DE3024679C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Kantenerkennungsgerät mit einer einen Lichtstrahl aussendenden Lichtquelle und einem den Lichtstrahl empfangenden und dabei ein elektrisches Signal ab­ gebenden fotoelektrischen Element.

Derartige Geräte sind auf vielen Gebieten im Einsatz und werden meist als Lichtschranke bezeichnet. Sie dienen im allgemeinen dazu, bei Unterbrechung oder Freigabe des Lichtstrahls einen bestimmten Vorgang auszulösen, etwa das Öffnen bzw. Schließen einer Türe, die Abgabe eines Alarmsignals, die Betätigung einer Zählvorrichtung und dergleichen. Dabei gibt das fotoelektrische Element dann, wenn es den Lichtstrahl empfängt, ein elektrisches Signal ab, das meist verstärkt wird und dessen Beginn oder Ende zur Steuerung der angeschlossenen Vorrichtung herangezogen wird.

Es gibt jedoch in der Technik auch Vorgänge, bei denen es darum geht, die genaue Position eines Vorsprungs oder eine Kante kon­ taktlos festzustellen. Handelt es sich bei der zu erkennen­ den Kante um eine echte Begrenzungskante des Körpers, dann kann zwar eine solche bekannte Lichtschranke zur Kantenerkennung eingesetzt werden, etwa indem die ganze Lichtschranke senkrecht zu dem stillstehenden Kantenkörper bewegt wird, exakte Erkennungen sind jedoch damit nicht möglich, weil die Strahlquerschnitte der Lichtschranken vergleichsweise groß sind. Handelt es sich dagegen bei der zu erkennenden Kante um eine im Bereich eines Körpers vor- oder zurückspringende Kante, beispielsweise die Kante eines Risses, eine Abwinkelungskante oder die Stoßkante zweier Körper, dann können die bekannten Lichtschranken zur Kantenerkennung überhaupt nicht eingesetzt werden. In solchen Fällen behilft man sich dann meist mit Kontakt-Erkennungsgeräten, etwa Tastern. Besonders dann, wenn die zu erkennende Kante sich in einem Be­ reich hoher Temperatur befindet, etwa bei der Kantenerkennung von Blechen auf Walzenstraßen, oder wenn an die Kante ein Bearbeitungs­ werkzeug herangeführt werden soll, erweisen sich die mit Kontakt arbeitenden Erkennungsgeräte als sehr nachteilig.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, auf der Grundlage der ein­ gangs erwähnten optischen Kantenerkennungsgeräte ein kontaktlos auf vergleichsweise große Entfernung arbeitendes Erkennungsgerät zu schaffen, mit dem der Ort und Verlauf beliebiger Kanten äußerst exakt festgestellt werden kann. Die Lösung dieser Auf­ gabe besteht darin, daß die Lichtquelle ein Laserstrahler ist, daß in den Weg des den Strahler verlassenden Laserstrahls eine den Strahl zu einem zu der zu erkennenden Kante parallelen Breitstrahl mit geringer Höhe aufweitende Zylinder-Zerstreuungslinse eingesetzt ist, daß in den Weg des von der zu erkennenden Kante reflektier­ ten Strahls eine Sammellinse eingesetzt ist und daß das fotoelek­ trische Element in der Brennebene der Sammellinse angeordnet ist.

Durch die Verwendung eines Laserstrahls und einer Zylinder-Zer­ streuungslinse ist es möglich, einen scharf begrenzten Breit­ strahl zu erzielen, der beispielsweise eine Breite von 10 mm und eine Dicke von nur 0,2 mm aufweist, wobei sich ein solcher Breitstrahl wesentlich besser für eine exakte Kantenerkennung eignet als die üblichen Lichtschrankenstrahlen mit vergleichs­ weise großem und nicht scharf begrenztem Querschnitt. Weiterhin ist von Bedeutung, daß im Gegensatz zu den meisten Lichtschran­ ken nicht nach dem Durchlaßverfahren sondern nach dem Reflexions­ verfahren gearbeitet wird, weil damit auch vor- und rückspringende Kanten innerhalb der Körperoberfläche erkennbar sind. Schließlich ist wesentlich, daß der reflektierte Breitstrahl vor seinem Auf­ treffen auf das fotoelektrische Element wieder zu einem scharfen und damit energiereichen Punktstrahl umgewandelt wird, weil auf diese Weise das fotoelektrische Element in der Lage ist, eindeu­ tige, von Streulichteinflüssen und dergleichen im wesentlichen unabhängige Schaltimpulse abzugeben.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung bei­ spielsweise dargestellt; es zeigt

Fig. 1 skizzenhaft das erfindungsgemäße Kantenerkennungsgerät, und

Fig. 2 ebenfalls skizzenhaft die optische Ausstattung des Ge­ räts von Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 weist das Gerät ein Gehäuse 10 auf, in welchem in einem Rohr 11 ein Laserstrahl 12 untergebracht ist. Austritts­ seitig sitzt auf dem Rohr 11 eine Zerstreuungsoptik 13. Weiter­ hin befindet sich im Gehäuse 10 ein Rohr 14, in welchem eine Fotozelle 15 untergebracht ist. Eintrittsseitig sitzt auf dem Rohr 14 eine Sammeloptik 16. Mit 17 ist eine Schaltungselektro­ nik bezeichnet, die dazu dient, das Ausgangssignal der Fotozelle 15 zu verstärken und in ein Steuersignal umzuformen, welches dazu geeignet ist, eine nicht dargestellte Vorrichtung, beispiels­ weise eine Bearbeitungsvorrichtung, zu steuern. Der vom Strahler 12 ausgehende Strahl ist mit A bezeichnet, der von einer zu lackierenden Kante 18 a eines Werkstücks 18 reflektierte Strahl mit B.

Aus Fig. 2 ist erkennbar, daß die Zerstreuungsoptik 13 aus einer sphärischen Zerstreuungslinse 13 a und einer Zylinderlinse 13 b zusammengesetzt ist. Die Sammeloptik 16 ist als mehrlinsiges System dargestellt, dessen Linsen gegeneinander verschiebbar sind, so daß die Brennebene verstellt werden kann.

Das Gerät arbeitet folgendermaßen. Der vom Laserstrahler 12 ab­ gegebene Punktstrahl wird von den Linsen 13 a und 13 b zu einem Breitstrahl A umgewandelt, wobei das Gerät so eingestellt wird, daß der Breitstrahl parallel zu der zu erkennenden Kante 18 a verläuft. Der von der zu erkennenden Kante 18 a, die in Fig. 2 zur Verdeutlichung flächig dargestellt ist, reflektierte Breit­ strahl B wird in der Sammeloptik 16 wiederum zu einem Punktstrahl vereinigt, d. h. die Fotozelle 15 wird in die Brennebene der Sammeloptik 16 gebracht, so daß sie einen Punktstrahl empfängt. In der Praxis wird man als Sammeloptik 16 ein sogenanntes Zoom- Objektiv verwenden, weil es damit auf einfache Weise möglich ist, bei jeder Entfernung zwischen Erkennungsgerät und zu erkennender Kante den Brennpunkt der Optik genau auf die Oberfläche der Foto­ zelle 15 zu legen. Die Feststellung, ob der Brennpunkt auf der Fotozelle liegt, erfolgt dabei durch visuelle Beobachtung zu welchem Zweck das Rohr 14 eine Beobachtungsöffnung 14 a besitzt.

Soll beispielsweise die in Fig. 1 gezeichnete, durch aufeinan­ derliegende Bleche gebildete Kante 18 a ermittelt werden, dann wird das Gerät in Richtung der Pfeile senkrecht zur Kante 18 a verschoben, bis von der Fotozelle 15 reflektiertes Licht empfan­ gen wird, was dann zur Auslösung des gewünschten Vorgangs führt. Bei allen anderen Bewegungspositionen des Geräts erreicht der reflektierte Strahl B die Sammeloptik 16 und die Fotozelle 15 nicht, wird vielmehr in eine andere Richtung abgelenkt. Das Ge­ rät nach der gezeichneten Ausführungsform kann beispielsweise für Schweißmaschinen Verwendung finden. Dabei wird das Gerät zusammen mit dem eigentlichen Schweißgerät auf einem Wagen be­ festigt, wobei der Stellmotor des Wagens durch das Signal der Fotozelle 15 gesteuert wird. Auf diese Weise erfolgt eine auto­ matische Positionseinstellung des Schweißgeräts, derart, daß die Schweißung exakt an der Kante 18 a durchgeführt wird. Dabei ist darauf hinzuweisen, daß dies nur deshalb möglich ist, weil das Erkennungsgerät sich in einem beträchtlichen Abstand von der Schweißkante befindet, also außerhalb des Bereichs von Schweiß­ spritzern.

Bei einer praktischen Ausführung wurde als Laserstrahler ein nahe dem Infrarotbereich arbeitender Helium-Neon-Laser mit integriertem Spiegel verwendet. Als Sammeloptik diente eine aus Teleobjektiv für Brennpunktverschiebung und Linseneinsatz für Fokussierung bestehendes System. Das elektrische Ausgangssignal der Fotozelle wurde elektronisch verstärkt und einer Steuerein­ heit für Signalauswertung und Motorensteuerung zugeführt. Die Rohre 11 und 14 waren in begrenztem Umfang im Gehäuse 10 schwenk­ bar, so daß der Winkel α zwischen Strahl A und Strahl B entspre­ chend der Entfernung des Werkstücks eingestellt werden kann. Dabei liegt diese Entfernung zwischen Werkstück und Erkennungs­ gerät im allgemeinen zwischen 1 Meter und 5 Meter.

Die Erfindung kann zahlreiche, dem jeweiligen Anwendungszweck angepaßte Abänderungen erfahren. So kann etwa für die Erkennung gekrümmten Kanten der Querschnitt des Breitstrahls mittels geeig­ neter Optiken einen gekrümmten Querschnitt oder einen Querschnitt in Form einer langgezogenen Ellipse erhalten. Auch kann es für manche Anwendungsfälle zweckmäßig sein, in den Strahlweg ein op­ tisches Element einzusetzen, welches einerseits den abgehenden Strahl A ungehindert durchläßt, andererseits den zurückkommenden Strahl B umlenkt. Verwendet man dabei als optisches Element ein gleichschenkeliges Rechteckprisma, dann kann das Rohr 14 im Ge­ häuse 10 senkrecht zum Rohr 11 angeordnet werden, was mit dem Vor­ teil verbunden ist, daß die Rohre im Gehäuse 10 starr befestigt werden können (die Einstellung des Winkels α gemäß Werkstücksent­ fernung entfällt). Schließlich kann als fotoelektrisches Element auch eine Fotodiode oder ein Fotowiderstand dienen.

Claims (9)

1. Optisches Kantenerkennungsgerät mit einer einen Lichtstrahl aussendenden Lichtquelle und einem den Lichtstrahl empfangenden und dabei ein elektrisches Signal abgebenden fotoelektrischen Element, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Laserstrahler (12) ist, daß in den Weg (A) des den Strahler (12) verlassenden Lichtstrahls eine den Strahl zu einem zu der zu erkennenden Kan­ te (18 a) parallelen Breitstrahl mit geringer Höhe aufweitende Zylinder-Zerstreuungs­ linse (13) eingesetzt ist, daß in den Weg (B) des von der zu er­ kennenden Kante (18 a) reflektierten Strahls eine Sammellinse (16) eingesetzt ist und daß das fotoelektrische Element (15) in der Brennebene der Sammellinse (16) angeordnet ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zy­ linder-Zerstreuungslinse (13) aus der Kombination einer sphäri­ schen Zerstreuungslinse (13 a) und einer Zylinderlinse (13 b) be­ steht.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Breitstrahl eine Breite von etwa 10 mm und eine Höhe von etwa 0,2 mm aufweist.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Sammellinse (16) ein optisches System mit einstell­ barer Brennweite (Zoom-Objektiv) ist.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das fotoelektrische Element (15) eine Fotozelle ist.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Laserstrahler (12) in einem Rohr (11) mit aufgesetz­ ter Zerstreuungsoptik (13) und das fotoelektrische Element (15) in einem Rohr (14) mit aufgesetzter Sammeloptik (16) untergebracht ist und daß beide Rohre (11, 14) in einem gemeinsamen Gehäuse (10) angeordnet sind.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumin­ dest eines der beiden Rohre (11, 14) neigungsverstellbar im Gehäuse (10) angeordnet ist.

8. Gerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem das fotoelektrische Element (15) beinhaltenden Rohr (15) eine Öffnung (14 a) zur Beobachtung des fotoelektrischen Elements (15) vorgesehen ist.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein optisches Element, vorzugsweise Prisma- oder Lochspiegel, so in den Strahlweg eingesetzt ist, daß es den vom Strahler (12) ausgesendeten Lichtstrahl (A) ungehindert durchläßt, den reflektierten Strahl (B) dagegen umlenkt.