DE3429764A1

DE3429764A1 - Vorrichtung zur untersuchung der lage und/oder kontur eines objekts mittels ultraschall

Info

Publication number: DE3429764A1
Application number: DE19843429764
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dr.-Ing. 7501 Pfaffenrot Feldmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1984-08-13
Filing date: 1984-08-13
Publication date: 1986-02-20

Description

Siemens Aktiengesellschaft Unser Zeichen Berlin und München VPA 84 P 4435 DE

Vorrichtung zur Untersuchung der Lage und/oder Kontur eines Objekts mittels Ultraschall

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichte, Band 10 (1981), Nr. 2, Seiten 110 bis 118) werden die von einem zu untersuchenden Objekt reflektierten Ultraschallsignale (Echosignale) in einem Sender und Empfänger enthaltenden Ultraschallbaustein empfangen und in elektrische Signale umgewandelt. Auf diese Weise kann die Lage bzw. die Kontur des Objekts ohne einen direkten mechanischen Kontakt untersucht werden, wobei die Amplituden- und die Laufzeitunterschiede der reflektierten Echosignale Aufschluß über die Entfernung des Objekts vom Ultraschallsender geben. Weist das zu untersuchende Objekt eine Kontur auf, die die Erzeugung mehrerer Echos ermöglicht, so kann aus den Laufzeitunterschieden der einzelnen Echosignale eine Aussage über die Kontur des Objekts gemacht werden. Diese Auswertung wird mit der elektronischen Auswerteeinrichtung durchgeführt, in der aus dem Amplitudenverlauf der reflektierten Signale über der Zeit die Objektkonturen ermittelt werden können. Um aus den Echosignalen jedoch eine möglichst schnell und einfach zu ermittelnde Aussage über die Kontur und die Lage des Objekts zu bekommen, ist entweder eine genaue Kenntnis der Echosignale oder ein relativ aufwendiges Auswerteverfahren notwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Untersuchung der Lage und/oder der Kontur eines Objekts zu schaffen, mit der durch eine einfache und sehne1-

Ag 4 Bz / 09.08.1984

-Jt- VPA 84 P 4435 DE

le Auswertung der Ultraschall-Echosignale das Objekt identifiziert werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 auf. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung von vier Ultraschallempfängern, die gleichmäßig um den Sender in einer Bezugsebene angeordnet sind, kann eine einfache und schnelle Auswertung der Ultraschall-Echosignale dadurch erreicht werden, daß ein Vergleich der mit den vier Empfängern empfangenen Signale durchgeführt wird. Handelt es sich beispielsweise um ein Objekt, das rotationssymmetrisch zur Z-Achse ausgerichtet ist, so müssen die mit den vier Empfängern empfangenen Signale die gleiche Struktür aufweisen. Somit ist in diesem Falle eine schnelle Identifizierung ohne aufwendige Signalanalyse möglich. Handelt es sich dagegen um Objekte, die entweder nicht genau auf der Z-Achse ausgerichtet oder nicht rotationssymmetrisch sind, so kann auf jeden Fall aus den spezifischen Unterschieden der mit den vier Empfängern aufgefangenen Echosignale eine einfache Identifizierung durchgeführt werden, wobei nicht jedes Echosignal einzeln analysiert werden muß, sondern nur aus den Unterschieden der vier Signale die erforderlichen Informationen ermittelt werden.

Eine besonders genaue Identifizierung eines Objekts kann hier in vorteilhafter Weise erreicht werden, wenn die zu erwartende Signa!struktur eines oder mehrerer Echosignale bekannt ist und somit gemäß der Merkmale des Anspruchs 2 die Identifizierung durch Vergleich des bekannten mit dem tatsächlichen Signal durchgeführt wird. Hierbei ist es in einfacher Weise möglich, eine Vorselektion durch Vergleich der empfangenen Echosignale mit gespeicherten Grobstrukturen gemäß Anspruch 3 durchzuführen.

-S5 - VPA 84 P 4435 DE

Vorteilhafte Anwendungen der Vorrichtung ergeben sich gemäß Anspruch 4, bei der zur Untersuchung von rotationssymmetrischen Objekten nur eine Differenzbildung von zwei Echosignalen jeweils zweier Ultraschallempfänger durchgeführt werden muß, wobei sich Unterschiede in der Echosignalstruktur dieser beiden UItraschallempfänger nur ergeben, wenn das rotationssymmetrische Objekt nicht genau in der Z-Achse des mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gebildeten Koordinatensystems angeordnet ist. Bei genau mittiger Lage des Objekts entlang der Z-Achse ergibt die Differenz der beiden Echosignale Null; die Differenz wird um so größer, je weiter das Objekt aus dieser Lage entfernt ist.

In diesem Fall ist aus der Polarität und der Amplitu^-= des Differenzsignals das Maß der Verschiebung ableitbar.

In vorteilhafter Weise kann die Objektuntersuchung gemäß der Anwendung nach Anspruch 5 durchgeführt werden, wobei beispielsweise in einem ersten Schritt aus der Differenz der Echosignale der Empfänger auf der X-Koordinate und der Echosignale der Empfänger auf der Y-Koordinate sowie aus der Gesamtsignallaufzeit ein Stellsignal für die Greiferpositionierung des Handhabungsautomaten gewonnen wird. Nachdem der Greiferarm in einem zweiten Schritt in die Nähe des Objekts gebracht ist, kann zur Identifizierung des Objekts ein Vergleich der empfangenen Echosignale (Echoprofilvergleich) mit im Speicherbaustein abgelegten charakteristischen Echoverläufen bestimmter vorkommender Objekte durchgeführt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann darüber hinaus auch dahingehend angewendet werden, daß der Ultraschallsender und alle Empfänger auch einzeln für Pulsechomessungen herangezogen werden können, wodurch Detailinformationen über die Kontur und die Lage des Objekts ermittelbar sind.

- \ - VPA 84 P 4435 DE

Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert, wobei Figur 1 den Prinzipaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Objektidentifizierung,

Figur 2 einen typischen Verlauf des Echoteilsignals eines zu untersuchenden Objekts und

Figur 3 die unterschiedlichen Signalverläufe der Echosignale bei veränderten Lagen des Objekts darstellen.

In der Figur 1 sind im oberen Teil in einer Bezugsebene⁵ BS ein Ultraschallsender S und Ultraschallempfänger E1, Ε2, E3, E4 angeordnet. Der Ultraschallsender S befindet sich im Mittelpunkt eines Koordinatensystems X, Y, Z, und die Ultraschalleinpfänger E1 und E2 sind auf der X-Koordinate auf gegenüberliegenden Seiten des Ultraschallsenders S und die Ultraschallempfänger Ξ3 und E4 auf der Y-Koordinate ebenfalls je auf gegenüberliegenden Seiten des Ultraschallsenders S angeordnet. Die Ultraschallempfänger E1 ... E4 enthalten hier nicht dargestellte Wandler, die das empfangene Schallsignal in ein elektrisches Signal umwandein und über Leitungen 1 ... 4 zu einer Auswerteeinrichtung AE führen. Entlang der Z-Koordinate befindet sich im unteren Teil der Figur 1 ein zu untersuchendes Objekt OB, das in einer Objektebene OE mit den Koordinaten X*, Y* rotationssymmetrisch zur Z-Koordinate angeordnet ist. Die Z-Koordinate stellt die Ausbreitungsrichtung des vom Ultraschallsender S ausgestrahlten Ultraschalls dar. Die vom Ultraschallsender S ausgehenden Schallwellen werden an der Kontur des zu untersuchenden Objekts reflektiert, wobei ein Teil der Ultraschallwellen einen solchen RefIexionswinkel aufweist, daß sie zu einem der Ultraschallempfänger E1 ... E4 gelangen und dort in ein elektrisches Signal umgewandelt werden können.

In der Figur 2 ist der Signalverlauf U an einem der Empfänger E1 ... E4 dargestellt, wie er bei einer Reflexion an dem im linken Teil der Figur 2 dargestellten Objekt auftritt. Der Verlauf U stellt die Hüllkurve des Echo-

- % - VPA 84 P 4435 DE signals in der X-Richtung des Koordinatensystems gemäß Figur 1 über der Zeit t dar. Im Verlauf der Zeit t tritt beim dargestellten Ausführungsbeispiel an der mit 5 gekennzeichneten Stelle des Signalverlaufs U ein Echo auf, das von der Oberfläche 5¹ des Objekts OB reflektiert worden ist. Zu dem mit 6 gekennzeichneten Zeitpunkt tritt ein Echosignal von dem Oberflächenteil 6¹ und zu dem mit 7 gekennzeichneten Zeitpunkt tritt ein Echosignal von dem Teil 7' des hier weiter nicht dargestellten Meßaufbaus auf. Aus den Laufzeitdifferenzen zwischen den markierten Stellen 5, 6 und 7 sowie aus den Amplituden des Echosignals im Signalverlauf U können somit Rückschlüsse auf die Lage und die Kontur des zu untersuchenden Meßobjekts OB gewonnen werden. Ist das zu untersuchende Objekt OB in seinen Ausmaßen bekannt, so kann dieser in der Figur 2 dargestellte Signalverlauf U bereits in einer Speichereinrichtung, die Bestandteil der Auswerteeinrichtung AE gemäß Figur 1 ist, abgespeichert werden und somit eine Objektidentifizierung durch Differenzbildung bzw. Vergleich der Signale durchgeführt werden.

Wenn sich das zu untersuchende Objekt OB mittig im Koordinatensystem nach der Figur 1 parallel zur Z-Koordinate befindet und - wie hier dargestellt - eine rotationssymmetrische Kontur aufweist, so müssen alle Ausgangssignale der Ultraschallempfäriger E1 ... E4 eine gleiche, hier dargestellte Form aufweisen, so daß bei einer Differenzbildung sich ein Auswertesignal Null ergeben muß.

In der Figur 3 sind Signalverläufe UI, U2, U3 und U4 dargestellt, die sich ergeben, wenn das zu untersuchende Objekt OB aus seiner mittigen Lage im Koordinatensystem herausbewegt wird. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Objekt OB jeweils um 5 mm in X-Richtung verschoben, so daß die Einhüllende der Signalverläufe U1 ... U4 sich immer mehr bei diesem Beispiel auf die linke Seite verschiebt. Aufgrund der Form des Signalverlaufs U4 läßt

- 16 - VPA 84 P 4435 DE

sich somit insbesondere durch Vergleich oder Differenzbildung mit dem Signalverlauf U1 eine eindeutige Aussage über die Lage des zu untersuchenden Objekts OB finden. Bei einer Anwendung der Vorrichtung gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in einem Greiferarm eines Handhabungsautomaten kann somit der Greiferarm mechanisch derart nachgeführt werden, daß er an das Objekt OB herangelangt, und im weiteren Verlauf der Untersuchung des Objekts ist es noch möglich, durch Vergleich des Verlaufs des Echosignals mit einer bekannten Signalform eine eindeutige Objektidentifizierung vorzunehmen.

5 Patentansprüche
3 Figuren

Claims

VPA 84 P 443!; DE Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Untersuchung der Lage und/oder Kontur eines Objekts mittels Ultraschall mit - einem Ultraschallsender (S), dem in der Ausbreitungsrichtung des Schalls das Objekt (OB) vorgelagert ist,

- mindestens einem Ultraschallempfänger (E1 ... E4), der seitlich versetzt zur Ausbreitungsrichtung des Schalls derart installiert ist, daß er vom Objekt (OB) zurückgeworfene Echosignale des ausgesendeten Ultraschalls empfängt,

- und einer elektronischen Auswerteeinrichtung (AE), mit der aus Amplitude und Laufzeit der Echosignale die Lage und/oder Kontur bestimmbar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

- der Ultraschallsender (S) und vier Ultraschallempfänger (E1 ... E4) in einer Bezugsebene angeordnet sind, wobei - der Ultraschallsender (S) im Mittelpunkt eines karthesischen Koordinatensystems (X, Y) angeordnet ist und die Ultraschallempfänger (E1 ... E4) mit gleichem Abstand auf einem Kreis um den Ultraschallsender (S), jeweils zwei auf der X- und zwei auf der Y-Koordinate, angeordnet sind, und daß

- die Ausbreitungsrichtung des Ultraschalls vom Sender (S) die Z-Koordinate darstellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Auswerteeinrichtung (AE) einen Speicherbaustein enthält, in dem die Struktur der Echosignale für mindestens

ein Referenzobjekt gespeichert ist und durch Vergleich der gespeicherten Signale und der empfangenen Echosignale eine Identifizierung des Objektes (OB) durchführbar ist.
35

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß

-JS- VPA 84 P 4435 DE

- im Speicherbaustein Echosignale für vorgegebene Grobstrukturen gespeichert sind, mit dem eine Vorselektion des zu untersuchenden Objektes (OB) durchführbar ist.

4. Anwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

- bei der Untersuchung von rotationssymmetrischen Objekten (OB) eine Differenzbildung der Echosignale jeweils zweier Ultraschallempfänger durchgeführt wird.

5. Anwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß

- bei der Objektuntersuchung durch den Greiferarm eines Handhabungsautomaten in einem ersten Schritt durch die Differenzbildung die Lage des Objekts ermittelt wird,

- in einem zweiten Schritt der Greiferarm aufgrund der Lageerkennung an das Objekt herangeführt wird und daß

- in einem dritten Schritt eine Identifizierung des Objekts (OB) anhand seiner Kontur durchgeführt wird.