Ablenkeinheit wird auf die Winkellage des Objektes und aus der Lichtlaufzeit unter Verwendung der Lichtgeschwindigkeit zusätzlich auf die Entfernung des Objektes von dem Laserscanner geschlossen.Optoelectronic systems and especially laser scanners are suitable for distance measurements that require a large horizontal angular range of the measuring system. In a laser scanner, a light beam generated by a laser periodically scans a surveillance area with the help of a deflection unit. The light is remitted to objects in the surveillance area and evaluated in the scanner. The angular position of the object is determined from the angular position of the deflection unit, and the distance of the object from the laser scanner is also determined from the travel time of light using the speed of light.

Mit den Winkel- und Entfernungsangaben ist der Ort eines Objektes in dem Überwachungsbereich in zweidimensionalen Polarkoordinaten erfasst. Damit lassen sich die Positionen von Objekten ermitteln oder durch mehrere Abtastungen desselben Objekts an verschiedenen Stellen dessen Kontur bestimmen. Die dritte Raumkoordinate kann durch eine Relativbewegung in Querrichtung ebenfalls erfasst werden, beispielsweise durch einen weiteren Bewegungsfreiheitsgrad der Ablenkeinheit in dem Laserscanner oder indem das Objekt relativ zu dem Laserscanner befördert wird. So können auch dreidimensionale Konturen ausgemessen werden.The location of an object in the monitored area is recorded in two-dimensional polar coordinates with the angle and distance information. This allows the positions of objects to be determined or its contour to be determined by scanning the same object several times at different points. The third spatial coordinate can also be detected by a relative movement in the transverse direction, for example by a further degree of freedom of movement of the deflection unit in the laser scanner or by the object being transported relative to the laser scanner. In this way, three-dimensional contours can also be measured.

Neben solchen Messanwendungen werden Laserscanner auch in der Sicherheitstechnik zur Überwachung einer Gefahrenquelle eingesetzt, wie sie beispielsweise eine gefährliche Maschine darstellt. Ein derartiger Sicherheitslaserscanner ist aus der DE 43 40 756 A1 bekannt. Dabei wird ein Schutzfeld überwacht, das während des Betriebs der Maschine vom Bedienpersonal nicht betreten werden darf. Erkennt der Laserscanner einen unzulässigen Schutzfeldeingriff, etwa ein Bein einer Bedienperson, so löst er einen Nothalt der Maschine aus. In der Sicherheitstechnik eingesetzte Sensoren müssen besonders zuverlässig arbeiten und deshalb hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen, beispielsweise die Norm EN13849 für Maschinensicherheit und die Gerätenorm EN61496 für berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen (BWS).In addition to such measurement applications, laser scanners are also used in safety technology to monitor a source of danger, such as a dangerous machine. Such a safety laser scanner is from DE 43 40 756 A1 known. A protective field is monitored, which the operating personnel may not enter while the machine is in operation. If the laser scanner detects an inadmissible intrusion into the protective field, such as an operator's leg, it triggers an emergency stop of the machine. Sensors used in safety technology must work particularly reliably and therefore meet high safety requirements, such as the EN13849 standard for machine safety and the EN61496 device standard for electro-sensitive protective equipment (ESPE).

Die Abtastung der Überwachungsebene in einem Laserscanner wird üblicherweise dadurch erreicht, dass der Sendestrahl auf einen rotierenden Umlenkspiegel trifft. Lichtsender, Lichtempfänger sowie zugehörige Elektronik und Optik sind dabei fest im Gerät montiert und vollziehen die Drehbewegung nicht mit. Es ist aber auch bekannt, den Umlenkspiegel durch eine mitbewegte Abtasteinheit zu ersetzen. Beispielsweise rotiert in der DE 197 57 849 B4 der gesamte Messkopf mit Lichtsender und Lichtempfänger. Die EP 2 388 619 A1 sieht ebenfalls eine drehbare Sende-/Empfangseinheit vor. Diese Abtasteinheit wird beispielsweise nach dem Transformationsprinzip von den drehfesten Bereichen des Sensors mit Energie versorgt.The scanning of the monitoring level in a laser scanner is usually achieved in that the transmitted beam hits a rotating deflection mirror. The light transmitter, light receiver and associated electronics and optics are permanently installed in the device and do not follow the rotary movement. However, it is also known to replace the deflection mirror with a scanning unit that moves with it. For example, rotates in the DE 197 57 849 B4 the entire measuring head with light transmitter and light receiver. the EP 2 388 619 A1 also provides a rotatable transmitter/receiver unit. This scanning unit is supplied with energy by the non-rotatable areas of the sensor, for example according to the transformation principle.

1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines herkömmlichen Laserscanners 100 mit einer derartigen drehbaren Abtasteinheit 102. Die Drehbewegung wird dadurch erzeugt, dass die Abtasteinheit 102 auf einer Welle 104 eines Antriebs 106 sitzt. Der Laserscanner 100 ist von einem Gehäuse 108 geschützt, das im oberen Teil von einer Haube 110 gebildet wird. 1 shows a schematic sectional view of a conventional laser scanner 100 with such a rotatable scanning unit 102. The rotational movement is generated in that the scanning unit 102 is seated on a shaft 104 of a drive 106. The laser scanner 100 is protected by a housing 108 which is formed by a hood 110 in the upper part.

Durch die Vielzahl von Baugruppen (Gehäuse, Haube, Antrieb, Abtasteinheit) und Schnittstellen zwischen den Baugruppen ist der Montage- und Justageaufwand groß, insbesondere wenn der Sensor über eine sehr gute Scanfeldebenheit verfügen muss. Bei mitbewegten Abtasteinheiten muss auf dem drehenden Teil des Sensors zusätzlich eine Schnittstelle zur Energie- und Datenübertragung zu Verfügung gestellt werden. Dafür werden weitere Bauteile, bzw. Baugruppen benötigt, die zur Erhöhung der Komplexität des Sensors sowie der Montage und Justage des Sensors beitragen.Due to the large number of assemblies (housing, hood, drive, scanning unit) and interfaces between the assemblies, the assembly and adjustment effort is high, especially if the sensor must have very good scan field flatness. In the case of moving scanning units, an interface for energy and data transmission must also be provided on the rotating part of the sensor. This requires additional components or assemblies that contribute to increasing the complexity of the sensor and the assembly and adjustment of the sensor.

Daher ist Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen Sensor mit vereinfachtem Aufbau anzugeben.It is therefore the object of the invention to specify a generic sensor with a simplified structure.

Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Sensor zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Lagern einer Abtasteinheit, die Teil eines optoelektronischen Sensors nach Anspruch 1 ist, gelöst. This object is achieved by an optoelectronic sensor for detecting objects in a surveillance area according to claim 1 and a method for storing a scanning unit which is part of an optoelectronic sensor according to claim 1.

Der Sensor weist einen Lichtsender und einen Lichtempfänger auf, um den Überwachungsbereich abzutasten, wobei ein Antrieb mit einem Stator und einem Rotor und eine mit Hilfe des Rotors bewegte Abtasteinheit für eine periodische Abtastbewegung sorgen. Der Sensor weist ein Grundgehäuse mit einer Haube auf, wobei das Grundgehäuse und die Haube wenigstens eine Schnittstelle zur mechanischen Verbindung miteinander aufweisen. Die Haube umfasst wenigstens ein erstes Lager zur Aufnahme der Abtasteinheit, wobei die Abtasteinheit mit dem Rotor drehbar in dem ersten Lager gelagert ist. Das erste Lager kann bevorzugt auf der dem Grundgehäuse zugewandten Seite der Haube angeordnet sein.The sensor has a light transmitter and a light receiver in order to scan the monitored area, with a drive having a stator and a rotor and a scanning unit moved with the aid of the rotor ensuring a periodic scanning movement. The sensor has a base housing with a hood, with the base housing and the hood having at least one interface for mechanical connection to one another. The hood comprises at least one first bearing for accommodating the scanning unit, the scanning unit being rotatably mounted with the rotor in the first bearing. The first bearing can preferably be arranged on the side of the hood facing the basic housing.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die Lagerung der Abtasteinheit in der Haube die Anzahl toleranzbehafteter Schnittstellen reduziert wird, was zu einer vereinfachten Montage- und/ oder Justage und damit geringeren Herstellkosten führt. Des Weiteren führt die Lagerung der Abtasteinheit in der Haube zu einer optimalen Lageranordnung (Schwerpunkt der Masse zwischen den Lagerstellen) was zu einer deutlichen Verbesserung bei Schwing- und/oder Schockanforderungen führt. Zugleich wird der ganze Sensor im Feld robuster, hat eine höhere Schock- und Schwing-Festigkeit, und besonders die Outdoorfähigkeit oder die Einsatzmöglichkeiten in anspruchsvollen Umgebungen, in denen der Sensor nicht vor mechanischen Belastungen geschützt werden kann, erhöht sich somit erheblich. Ein Ausfall durch ein defektes Gerät wird wesentlich unwahrscheinlicher.The invention has the advantage that by storing the scanning unit in the hood, the number tolerance-prone interfaces is reduced, which leads to simplified assembly and / or adjustment and thus lower manufacturing costs. Furthermore, the storage of the scanning unit in the hood leads to an optimal bearing arrangement (centre of gravity of the mass between the bearing points), which leads to a significant improvement in vibration and/or shock requirements. At the same time, the entire sensor is more robust in the field, has a higher shock and vibration resistance, and in particular the outdoor capability or the possible uses in demanding environments in which the sensor cannot be protected against mechanical loads is significantly increased. A failure due to a defective device is much less likely.

In einer Ausführungsform der Erfindung können Lichtsender und Lichtempfänger im Grundgehäuse angeordnet sein. Die Abtasteinheit weist dann einen Umlenkspiegel zum Ablenken des Sendelichts in den Überwachungsbereich und des von Objekten in dem Überwachungsbereich remittierten Lichts auf den Lichtempfänger auf. Mit Lichtsender und Lichtempfänger sind vorzugsweise auch zugehörige Sende- und Empfangsoptiken sowie zumindest ein Teil der Sende- und Empfangselektronik sowie möglicherweise der Auswertungseinheit im Grundgehäuse untergebracht. Dies Ausführungsform hat den Vorteil, dass die bewegte Masse des Systems geringgehalten wird, da sich lediglich der Umlenkspiegel mit dem Rotor des Antriebs bewegt.In one embodiment of the invention, light transmitters and light receivers can be arranged in the basic housing. The scanning unit then has a deflection mirror for deflecting the transmitted light into the monitored area and the light reflected from objects in the monitored area onto the light receiver. With the light transmitter and light receiver, associated transmission and reception optics and at least part of the transmission and reception electronics and possibly the evaluation unit are also preferably accommodated in the basic housing. This embodiment has the advantage that the moving mass of the system is kept low, since only the deflection mirror moves with the rotor of the drive.

In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Abtasteinheit den Lichtsender und/oder den Lichtempfänger aufweisen. Damit wird die Abtasteinheit zu einem rotierenden Messkopf. Mit Lichtsender und Lichtempfänger sind vorzugsweise auch zugehörige Sende- und Empfangsoptiken sowie zumindest ein Teil der Sende- und Empfangselektronik sowie möglicherweise der Auswertungseinheit in der Abtasteinheit untergebracht.In one embodiment of the invention, the scanning unit can have the light transmitter and/or the light receiver. This turns the scanning unit into a rotating measuring head. With the light transmitter and light receiver, associated transmission and reception optics and at least part of the transmission and reception electronics and possibly the evaluation unit are preferably also accommodated in the scanning unit.

Der Stator des Antriebs kann im Grundgehäuse oder in der Haube angeordnet sein. Sind Stator und Rotor in der Haube angeordnet, entfallen Toleranzen für die mechanische Schnittstelle zwischen Haube und Grundgehäuse, die sich auf die Ausrichtung von Rotor und Stator gegeneinander beziehen. Die Anordnung im Grundgehäuse kann dann vorteilhaft, sein, wenn die Abtasteinheit als Umlenkspiegel ausgeführt ist und die übrigen Komponenten des Sensors im Grundgehäuse angeordnet sind, da dann keine elektrische Verbindung zur Haube notwendig ist.The drive stator can be located in the main housing or in the hood. If the stator and rotor are arranged in the hood, there are no tolerances for the mechanical interface between the hood and the main housing, which relate to the alignment of the rotor and stator with respect to one another. The arrangement in the base housing can be advantageous if the scanning unit is designed as a deflection mirror and the other components of the sensor are arranged in the base housing, since no electrical connection to the hood is then necessary.

Die Haube kann ein zweites Lager zur drehbaren Lagerung der Abtasteinheit aufweisen, wobei das erste Lager auf der dem Grundgehäuse zugewandten Seite der Haube angeordnet ist und das zweite Lager auf der dem Grundgehäuse abgewandten Seite der Haube angeordnet ist. Dadurch kann die höhere Schock- und Schwing-Festigkeit des Sensors verbessert werden. Die Dimensionierung der Lager kann optional an eine Form der Haube angepasst werden. Beispielsweise kann das zweite Lager einen geringeren Durchmesser aufweisen als das erste Lager.The hood can have a second bearing for the rotatable mounting of the scanning unit, the first bearing being arranged on the side of the hood facing the basic housing and the second bearing being arranged on the side of the hood facing away from the basic housing. As a result, the higher shock and vibration resistance of the sensor can be improved. The dimensioning of the bearings can optionally be adapted to a shape of the hood. For example, the second bearing can have a smaller diameter than the first bearing.

Die Haube kann mechanischen Aufnahmen für das erste und /oder das zweite Lager aufweisen, die vorteilhafterweise integraler Bestandteil der Haube sind. Dadurch entfällt nahezu jegliche Toleranz zwischen Haube und Abtasteinheit. Die Aufnahmen für das erste und /oder das zweite Lager können beispielsweise während eines Spritzgussprozesses zur Herstellung der Haube in dieser fixiert werden.The hood can have mechanical seats for the first and/or the second bearing, which are advantageously an integral part of the hood. This eliminates almost any tolerance between the hood and the scanning unit. The receptacles for the first and/or the second bearing can be fixed in the hood during an injection molding process for producing it, for example.

Die Haube kann als Rotationskörper mit einer Seitenwand und einem Deckelbereich ausgebildet. Die Seitenwand bildet beispielsweise einen Kreiszylinder, einen Kegelstumpf oder einen Kugelabschnitt, es sind aber auch kompliziertere Konturen beispielsweise wie bei einem Kelch denkbar. Nach oben hin wird dies dann durch einen Deckelbereich abgeschlossen, der kreisförmig sein, aber auch eine Wölbung aufweisen kann.The hood can be designed as a rotating body with a side wall and a cover area. The side wall forms, for example, a circular cylinder, a truncated cone or a segment of a sphere, but more complicated contours are also conceivable, for example as in the case of a cup. This is then closed at the top by a cover area, which can be circular, but can also have a curvature.

Die Haube kann eine Frontscheibe als Austrittsbereich für das Sendelicht und Eintrittsbereich für das remittierte Licht aufweisen. Diese Frontscheibe ist bevorzugt integraler Bestandteil der Haube, insbesondere der Seitenwand.The hood can have a front pane as an exit area for the transmitted light and an entry area for the reflected light. This windscreen is preferably an integral part of the hood, in particular the side wall.

Die Haube ist bevorzugt aus für das Sendelicht transparentem Kunststoff hergestellt. Die Transparenzeigenschaft gilt damit natürlich auch für das remittierte Empfangslicht, da es dieselbe Wellenlänge aufweist. Damit gewinnt die Haube die Eigenschaften, um zugleich als Frontscheide zu dienen. Für das bloße Auge muss allerdings die Haube keineswegs transparent sein, sondern ist beispielsweise schwarz und undurchsichtig, da für das Sendelicht häufig ein Spektralbereich außerhalb des sichtbaren Bereichs genutzt wird, insbesondere Infrarotlicht.The hood is preferably made of plastic that is transparent to the transmitted light. Of course, the transparency property also applies to the reflected received light, since it has the same wavelength. This gives the hood the properties to serve as a front sheath at the same time. However, the hood does not have to be transparent to the naked eye, but is black and opaque, for example, since a spectral range outside the visible range is often used for the transmitted light, in particular infrared light.

Die Haube ist vorzugsweise ein einziges Bauteil, keine Baugruppe aus mehreren Elementen, um die Herstellung der Haube und deren Handhabung während der Montage des Sensors zu vereinfachen.The hood is preferably a single component, not an assembly of multiple elements, to simplify the manufacture of the hood and its handling during assembly of the sensor.

Es kann ein Stützelement vorgesehen sein, dass die Haube zentral abstützt Der Abstützbereich an der Haube befindet sich dabei insbesondere etwa in der Mitte des Deckelbereichs. Geeignete Stützelemente und Anordnungen sind beispielsweise in der EP 3 293 546 B1 beschrieben.A support element can be provided that supports the hood centrally. The support area on the hood is located in particular approximately in the middle of the cover area. Suitable support elements and arrangements are for example in EP 3 293 546 B1 described.

Der Sensor ist bevorzugt ein entfernungsmessender Sensor, indem die Auswertungseinheit die Lichtlaufzeit zwischen Aussenden des Lichtsignals und Empfang des remittierten Lichts und daraus die Entfernung eines Objekts bestimmt. Damit können wesentlich genauere Objektinformationen gewonnen werden als durch bloße Feststellung der Anwesenheit von Objekten.The sensor is preferably a distance-measuring sensor, in that the evaluation unit determines the light propagation time between the transmission of the light signal and the reception of the reflected light, and from this the distance of an object. Much more precise object information can be obtained in this way than by merely determining the presence of objects.

Vorzugsweise ist eine Winkelmesseinheit zur Erfassung der Winkelstellung der Abtasteinheit vorgesehen. Insgesamt stehen dann für erfasste Objekte vollständige zweidimensionale Positionskoordinaten zur Verfügung. Im Falle eines räumlich ausgedehnten Überwachungsbereichs durch Bewegung der Abtasteinheit in zwei Achsen wird vorzugsweise auch der jeweilige Kippwinkel der Abtasteinheit erfasst, so dass dann insgesamt dreidimensionale Kugelkoordinaten erhalten werden, welche die Objektposition innerhalb des Überwachungsbereichs ebenfalls vollständig beschreiben.An angle measuring unit is preferably provided for detecting the angular position of the scanning unit. Overall, complete two-dimensional position coordinates are then available for detected objects. In the case of a spatially extended monitoring area caused by movement of the scanning unit in two axes, the respective tilting angle of the scanning unit is preferably also detected, so that overall three-dimensional spherical coordinates are then obtained which also completely describe the object position within the monitoring area.

Der Sensor ist bevorzugt als Sicherheitssensor ausgebildet und weist einen Sicherheitsausgang auf, wobei die Auswertungseinheit dafür ausgebildet ist zu bestimmen, ob sich ein Objekt in einem Schutzfeld innerhalb des Überwachungsbereichs befindet, um daraufhin ein sicherheitsgerichtetes Abschaltsignal über den Sicherheitsausgang auszugeben. Ein Sicherheitssensor ist sicher im Sinne einer Sicherheitsnorm wie einleitend beschrieben und kann deshalb insbesondere zum Personenschutz an Gefahrenquellen eingesetzt werden.The sensor is preferably designed as a safety sensor and has a safety output, with the evaluation unit being designed to determine whether an object is located in a protective field within the monitored area, in order to then output a safety-related switch-off signal via the safety output. A safety sensor is safe in the sense of a safety standard as described in the introduction and can therefore be used in particular for personal protection at sources of danger.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder analoge Merkmale. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:

1 eine schematische Schnittdarstellung eines herkömmlichen Laserscanners;
2 eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Laserscanners mit einer als Umlenkspiegel ausgeführten Abtasteinheit;
3 eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Laserscanners ähnlich 2;
4 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Laserscanners ähnlich 2;
5 eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Laserscanners mit einer einen Lichtsender und Lichtempfänger umfassenden Abtasteinheit;
6 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Laserscanners ähnlich 6;

The invention is explained in more detail below, also with regard to further features and advantages, by way of example on the basis of embodiments and with reference to the attached drawing. In this case, the same reference symbols designate the same or analogous features. The illustrations of the drawing show in:

1 a schematic sectional view of a conventional laser scanner;
2 a schematic sectional view of an embodiment of a laser scanner according to the invention with a scanning unit designed as a deflection mirror;
3 a schematic sectional view of an embodiment of a laser scanner according to the invention similar 2 ;
4 a schematic sectional view of a further embodiment of a laser scanner according to the invention similar 2 ;
5 a schematic sectional view of an embodiment of a laser scanner according to the invention with a scanning unit comprising a light transmitter and light receiver;
6 a schematic sectional view of a further embodiment of a laser scanner according to the invention similar 6 ;

2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensor in einer Ausführungsform als Laserscanner 10. Der Laserscanner 10 umfasst in grober Aufteilung eine bewegliche Abtasteinheit 12, ein Grundgehäuse 14 und eine Haube 16. Das Grundgehäuse 14 und die Haube 16 sind über wenigstens eine Schnittstelle 18 mechanisch miteinander verbunden. Die Haube 16 weist eine Seitenwand 50 auf, hier in Form eines Zylinders, allgemein als Rotationskörper aus einer geeigneten Kontur. Die Seitenwand 50 dient als Frontscheibe, durch die Sendelicht 30 ausbeziehungsweise aus dem Überwachungsbereich 32 remittiertes Licht 36 eintritt. Dementsprechend ist sie aus einem Material hergestellt, das für das von einem Lichtsender 26 erzeugte Sendelicht 30 transparent ist. Die Haube 16 wird nach oben hin durch einen Deckelbereich 52 abgeschlossen, der mit der Seitenwand 50 verbunden und vorzugsweise damit gemeinsam ausgebildet ist. Beispielsweise ist die Haube 16 ein einziges Kunststoffbauteil, das in einem Spritzgussverfahren hergestellt werden kann. Die Haube 16 umfasst wenigstens ein erstes Lager 20 zur Aufnahme der Abtasteinheit 12, wobei das erste Lager 20 auf der dem Grundgehäuse 14 zugewandten Seite der Haube 16 angeordnet und die Abtasteinheit 12 drehbar in dem ersten Lager 20 gelagert ist. Die Abtasteinheit 12 weist weiterhin wenigstens einen Rotor 22 auf, durch den die Abtasteinheit in Verbindung mit wenigstens einem im Grundgehäuse 14 angeordneten Stator 24 in eine Schwing- oder Drehbewegung versetzt werden kann. Rotor 22 und Stator 24 bilden somit gemeinsam einen Antrieb für die Abtasteinheit 12. 2 shows a schematic sectional view through an optoelectronic sensor according to the invention in an embodiment as a laser scanner 10. The laser scanner 10 comprises, roughly divided, a movable scanning unit 12, a basic housing 14 and a hood 16. The basic housing 14 and the hood 16 are mechanical via at least one interface 18 connected with each other. The hood 16 has a side wall 50, here in the form of a cylinder, generally a solid of revolution of a suitable contour. The side wall 50 serves as a front pane through which the transmitted light 30 or light 36 remitted from the monitoring area 32 enters. Accordingly, it is made from a material that is transparent to the transmitted light 30 generated by a light transmitter 26 . The hood 16 is closed off at the top by a cover area 52 which is connected to the side wall 50 and is preferably formed together therewith. For example, the hood 16 is a single plastic component that can be manufactured in an injection molding process. The hood 16 comprises at least one first bearing 20 for receiving the scanning unit 12, the first bearing 20 being arranged on the side of the hood 16 facing the basic housing 14 and the scanning unit 12 being rotatably mounted in the first bearing 20. The scanning unit 12 also has at least one rotor 22, by means of which the scanning unit, in conjunction with at least one stator 24 arranged in the base housing 14, can be set into an oscillating or rotating movement. Rotor 22 and stator 24 thus together form a drive for scanning unit 12.

Die Abtasteinheit 12 weist in dieser Ausführungsform einen Umlenkspiegel 25 auf, weitere Komponenten des Laserscanners 10, sind im Grundgehäuse 14 angeordnet. Ein Lichtsender 26 erzeugt mit Hilfe einer Sendeoptik 28 Sendelicht 30, das über den Umlenkspiegel 25 der Abtasteinheit 12 in einen Überwachungsbereich 32 ausgesandt wird. Trifft das Sendelicht 30 im Überwachungsbereich 32 auf ein Objekt 34, so kehrt ein entsprechend remittiertes Licht 36 zum Laserscanner 10 zurück. Das remittierte Licht 36 wird über den Umlenkspiegel 25 der Abtasteinheit 12 auf eine Empfangsoptik 38 im Grundgehäuse 14 geführt, von dieser auf einen Lichtempfänger 40 fokussiert und dort in ein elektrisches Empfangssignal gewandelt. Lichtsender 26 und Lichtempfänger 34 sind hier gemeinsam auf einer Leiterkarte 42 untergebracht.In this embodiment, the scanning unit 12 has a deflection mirror 25 ; further components of the laser scanner 10 are arranged in the basic housing 14 . A light transmitter 26 generates transmitted light 30 with the aid of transmission optics 28 , which is transmitted into a monitoring area 32 via the deflection mirror 25 of the scanning unit 12 . If the transmitted light 30 hits an object 34 in the monitored area 32 , a correspondingly remitted light 36 returns to the laser scanner 10 . The remitted light 36 is guided via the deflection mirror 25 of the scanning unit 12 to a receiving optics 38 in the basic housing 14, from which it is focused onto a light receiver 40 and converted there into an electrical reception signal. Light transmitter 26 and light receiver 34 are accommodated here together on a printed circuit board 42 .

Eine Steuer-und Auswertungseinheit 44 steuert den Stator 24 des Antriebs der Abtasteinheit sowie den Lichtsender 26, wertet das Empfangssignal des Lichtempfängers 40 aus und erhält das Signal einer Winkelmesseinheit 46, welche die jeweilige Winkelstellung der Abtasteinheit 12 bestimmt. Die Steuer- und Auswertungsfunktionalität kann weitgehend frei zwischen der Leiterkarte 42 und der Auswertungseinheit 44 verteilt sein, wird aber so beschrieben, als sei allein die Auswertungseinheit 44 dafür zuständig.A control and evaluation unit 44 controls the stator 24 of the drive of the scanning unit and the light transmitter 26, evaluates the received signal from the light receiver 40 and receives the signal from an angle measuring unit 46, which determines the respective angular position of the scanning unit 12. The control and evaluation functionality can largely be distributed freely between the printed circuit board 42 and the evaluation unit 44, but is described as if the evaluation unit 44 alone is responsible for it.

Zur Auswertung wird vorzugsweise mit einem Lichtlaufzeitverfahren die Distanz zu dem angetasteten Objekt 34 gemessen. Dazu wird in einem phasenbasierten System das Sendelicht des Lichtsenders 26 moduliert und eine Phasenbeziehung zu dem Empfangssignal des Lichtempfängers 40 ausgewertet. Alternativ werden in einem pulsbasierten System kurze Lichtpulse zu einem Sendezeitpunkt ausgesandt und aus dem Empfangssignal deren Empfangszeitpunkt ermittelt. Dabei sind sowohl Einzelpulsverfahren, die jeweils aus einem einzigen Sendepuls eine Entfernung bestimmen, als auch Pulsmittelungsverfahren denkbar, in denen das Empfangssignal nach einer Vielzahl aufeinanderfolgender Sendepulse gesammelt und statistisch ausgewertet wird. Die jeweilige Winkelstellung, unter welcher das Sendelicht 30 jeweils ausgesandt wurde, ist von der Winkelmesseinheit 46 ebenfalls bekannt. Somit stehen nach jeder Scanperiode, also Umdrehung der Abtasteinheit 12, über den Winkel und die Entfernung zweidimensionale Polarkoordinaten aller Objektpunkte in einer Abtastebene zur Verfügung.For the evaluation, the distance to the object 34 touched is preferably measured using a time-of-flight method. For this purpose, the transmitted light of the light transmitter 26 is modulated in a phase-based system and a phase relationship to the received signal of the light receiver 40 is evaluated. Alternatively, in a pulse-based system, short light pulses are emitted at a transmission time and their reception time is determined from the received signal. Both single-pulse methods, which determine a distance from a single transmission pulse, and pulse-averaging methods, in which the received signal is collected and statistically evaluated after a large number of consecutive transmission pulses, are conceivable here. The respective angular position at which the transmitted light 30 was emitted is also known by the angle measuring unit 46 . Thus, after each scanning period, ie rotation of the scanning unit 12, two-dimensional polar coordinates of all object points in a scanning plane are available via the angle and the distance.

Damit sind die Objektpositionen beziehungsweise Objektkonturen bekannt und können über eine Sensorschnittstelle 48 ausgegeben werden. Die Sensorschnittstelle 44 oder ein weiterer, nicht gezeigter Anschluss dienen umgekehrt als Parametrierschnittstelle. Bei Anwendungen in der Sicherheitstechnik werden Schutzfelder, die in dem Überwachungsbereich 22 konfiguriert werden können, auf unzulässige Eingriffe überwacht, und daraufhin wird gegebenenfalls ein sicherheitsgerichtetes Abschaltsignal über die dann sicher ausgebildete Schnittstelle 48 (z.B. OSSD, Output Signal Switching Device) ausgegeben.The object positions or object contours are thus known and can be output via a sensor interface 48 . Conversely, the sensor interface 44 or another connection (not shown) serves as a parameterization interface. In applications in security technology, protective fields that can be configured in the monitoring area 22 are monitored for impermissible interventions, and a safety-related switch-off signal may then be output via the interface 48, which is then designed to be safe (e.g. OSSD, Output Signal Switching Device).

3 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform des Laserscanners 10 aus 2. Die Haube 16 weist dabei ein zweites Lager 54 zur drehbaren Lagerung der Abtasteinheit 12 mit einem Stabilisierungselement 56 auf, wobei das zweite Lager 54 auf der dem Grundgehäuse 14 abgewandten Seite der Haube 16 angeordnet ist. Das zweite Lager 54 weist einen geringeren Durchmesser auf als das erste Lager 20. 3 12 shows a modification of the embodiment of the laser scanner 10. FIG 2 . The hood 16 has a second bearing 54 for the rotatable mounting of the scanning unit 12 with a stabilizing element 56 , the second bearing 54 being arranged on the side of the hood 16 facing away from the basic housing 14 . The second bearing 54 has a smaller diameter than the first bearing 20.

4 zeigt eine weitere Abwandlung der Ausführungsform des Laserscanners 10 aus 2, wobei im Unterschied zur Ausführungsform aus 2 die Haube 16 sowohl der Rotor 22 also auch den Stator 24 des Antriebs der Abtasteinheit 12 umfasst. Dadurch entfallen Toleranzen für die mechanische Schnittstelle 18 zwischen Haube 16 und Grundgehäuse 14, die sich auf die Ausrichtung von Rotor 22 und Stator 24 gegeneinander beziehen. 4 10 shows a further modification of the embodiment of the laser scanner 10. FIG 2 , wherein in contrast to the embodiment 2 the hood 16 includes both the rotor 22 and the stator 24 of the drive of the scanning unit 12 . This eliminates tolerances for the mechanical interface 18 between the hood 16 and the base housing 14, which relate to the alignment of the rotor 22 and the stator 24 with respect to one another.

5 zeigt eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors. Wie bei den in den 2-5 gezeigten Ausführungsformen, umfasst der als Laserscanner 60 ausgeführte optoelektronische Sensor in grober Aufteilung eine bewegliche Abtasteinheit 62, ein Grundgehäuse 14 und eine Haube 16. Das Grundgehäuse 14 und die Haube 16 sind über wenigstens eine Schnittstelle 18 mechanisch miteinander verbunden. Die Haube 16 weist eine Seitenwand 50 auf, hier in Form eines Zylinders, allgemein als Rotationskörper aus einer geeigneten Kontur. Die Seitenwand 50 dient als Frontscheibe, durch die Sendelicht 30 aus- beziehungsweise aus dem Überwachungsbereich remittiertes Licht 36 eintritt. Dementsprechend ist sie aus einem Material hergestellt, das für das von einem Lichtsender 26 erzeugte Sendelicht 30 transparent ist. Die Haube 16 wird nach oben hin durch einen Deckelbereich 52 abgeschlossen, der mit der Seitenwand 50 verbunden und vorzugsweise damit gemeinsam ausgebildet ist. Beispielsweise ist die Haube 16 ein einziges Kunststoffbauteil, das in einem Spritzgussverfahren hergestellt werden kann. Die Haube 16 umfasst wenigstens ein erstes Lager 20 zur Aufnahme der Abtasteinheit 62, wobei das erste Lager 20 auf der dem Grundgehäuse 14 zugewandten Seite der Haube 16 angeordnet und die Abtasteinheit 12 drehbar in dem ersten Lager 20 gelagert ist. Die Abtasteinheit 62 weist weiterhin wenigstens einen Rotor 22 auf, durch den die Abtasteinheit 62 in Verbindung mit wenigstens einem im Grundgehäuse 14 angeordneten Stator 24 in eine Schwing- oder Drehbewegung versetzt werden kann um so einen Überwachungsbereich 32 periodisch abzutasten. Rotor 22 und Stator 24 bilden somit gemeinsam einen Antrieb für die Abtasteinheit 62. 5 shows an alternative embodiment of a sensor according to the invention. As with the in the 2-5 In the embodiments shown, the optoelectronic sensor designed as a laser scanner 60 comprises a rough division of a movable scanning unit 62, a base housing 14 and a hood 16. The base housing 14 and the hood 16 are mechanically connected to one another via at least one interface 18. The hood 16 has a side wall 50, here in the form of a cylinder, generally a solid of revolution of a suitable contour. The side wall 50 serves as a front pane through which the emitted light 30 or light 36 remitted from the monitoring area enters. Accordingly, it is made from a material that is transparent to the transmitted light 30 generated by a light transmitter 26 . The hood 16 is closed off at the top by a cover area 52 which is connected to the side wall 50 and is preferably formed together therewith. For example, the hood 16 is a single plastic component that can be manufactured in an injection molding process. The hood 16 comprises at least one first bearing 20 for receiving the scanning unit 62, the first bearing 20 being arranged on the side of the hood 16 facing the basic housing 14 and the scanning unit 12 being rotatably mounted in the first bearing 20. The scanning unit 62 also has at least one rotor 22, by means of which the scanning unit 62, in conjunction with at least one stator 24 arranged in the base housing 14, can be set in an oscillating or rotating movement in order to periodically scan a monitoring area 32. Rotor 22 and stator 24 thus together form a drive for scanning unit 62.

Im Unterschied zu den in den 2-5 gezeigten Ausführungsformen ist die Abtasteinheit 62 als optischer Messkopf ausgebildet, in dem ein Lichtsender 26 mit Hilfe einer Sendeoptik 28 Sendelicht 30 in den Überwachungsbereich 32 aussendet. Trifft das Sendelicht 30 im Überwachungsbereich 32 auf ein Objekt 34, so kehrt entsprechendes remittiertes Licht 36 zum Laserscanner 60 zurück. Das remittierte Licht 36 wird von einer Empfangsoptik 38 auf einen Lichtempfänger 40 geführt und dort in ein elektrisches Empfangssignal gewandelt. Lichtsender 26 und Lichtempfänger 40 sind hier gemeinsam auf einer ersten Leiterkarte 42 untergebracht. Die Abtasteinheit 62 weist weiterhin ein erstes Energieübertragungsmodul 64 und ein erstes Datenübertragungsmodul 66 aufIn contrast to those in the 2-5 In the embodiments shown, the scanning unit 62 is designed as an optical measuring head in which a light transmitter 26 emits transmitted light 30 into the monitored area 32 with the aid of transmission optics 28 . If the transmitted light 30 hits an object 34 in the monitored area 32 , the corresponding reflected light 36 returns to the laser scanner 60 . The reflected light 36 is guided by receiving optics 38 to a light receiver 40 and converted there into an electrical received signal. Light transmitter 26 and light receiver 40 are housed here together on a first printed circuit board 42 . the Scanning unit 62 further includes a first energy transmission module 64 and a first data transmission module 66

Die Anordnung in der Abtasteinheit 62 ist rein beispielhaft zu verstehen. So können Lichtsender 26 und Lichtempfänger 40 auch jeweils auf einer eigenen Leiterkarte untergebracht sein und insgesamt mehr oder weniger Leiterkarten in anderer Anordnung vorgesehen sein. Prinzipiell ist jede andere an sich von einstrahligen optoelektronischen Sensoren oder Laserscannern bekannte Anordnung wie etwa eine Doppellinse mit Sendeoptik im Zentrum einer Empfangslinse oder die Verwendung eines Strahlteilerspiegels möglich. Es ist nicht einmal zwingend erforderlich, das ein tastendes System aus Lichtsender 26 und Lichtempfänger 40 aufgebaut wird, stattdessen kann auch ein anderer Sensor oder eine Kombination mehrerer Sensoren rotieren, etwa um eine Mehrfachabtastung in mehreren Ebenen zu erreichen, wie dies etwa in der DE 10 2013 111 547 A1 beschrieben ist.The arrangement in the scanning unit 62 is to be understood purely as an example. Thus, the light transmitter 26 and light receiver 40 can also each be accommodated on a separate circuit board and, overall, more or fewer circuit boards can be provided in a different arrangement. In principle, any other arrangement known per se from single-beam optoelectronic sensors or laser scanners is possible, such as a double lens with transmitting optics in the center of a receiving lens or the use of a beam splitter mirror. It is not even absolutely necessary that a scanning system of light transmitter 26 and light receiver 40 is constructed, instead another sensor or a combination of several sensors can rotate, for example to achieve multiple scanning in several planes, as is the case in FIG DE 10 2013 111 547 A1 is described.

Das Grundgehäuse 14 des Laserscanners 62 umfasst neben dem Stator 24 eine Steuer-und Auswertungseinheit 44 und eine Sensorschnittstelle 48 sowie ein zweites Energieübertragungsmodul 68 und ein zweites Datenübertragungsmodul 70. Über das erste und das zweite Energieübertragungsmodul 64, 68 kann eine Energieversorgung der Abtasteinheit 62, insbesondere des Lichtsenders 26 und des Lichtempfängers 40 erfolgen. Das erste und das zweite Datenübertragungsmodul dienen zur drahtlosen, bidirektionalen Datenübertragung von Steuersignalen der Steuer-und Auswertungseinheit 44 an die Abtasteinheit 62 sowie von elektrisches Empfangssignalen des Lichtempfängers 40 an die Steuer-und Auswertungseinheit 44. Die Steuer-und Auswertungseinheit 44 wertet das Empfangssignal aus, steuert den Antrieb 16 und erhält das Signal einer Winkelmesseinheit 42, welche die jeweilige Winkelstellung der Abtasteinheit 62 bestimmt. Die Steuer-und Auswertungsfunktionalität kann weitgehend frei zwischen der Abtasteinheit 62, insbesondere der Leiterkarten 42 und der Auswertungseinheit 40 verteilt sein. Die Auswertung der Empfangssignale erfolgt analog zur Beschreibung in 2.In addition to the stator 24, the basic housing 14 of the laser scanner 62 includes a control and evaluation unit 44 and a sensor interface 48 as well as a second energy transmission module 68 and a second data transmission module 70. The first and the second energy transmission module 64, 68 can supply energy to the scanning unit 62, in particular of the light transmitter 26 and the light receiver 40 take place. The first and the second data transmission module are used for the wireless, bidirectional data transmission of control signals from the control and evaluation unit 44 to the scanning unit 62 and electrical reception signals from the light receiver 40 to the control and evaluation unit 44. The control and evaluation unit 44 evaluates the received signal, controls the drive 16 and receives the signal from an angle measuring unit 42, which determines the respective angular position of the scanning unit 62. The control and evaluation functionality can be largely freely distributed between the scanning unit 62 , in particular the printed circuit board 42 , and the evaluation unit 40 . The received signals are evaluated analogously to the description in 2 .

6 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform des Laserscanners 60 aus 5 Die Haube 16 wird im Deckelbereich 52, in dieser Ausführungsform zentral, durch ein Stützelement 72 abgestützt. Das Stützelement 72 kann eine einfache Form haben, etwa als Stift oder Stange ausgebildet sein. Die Verbindung zwischen Haube 16 und Stützelement 72 ist vorzugsweise fix. Eine drehbare Lagerung ist dabei nicht vorgesehen und auch nicht erforderlich, weil das Stützelement 72 die Bewegung der Abtasteinheit 62 nicht mitvollzieht. Das Stützelement 72 verläuft vielmehr durch eine Aussparung in der Abtasteinheit 62 bis zum Grundgehäuse 14. Damit ist die Haube 16 an den Schnittstellen 18 und zusätzlich im Deckelbereich 52 stabil mit dem Grundgehäuse verbunden. 6 FIG. 12 shows a modification of the embodiment of the laser scanner 60. FIG 5 The hood 16 is supported by a support element 72 in the cover area 52, in this embodiment centrally. The support member 72 may have a simple shape such as a pin or rod. The connection between hood 16 and support element 72 is preferably fixed. A rotatable mounting is not provided and is also not required because the support element 72 does not follow the movement of the scanning unit 62 . Rather, the support element 72 runs through a recess in the scanning unit 62 to the base housing 14. The hood 16 is thus stably connected to the base housing at the interfaces 18 and additionally in the cover area 52.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 4340756 A1 [0004]
DE 19757849 B4 [0005]
EP 2388619 A1 [0005]
EP 3293546 B1 [0021]
DE 102013111547 A1 [0035]

Claims

Optoelectronic sensor (10, 60), in particular a laser scanner, for detecting objects (34) in a monitored area (32), the sensor (10, 60) having a light transmitter (26) for emitting transmitted light (30), a drive with a stator (24) and a rotor (22), a scanning unit (12, 62) movable with the aid of the rotor (22) for periodically scanning the monitored area (32) with the transmitted light (30), a light receiver (40) for generating a received signal consisting of light (30) remitted by objects (34) in the monitored area (32), a control and evaluation unit (44) for acquiring information about objects (34) in the monitored area (32) using the received signal and a basic housing (14) with a hood (16), characterized in that the basic housing (14) and the hood (16) have at least one interface (18) for mechanical connection to one another, and the hood (16) has at least one first bearing (20) for accommodating the scanning unit (12 , 62), wherein the scanning unit (12, 62) is rotatably mounted with the rotor (22) in the first bearing (20).

Photoelectric sensor (10, 60) after claim 1 , characterized in that the stator (24) is arranged in the base housing (14).

Photoelectric sensor (10, 60), after claim 1 , characterized in that the stator (24) is arranged in the hood (16).

Optoelectronic sensor (10, 60) according to one of the preceding claims, characterized in that the first bearing (20) is arranged on the side of the hood (16) facing the basic housing (14).

Photoelectric sensor (10, 60) after claim 4 , characterized in that the hood (16) has a second bearing (54) for the rotatable mounting of the scanning unit (12, 62), the second bearing (54) being arranged on the side of the hood (16) facing away from the basic housing (14). is.

Optoelectronic sensor (10, 60) according to one of the preceding claims, characterized in that the hood (16) is designed as a rotating body with a side wall (50) and a cover area (52).

Optoelectronic sensor (10, 60) according to one of the preceding claims, wherein the hood (16) has a front pane (50) as an exit area for the transmitted light (30) and an entry area for the reflected light (36).

Optoelectronic sensor (10, 60) according to one of the preceding claims, characterized in that the hood (16) is made of plastic which is transparent to the transmitted light (30).

Optoelectronic sensor (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the light transmitter (26) and the light receiver (40) are arranged in the basic housing (14), and the scanning unit (12) has a deflection mirror (25) for deflecting the transmitted light ( 30) in the monitored area (32) and the light (36) reflected by objects (34) in the monitored area (32) onto the light receiver (40).

Optoelectronic sensor (60) according to one of Claims 1 - 8th , characterized in that the scanning unit (62) has the light transmitter (26) and/or the light receiver (40).

Photoelectric sensor (60) after claim 10 , characterized in that the sensor (60) has a support element (72) for the central support of the hood (16).