DE2043831B2 - Vorrichtung zur fotoelektrischen Überwachung bewegter Körper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung bewegter Körper mittels eines von einer Lichtquelle ausgehenden Abtaststrahlenbündels, das, nachdem es einen schräg zur Abtaststrahlenbündelachse angeordneten teildurchlässigen Planspiegel durchlaufen hat, auf einen am zu überwachenden Körper vorgesehenen Reflektor gelangt, von wo aus es auf den teildurchlässigen Spiegel zurückgeworfen wird, um nach Reflexion an diesem ein ein Signal auslösendes fotoelektrisches Element zu beeinflussen.

Es sind Vorrichtungen bekannt (Zeitschrift »Feingerätetechnik«, Heft 8, 1960, S. 342), bei welchen ein Lichtstrahl oder ein Lichtstrahlenbündel zwischen einer Lichtquelle und einem lichtempfindlichen Element, z. B. einer Fotozelle, vom bewegten, lichtundurchlässigen Körper unterbrochen und dadurch ein wunschgemäß verwertbares Signal ausgelöst wird. Diese Vorrichtungen haben den Nachteil, daß Lichtquelle und lichtempfindliches Element nicht oder nur mit Schwierigkeiten im selben Gehäuse untergebracht werden können, was ihre Verwendungsmöglichkeit einschränkt. So eignen sie sich insbesondere auch nicht zur Überwachung des Vorrates an vom bewegten Körper getragenem Verbrauchsmaterial (z. B. eines Garnvorrates auf einer Schützenspule in einer Webmaschine od. dgl.).

Zur Vermeidung dieser Nachteile sind Vorrichtungen mit Autokollimationslichtschranken bekannt, bei denen ein vorerst mit Hilfe eines Linsensystems (Kondensor) mindestens angenähert parallelgerichtetes und von einem im Lichtstrahlengang schräggestellten teildurchlässigen Spiegel durchgelassenes Lichtstrahlenbündel von einem weiteren Linsensystem (Objektiv) auf einen bestimmten Punkt der Oberflächenbahn des bewegten Körpers oder auf eine hinter der Bahn des bewegten Körpers angeordnete reflektierende Fläche fokussiert wird. Bei ungehindertem Lichtstrahlengang wird das Lichtstrahlenbündel von der reflektierenden Fläche bzw. von einer an der Oberfläche des bewegten Körpers angebrachten reflektierenden Fläche auf das Objektiv und von letzterem auf den schräggf-stellten, teildurchlässigen Spiegel zurückgeworfen. Die von diesem letzteren

ίο umgelenkten und mindestens angenähert parallelen Lichtstrahlen werden von einem Linsensystem auf ein lichtempfindliches Element, z.B. eine Fotozelle, fokussiert. Zur Signal auslösung kann wahlweise die Lichtstrahlunterbrechung durch den bewegten Körper bei hinter dessen Bahn angeordneter reflektierender Fläche oder die plötzlich auftretende Strahlreflexion bei an der Oberfläche des bewegten Körpers angeordneter reflektierender Fläche verwendet werden. Die letztgenannte Ausführungsform wird z. B. dort

ao angewendet, wo ein Vorrat von Verbrauchsmaterial auf dem bewegten Körper festgestellt werden kann, indem bei Erschöpfung des Vorrates die reflektierende Fläche freigegeben wird.

Die bei einer solchen Vorrichtung verwendete vielfache Lichtstrahlbrechung erfordert aber ein umfangreiches, schweres, aufwendiges und teures System von Linsen Außerdem können sich reflektierende Teile des bewegten Körpers (blankes Metall) oder des Verbrauchsmaterials selbst (z. B. gewisse Kunstgarne auf Schützenspulen an Webmaschinen) dort störend auswirken, wo die plötzliche Lichtstrahlreflexion zur Signalauslösung angewendet werden muß. Ferner ist die Erfassung eines an beliebiger Stel'e, d. h. in beliebigem Abstand vom Linsensysten er

durch das Lichtstrahlenbünde! bewegten Körpers nicht möglich.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 803 833 ist ein Lichtschrankensystem der vorgenannten Art ohne teildurchlässigen und Reflexspiegel bekannt,

d. h. eine praktisch aus einer Lichtquelle und einem Lichtempfänger (Fotozelle) bestehende Anordnung. Das die Lichtstrahlen reflektierende, auf den Empfänger zurücklenkende, Element ist dort die Oberfläche des zu überwachenden Objektes selbst. Zu diesem Zweck sind für den Lichtsender und den Lichtempfänger je ein optisches System (Objektive) vorgesehen, um die Lichtstrahlen der Lichtquelle in eine Brennebene zu fokussieren. Gelangt das Objekt in diese Brennebene, so werden die diffus von seiner Oberfläche reflektierten Lichtstrahlen auf den Empfänger fokussiert, dessen Objektiv mit demjenigen des Senders im Aufbau identisch ist, und es erfolgt eine Anzeige. — Bewegt sich ein Objekt vor oder hinter dieser Brennebene in den Lichtstrahl des Lichtsenders hinein, so bleibt die von dort aus zum Empfänger reflektierte Strahlung ohne Wirkung, d. h. man erhält keine Anzeige. Mit einer solchen Vorrichtung ist somit die Erfassung der Lage eines an beliebiger Stelle quer durch das Lichtstrahlenbündel bewegten Körpers nicht möglich. Außerdem ist die Verwendung zweier optischer Systeme (Objektive) mit den sich daraus ergebenden, bereits genannten Nachteilen notwendig.

Eine ähnliche Anordnung ist aus der Patentschrift 22 961 des Amtes für Erfindungs- und Patentwesen in Ost-Berlin bekannt und wird dort als Schußfadenwächter verwendet, wobei auf einem Teil des Spulenschafts ein transparenter, auf seiner Innenseite mit

90^c-Pri5men versehener Reflektor vorgesehen wird. Auch hier sind zwei getrennte optische Systeme für Lichtsender und Lichtempfänger erforderlich. Auch die Literaturstelle »Feinwerktechnik«, 71. Jahrgang (1967), Heft5, S. 215 und 216, zeigt derartige Lichtschranken, bei denen es wesentlich auf eine genaue Fokussierung auf das zu erfassende Objekt ankommt.

Ferner ist aus der deutschen Patentschrift 952 155 eins lichtelektrische Schranke mit einem Lichtsender, einem Reflektor und einem auf der Senderseite angeordneten, eine Warn- oder Abschaltvorrichtung steuernden bzw. auslösenden Empfänger (lichtelektrische Zelle cd. dgl.) bekannt. Bei dieser Schranke wird unter Verwendung mindestens eines fest angeordneten Reflektors, z. B. eines Tripelspiegel, und gegebenenfalls eines teildurchlässigen Spiegels auf der Senderseite, ein vom Lichtsender ausgehendes, ruhendes Nutzstrahlenbündel nacii dem Autokollimationsprinzip auf den Empfänger gelenkt. Eine Un- ao terbrechung dieses Bündels, z.B. durch die Hand eines Arbeiters, löst dabei einen Alarm aus. — Auch bei dieser Lichtschranke sind umfangreiche Vorkehrungen zur Bündelung der Lichtstrahlen erforderlich, wodurch der Einsatz, unter anderem wegen der ge- as nauen Justierung der optischen Systeme und deren Reinigung, aufwendig wird.

Die deutsche Patentschrift 1275 913 beschreibt eine Lichtschranke, bei welcher auf der einen Seite eine Lichtquelle und ein erster fotoelektriscl:er Fmpfänger sowie ein zur Lichtbündelung dienender streifenförmiger Hohlspiegel angeordnet sind und bei welcher das von der Lichtquelle ausgesandte Strahlenbündel von einem auf der anderen Seite fest angeordneten L'mkehrreflektor in die Einfallsrichtung zurückgeworfen wird und wenigstens teilweise auf den Empfänger fällt. Diese Lichtschranke soll justierunempfindlich, aber empfindlich auf Änderungen im Lichtstrom gemacht werden. Dazu ist vorgesehen, daß der Hohlspiegel ein ruhendes Strahlenbündel mit relativ großem Querschnitt erzeugt, daß ein zweiter fotoelektrischer Empfänger von derselben Lichtquelle belichtet wird und daß die Ausgangsgrößen der Empfänger miteinander verglichen werden. Auf diese Weise sollen Änderungen der Intensität der Lichtquelle automatisch kompensiert werden. — Auch diese Vorrichtung ist insofern aufwendig, als sie optische Mittel zur Bündelung der Lichtstrahlen aufweist, die teuer, schwer und platzbeanspruchend sind und überdies der Justierung und ständigen Reinigung bedürfen. Ähnliche Vorrichtungen, bei denen zur Kompensation einer etwaigen Intensitätsänderung der Lichtquelle oder zur Erfassung von Oberflächenänderungen an durchlaufendem Material zwei auf eine gemeinsame Kompensationsschaltung arbeitendc Lichtempfänger verwendet werden, die ihr Licht von einem gemeinsamen Lichtsender erhalten, sind bekannt aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 817 259 und der USA.-Patentschrift 3 474 254, von denen sich die eine mit der Erfassung von optischen So Marken auf Magnetbändern und die andere mit der Erfassung von Materialfehlei η in Stoffen od. dgl. befaßt.

Schließlich ist aus der Literaturstelle »Elektronik« 1967, Heft 10, S. 298, sin Brennweiten-Tastkopf bekannt, bei dem mittels eines optischen Systems ein Brennfleck in einer bestimmten Brennebene erzeugt wird und dann ein Signal ausgelöst wird, wenn sich in dieser Brennebene reflektierendes Material befindet, z. B. ein Papierstapel. Ein solcher Tastkopf, dessen optisches System naturgemäß ebenfalls relativ aufwendig gebaut sein muß, bedarf also einer sehr genauen Einstellung und reagiert auf alle glänzenden Gegenstände, die durch die Stelle des Brennflecks durchlaufen. Will man bei einem Teil der durchlaufenden Gegenstände eine Anzeige vermeiden, so muß man diese Gegenstände mit optischen Mattlack überziehen. Da aber im Betrieb ein solcher Überzug leicht beschädigt wird und dann an denjenigen Stellen, wo der Lacküberzug fehlt, eine Reflexion auftritt, besteht hierbei zusätzlich die Gefahr von Fehlanzeigen. Dasselbe gilt für die analog aufgebaute Vorrichtung nach der USA.-Patentschrift 3 459 240, bei der zur Lichtleitung Lichtleitfaserbündel verwendet werden.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Überwachungseinrichtung zu schaffen, welche einen einfachen und raumsparenden Aufbau aufweist und komplizierte optische Systeme mit ihren Justierungsproblemen entbehrlich macht.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer eingangs genannten Vorrichtung dadurch erreicht, daß das auf den bewegten Körper treffende Strahlenbündel divergent ist und daß der am zu überwachenden bewegten Körper vorgesehene Reflektor derart ausgebildet ist, daß bei vorgegebener Stellung des bewegten Körpers die Strahlen des divergenten Strahlenbündels in sich reflektiert werden. Auf Grund des Fehlens komplizierter optischer Systeme (Linsen u. dgl.), ist die erfindungsgemäße Anordnung einfach, raumsparend und leicht. Bei beschränkter Flächenausdehnung der Umkehrreflektoren eignet sie sich vorteilhaft zur nahen Überwachung bewegter Körper an vibrationsintensiven Stellen von Maschinen, insbesondere als Garnvorratsüberwachungsgerät für Schützenspulen an Webmaschinen. Überdies ist auf Grund des Lichtstrahlenverlaufs und der Anordnung des Umkehrreflektors ein stets ausreichender und als besonders gut zu bewertender Unterschied in der Intensität des auf das lichtempfindliche Element in den Fällen der Anwesenheit bzw. Nichtanwesenheit des Umkehrreflektors im Uberwachungsbereich zurückgeworfenen Lichtstrahlenbündels gegeben.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung geht man dabei so vor, daß die Lichtquelle als Lichtemitterdiode ausgebildet ist und das der Strahlenweg von der Lichtemitterdiode zum bewegten Körper frei von brechenden Linsen ist. Die Verwendung von Lichtemitterdioden für Abtastzwecke ist bekannt aus der französischen Patentschrift 1 472 211 und der deutschen Auslegeschrift 1 262 833. Beide Schriften geben aber die Lehre, diese Dioden in Verbindung mit fokussierenden optischen Systemen zu verwenden, wobei die genannte französische Patentschrift ausführt, daß nur bei einem in der Größenordnung von 1 mm liegenden Abstand zwischen Emitterdiode und Lichtempfänger optische Systeme nicht erforderlich sind.

Solche kleinen Abstände können aber bei bewegten Maschinenteilen gewöhnlich nicht eingehalten werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine Vorrichtung mit Lichtstrahlengang ohne Umkehrreflektnr und

F i g. 2 die Vorrichtung nach F i g. 1 mit dem Lichtstrahlengang bei beleuchtetem Umkehrreflektor.

Mitl ist eine Lampe mit der Lichtquelle 9 bezeichnet. Diese strahlt ein Lichtstrahlenbündel mit den äußersten Strahlen 2 und der Achse 13 aus. Ein teillichtdurchlässiger Spiegel 3 ist quer durch den Strahlengang des Lichtbündels gestellt. Der von dem Spiegel 3 durchgelassene Lichtstrahlenteil mit gleicher Achse 13 ist durch die äußersten Strahlen 2' in geradliniger Fortsetzung der Strahlen 2 begrenzt. Ein Umkehrreflektcr 4 ist auf der Oberfläche 8 des in Richtung des Pfeiles 11 bewegten Körpers 10 angebracht. Ein lichtempfindliches Element6, z.B. die Kristalle einer Fotozelle, ist symmetrisch zur Lichtquelle 9 in bezug auf die dem lichtempfindlichen Element 6 zugekehrten Fläche des Spiegels 3 in einem Halter 14 angeordnet. Zwischen dem Element 6 und dem Spiegel 3 auf der Geraden 13' als Achse, wobei die Gerade 13' symmetrisch zur Lichtbündelachse 13 bezüglich der dem Element 6 zugekehrten Fläche des Spiegels 3 steht, ist eine Blende 7 angeordnet.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung nach der Erfindung wird folgendermaßen geschildert:

Fallen die vom teillichtdurchlässigen Spiegel 3 durchgelassenen Lichtstrahlen vom Bündel 2' auf die nicht oder spiegelend reflektierende Oberfläche 8 des Körpers 10 (Fig. 1), so werden sie symmetrisch zu ihrer Auffallrichtung bezüglich der Senkrechten zui Oberfläche 8 an ihrem Auftrefffpunkt reflektiert. Sofern die Oberfläche 8 nicht konkav mit dem Krümmungszentrum an der Stelle der Lichtquelle 9 ist. S bleibt das reflektierte Bündel divergierend innerhalb der mit 2'" bezeichneten äußersten Strahlen. Nur eir Teil davon wird, ebenfalls divergierend, vom Spiegel 3 in allgemeiner Richtung zum Element 6 umgelenkt, wovon der größte Teil von der Blende 7 zu-

ίο rückgeihalten wird. Es fällt ein nur schwaches Lichl auf das Elemente auf, das kein Signal auslöst. Die Blende 7 schützt zugleich das Element 6 vor anfallendem Störlicht.
Gelangt im Laufe der Bewegung des Körpers 10 in Pfeilrichtung 11 der Umkehrreflektor 4 unter die beleuchtete Stelle (F i g. 2), so werden die auf ihn fallenden Lichtstrahlen in ihrer Auftreffgegenrichtung, d. h. konvergierend, reflektiert. Das Bündel 2' fällt wieder auf den teillichtdurchlässigen Spiegel 3 zu-

ao rück. Der von diesem nicht durchgelassene Teil wird ebenfalls konvergierend als Bändel mit den Grenzstrahlen 2" umgelenkt, passiert die Blende 7 und fällt als intensives Licht auf das lichtempfindliche Element 6, das genügend beeinflußt wird, um ein Signal

«5 auszulösen.

Dank dem Fehlen jeglicher optischer Linsen ist die beschriebene Überwachungsvorrichtung einfach, raumsparend und leicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

4001 ■«r ■-

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Überwachung bewegter Körper mittels eines von einer Lichtquelle ausgehenden Abtaststrahlenbündels, das, nachdem es einen schräg zur Abtaststrahlenbündelachse angeordneten teildurchlässigen Planspiegel durchlaufen hat, auf einen am zu überwachenden Körper vorgesehenen Reflektor gelangt, von wo aus es auf den teildurchlässigen Spiegel zurückgeworfen wird, um nach Reflexion an diesem ein ein Signal auslösendes fotoelektrisches Element zu beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, daß das auf den bewegten Körper (10) treffende Strahlenbündel (2, 13) divergent ist und daß der am zu überwachenden bewegten Körper (Ϊ9) vorgesehene Reflektor (4) derart ausgebildet ist, daß bei vorgegebener Stellung des bewegten Körpers (10) die Strahlen des divergenten Strahlenbündels (2,13) in sich reflektiert werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (9) als Lichtemitterdiode ausgebildet ist und daß der Strahlenweg von der Lichtemitterdiode zum bewegten Körper (10) frei von brechenden Linsen ist.

3. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 zur Garnvorrat^cüberwachung für Schützenspulen an Webmaschinen.