DE3822143A1

DE3822143A1 - Verschiebungssensor mit optischer abtastung

Info

Publication number: DE3822143A1
Application number: DE3822143A
Authority: DE
Inventors: Motoo Ikari; Yuji Takada; Shintaro Yamamoto; Toshimitsu Isoi; Kaoru Shirakura; Tadashi Satake; Yoshiaki Kanbe; Yoshito Kato; Masao Kawase; Yasuo Ishiguro; Nobuyuki Suzuki
Original assignee: Toyota Motor Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 1987-06-30
Filing date: 1988-06-30
Publication date: 1989-01-12
Also published as: GB9107670D0; GB2243442B; GB8814270D0; IT1219969B; US4864147A; GB2243442A; IT8848128A0; GB2206690B; GB2206690A

Description

Die Erfindung betrifft einen Verschiebungssensor mit optischer Abtastung unter Anwendung der Triangulierung. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Verschiebungssensor, bei dem eine optische Abtastung der Oberfläche eines zu erfassenden Objektes in einem Triangulierungssystem erfolgt, um das zweidimensionale Oberflächenprofil des Objektes zu erfassen.

Ein solcher Verschiebungssensor kann das Oberflächenprofil eines Objektes mit hoher Genauigkeit erfassen und mit besonderem Vorteil bei Fertigungsstraßen für Kraftfahrzeuge und dergleichen angewendet werden, bei denen eine automatische Bearbeitung erfolgt, z. B. das Lichtbogenschweißen mittels Robotern.

Es wurden bereits verschiedene Arten von Sensoren zur optischen Vermessung eines Objektes mittels Triangulierung vorgeschlagen. So ist in der US-PS 36 12 890 eine Anordnung zur Erfassung der Verschiebungsstrecke des Objektes beschrieben. Bei dieser Anordnung wird ein Lichtstrahl aus einer Lichtquelle auf das Objekt projiziert, und das vom Objekt reflektierte Licht wird durch eine Sammellinse auf einen Fotosensor eines Lichtempfängers konzentriert. Eine Auswerteeinrichtung liefert Signale, welche die Verschiebungsstrecke anzeigen, wenn irgendeine Verschiebung des reflektierten Lichtes auf dem Fotosensor stattfindet. Die Triangulierungsanordnung nach dieser US-Patentschrift ermöglicht eine hochgenaue Messung der Verschiebungsposition des Objektes und kann grundsätzlich als zufriedenstellend arbeitende Anordnung angesehen werden.

Bei einer solchen Erfassungsanordnung besteht zwischen einer Veränderung der relativen Position des Objektes bezüglich des Fotosensors oder, in anderen Worten, einer Veränderung der Entfernung zwischen dem Objekt und dem Fotosensor aufgrund einer Verschiebung des Objektes oder einer Abtastung, bei welcher der Lichtstrahl über ein gewelltes Oberflächenprofil des Objektes geführt wird, und der Verschiebungsstrecke Δ l des Objektes die im folgenden erläuterte Beziehung. Die Entfernung l zwischen der Lichtquelle und dem Objekt sei gleich l _c+Δ l (worin l _c die Entfernung zwischen Lichtquelle und Objekt ist, wenn das reflektierte Licht nach Durchlaufen der Sammellinse auf dem Mittelpunkt des Fotosensors fokussiert wird, während Δ l eine Strecke ist, um welche das Objekt verschoben wurde), F sei die Entfernung zwischen der Linse und dem Fotosensor, Δ z sei eine Verschiebungsstrecke, um welche das die Linse durchquerende reflektierte Licht aus dem Mittelpunkt des Fotosensors aufgrund der Verschiebung des Objektes verlagert wurde, und R sei der Schnittwinkel zwischen der optischen Achse der Lichtquelle und der optischen Achse von Linse und Fotosensor:

(l _c/cos R+Δ l cos R) Δ z = (Δ l sin R) F
Δ z = (tan R) F Δ l/(l _c/cos² R+Δ l)

Wenn a = (tan R) F und b = l _c/cos² R, so gilt

Δ z = a Δ l/(b+Δ l) (1)

Hieraus ist ersichtlich, daß die Verschiebungsstrecke Δ z über eine nichtlineare Beziehung von der Verschiebungsstrecke Δ l abhängt.

Die Auswerteeinrichtung ermöglicht zwar die Gewinnung eines die Auftreffposition des reflektierten Lichtes auf dem Fotosensor anzeigenden Signals, jedoch besteht zwischen der Verschiebungsstrecke Δ z und diesem Auftreffpositionssignal die in der folgenden Gleichung (2) angegebene Beziehung, worin I _A ein Auftreffpositionssignal für eine Verschiebung des auftreffenden reflektierten Lichtes aus dem Mittelpunkt des Fotosensors heraus in einer Richtung, I _B ein Auftreffpositionssignal für eine Verschiebung in einer anderen Richtung und 2l _p die effektive Länge des Fotosensors ist:

(I _A-I _B )/(I _A+I _B ) = Δ z/l _p (2)

Aus diesen Gleichungen (1) und (2) ist ersichtlich, daß das die gemessene Entfernung angebende Signal Lo aus der Auswerteeinrichtung, welches die Information über die Verschiebungsstrecke Δ l des Objektes beinhaltet, nicht in linearer Weise von der Verschiebungsstrecke Δ l abhängt. Von einem solchen System, welches zumeist unter den Bedingungen eingesetzt wird, daß die Entfernung zwischen Lichtquelle und Meßobjekt sich entweder in großem oder kleinem Ausmaße ändert, erwartet man, daß eine hohe Meßgenauigkeit bezüglich der Verschiebungsstrecke Δ l bei guter Linearität der Beziehung zu dem die gemessene Verschiebungsstrecke anzeigenden Signal gewährleistet ist.

Um dies zu erreichen, wurde eine verbesserte Anordnung vorgeschlagen, die eine hochgenaue Messung der variablen Entfernung zwischen Lichtquelle und Objekt durchführen kann und ein die gemessene Entfernung anzeigendes Signal liefert, welches ausreichend linear von jeder Veränderung der Entfernung abhängt. Bei dieser verbesserten Anordnung wurde weiterhin angestrebt, daß ein Korrektursignal auf das die gemessene Entfernung anzeigende Signal Lo aus der Auswerteeinrichtung angewendet wird; dieses Korrektursignal stammt aus einer digitalen Operationsschaltung, die einen Speicher besitzt, um einen zuvor gewonnenen Korrekturwert abzuspeichern, durch den eine im voraus angenommene Nichtlinearität des Signals Lo korrigiert werden soll. Diese Korrektur wird durch eine zentrale Prozessoreinheit (ZPU) verwirklicht. Bei einer solchen Anordnung besteht jedoch die Schwierigkeit, daß zur Erzielung einer hohen Auflösung und hohen Genauigkeit der Entfernungsmessung eine Speichereinrichtung benötigt wird, die ein sehr großes Speichervolumen aufweisen muß; weiterhin muß der Korrekturwert optimal im Hinblick auf die Herstellungstoleranzen der Bestandteile des Systems eingestellt werden. Durch diese Forderungen wird das System teuer, kompliziert in der Einstellung und ungeeignet für Massenfertigung.

Zur Behebung dieser Schwierigkeiten wurden die in der DE-OS 36 40 159 beschriebenen Maßnahmen vorgeschlagen. Danach wird insbesondere eine Operationseinrichtung verwendet, um eine Addition und Subtraktion für jedes Paar Positionsausgangssignale durchzuführen, so daß ein Verhältnis zwischen beiden Ausgangssignalen gewonnen wird, um ein die Objektentfernung anzeigendes Meßsignal zu gewinnen; eine mathematische Korrekturzahl wird durch eine Linearitätskorrektureinrichtung auf eines der beiden Positionsausgangssignale angewendet, um jegliche Nichtlinearität des die gemessene Entfernung anzeigenden Signals zu korrigieren. Bei einem solchen System wird kein Speicher von hoher Speicherkapazität benötigt. Das die gemessene Entfernung anzeigende Signal Lo wird mit der gewünschten Linearität und hohen Genauigkeit auf einfachere Weise und mittels einer kostengünstigen Anordnung gewonnen. Dieses System liefert gute Ergebnisse bei einer eindimensionalen Positionserfassung mittels eines eindimensionalen Positionsdetektorelementes, vorzugsweise ein PSD-Element, wobei die Entfernung zwischen dem Positionsdetektorelement und dem Objekt als Funktion angesetzt wird. Es steht aber noch keine zweidimensionale Positionsdetektoreinrichtung zur Verfügung, die nicht nur die Funktion der Entfernung zwischen dem Positionsdetektorelement und dem Objekt anwendet, sondern auch die Abtastlänge als zusätzliche Funktion. Diese Abtastlänge ist die eines Lichtstrahls in einer Richtung, welche die Richtung der eindimensionalen Positionserfassung rechtwinklig schneidet. Es besteht ein Bedarf, z. B. für die Erfassung des Oberflächenprofils eines Objektes, eine zweidimensionale Positionsdetektion zu ermöglichen, während zugleich das die gemessene Entfernung anzeigende Signal ausreichend linear ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verschiebungssensors mit optischer Abtastung, der eine zweidimensionale Positionserfassung ermöglicht und weiterhin die benötigte Speicherkapazität zum Speichern der Korrekturdaten für die Linearitätskorrektur des Entfernungsmeßsignals minimal hält sowie die Durchführung eines Abgleichs ermöglicht.

Gemäß der Erfindung wird dies durch einen Verschiebungssensor erreicht, der die Triangulierung anwendet und bei welchem ein Lichtstrahl aus einer Lichtprojiziereinrichtung auf ein zu erfassendes Objekt nach Ablenkung durch eine Ablenkeinrichtung projiziert wird, das am Objekt reflektierte Licht über eine optische Sammel- und Empfangseinrichtung auf einen Positionsdetektor fällt, der zwei Ausgangssignale von einander entgegengesetzter Größe erzeugt, während eine Operationseinrichtung eine Addition und Subtraktion mit jedem der beiden Positionsausgangssignale durchführt, um ein Entfernungsmeßsignal zu gewinnen, welches die Entfernung des Objektes angibt; eine Linearitätskorrektureinrichtung korrigiert die Nichtlinearität, mit welcher das Entfernungsmeßsignal behaftet ist; diese Linearitätskorrektureinrichtung berechnet eine inverse Funktion aus einem ersten Entfernungsmeßsignal, welches proportional zu dem Ausgangssignal des Positionsdetektors ist, und einem zweiten Entfernungsmeßsignal, welches proportional zur Entfernungsänderung des Objektes ist, durch Multiplizieren des ersten Entfernungsmeßsignals mit einem Signal, welches die Summe der inversen Funktion und einer Konstanten ist.

Mit der oben angegebenen, erfindungsgemäßen Ausbildung des mit optischer Abtastung arbeitenden Verschiebungssensors ist es möglich, eine zweidimensionale Positionserfassung durchzuführen, bei welcher das Entfernungsmeßsignal die gewünschte Linearität aufweist, ohne daß eine Speichereinrichtung benötigt wird, die ein relativ großes Speichervolumen aufweist, und ohne Verwendung von relativ aufwendigen Teilen wie Zentralprozessoren oder dergleichen, die an die Speichereinrichtung angekoppelt sind, wobei darüber hinaus der Sensor für einen Hochgeschwindigkeits-Operationsprozessor ausgelegt werden kann, um ein zweidimensionales Oberflächenprofil des Objektes schnell und genau zu erfassen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Skizze zur Erläuterung der Entfernungsmessung mittels Triangulierung, wie sie bei dem Verschiebungssensor nach der Erfindung angewendet wird;

Fig. 2 eine schematische Perspektivansicht einer Entfernungsmeßanordnung, die nach dem in Fig. 1 gezeigten Prinzip arbeitet;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Signalprozessors für die Anordnung nach Fig. 1;

Fig. 4 ein Flußdiagramm, welches die Signalverarbeitungsschritte in der Linearitätskorrektureinrichtung zeigt, welche gemäß der Erfindung in der Entfernungsmeßanordnung nach Fig. 1 verwendet wird;

Fig. 5 und 6 Skizzen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Linearitätskorrektureinrichtung nach Fig. 4;

Fig. 7 ein Blockdiagramm, welches bestimmte Einzelheiten der Funktion der Linearitätskorrektureinrichtung nach Fig. 4 zeigt;

Fig. 8 eine Ansicht zur Erläuterung des in einem Speicher der Linearitätskorrektureinrichtung nach Fig. 4 gespeicherten Inhalts;

Fig. 9 eine Skizze zur Erläuterung der Wirkungsweise der Einrichtung nach Fig. 4;

Fig. 10 eine Perspektivansicht eines im auseinandergebauten Zustand gezeigten anamorphotischen optischen Systems, das bei dem erfindungsgemäßen Sensor benutzt wird;

Fig. 11 eine Ansicht zur Erläuterung der Wirkungsweise des anamorphotischen optischen Systems nach Fig. 10;

Fig. 12 eine Skizze zur Erläuterung einer Funktion des erfindungsgemäßen Sensors, während dieser bei einem Schweißvorgang an zwei Arbeitsstücken verwendet wird;

Fig. 13 ein Flußdiagramm eines Algorithmus zur Erfassung einer Stufe oder eines Höhenunterschiedes bei einem Werkstück mittels des erfindungsgemäßen Sensors;

Fig. 14 ein Blockdiagramm einer Signalverarbeitungsschaltung, die bei dem Sensor nach Fig. 13 verwendet wird;

Fig. 15 ein Flußdiagramm eines weiteren Algorithmus zur Erfassung einer Höhendifferenz bei einem Werkstück mittels des erfindungsgemäßen Sensors;

Fig. 16 bis 19 Ansichten zur Erläuterung der Wirkungsweise des Sensors;

Fig. 20 und 21 Perspektivansichten einer demontierten Schutzabdeckung für verschiedene Funktionen bei dem Sensor nach der Erfindung;

Fig. 22 eine im Schnitt gezeigte Teilansicht eines Gehäuses für den Sensor nach Fig. 21.

Es wird nun auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen. Der erfindungsgemäße Verschiebungssensor 10, bei dem eine mit Triangulierung arbeitende Entfernungsmeßanordnung verwendet wird, umfaßt eine Lichtquelle 11, die durch einen Halbleiterlaser, eine Leuchtdiode oder dergleichen verwirklicht ist, eine Ablenkeinrichtung 12 zum Ablenken eines reflektierten Lichtstrahls, der von der Lichtquelle 11 ausgeht und auf einem zu erfassenden Objekt auftreffen soll, ein optisches Lichtempfangssystem 13, das geeignet ist, um am Objekt reflektiertes und gestreutes Licht zu empfangen und dieses zu konzentrieren, sowie einen Detektor 14, der durch ein eindimensionales Positionsdetektorelement gebildet ist, insbesondere durch ein PSD-Element, worauf das Lichtempfangssystem 13 einen konzentrierten Lichtfleck S erzeugt. In dem Detektor bzw. Positionsdetektor 14 werden zwei Positionsdetektionssignale I _A und I _B erzeugt, ansprechend auf die Lage des konzentrierten Lichtflecks S; aus diesen Positionssignalen wird mittels Triangulierung die Entfernung des Objektes OBJ durch Ausführung verschiedener Operationen erzeugt. Wenn die Position des Objektes OBJ von A nach B wandert und dann zu C gelangt, wobei sich die Entfernung zwischen der Lichtquelle 11 und dem Objekt OBJ ändert, so bewegt sich die Lage des konzentrierten Lichtflecks S auf der Lichtempfangsoberfläche des Detektors 14 von a nach b und dann c; die zwei Positionsdetektionssignale I _A und I _B ändern sich dabei jeweils umgekehrt proportional zueinander; die Änderung der Entfernung des Objektes kann aus den sich so verändernden Positionsdetektionssignalen I _A und I _B abgeleitet werden. Wenn der Lichtstrahl die Oberfläche des Objektes OBJ abtastet, wie in Fig. 2 gezeigt, kann eine zweidimensionale Positionserfassung erfolgen, wie oben kurz erläutert wurde.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 werden nun Einzelheiten der oben beschriebenen Anordnung beschrieben. Die einen Lichtstrahl erzeugende Lichtquelle 11 des Sensors 10 umfaßt einen Oszillator 21, welcher die Taktsteuerung der Lichtprojektion übernimmt, einen Lichtsender 22 zur Projektion eines Lichtstrahls, eine Treiberstufe 23 für diesen Lichtsender 22 und ein optisches System 24 zum Projizieren des vom Lichtsender 22 abgegebenen Lichtes in Form eines Lichtstrahls oder Lichtbündels. Wenn das Objekt OBJ durch diesen Lichtstrahl in Richtung der Achse x (Fig. 2) mittels der Ablenkeinrichtung 12 abgetastet wird, so wird das am Objekt OBJ reflektierte und gestreute Licht durch das Lichtempfangssystem 13 konzentriert; der konzentrierte Lichtfleck S bildet sich auf dem Detektor 14 ansprechend auf die Position oder das Oberflächenprofil des Objektes OBJ. Der Detektor 14 liefert als Ausgangssignale die zueinander entgegengesetzten Signals I _A und I _B ansprechend auf die Position des Lichtflecks S. Diese Positionssignale I _A und I _B sind durch elektrische Ströme gebildet, die jeweils in einer Eingangsschaltung 25, 25 a verstärkt und darin in elektrische Spannungssignale umgesetzt werden. Diese Spannungssignale werden an Pegeldetektorschaltungen 26, 26 a abgegeben. Dort werden sie einer Pegeldiskriminierung unterzogen, synchron mit Taktimpulsen aus dem Oszillator 21. Dann gelangen sie zu einer Additionsschaltung 27, um die Summe der Signale I _A und A _B zu bilden, sowie zu einer Subtraktionsschaltung 28, um die Differenz zwischen diesen Signalen zu bilden. Auf diese Weise entstehen die Signale I _A-I _B und I _A+I _B. Das Verhältnis zwischen diesen beiden Signalen wird in einer Teilerschaltung 29 gewonnen. Diese Teilerschaltung 29 gibt als Ausgangssignal das Entfernungsmeßsignal Lo={(I _A-I _B )/(I _A+I _B )} aus. Die Verschiebungsstrecke Δ l des Objektes OBJ und die Verschiebungsstrecke Δ z weisen die bereits erläuterte nichtlineare Beziehung auf.

Wenn die Ablenkeinrichtung 12 in geeigneter Weise durch einen Spiegelantrieb 30 angesteuert wird, um die Oberfläche des Objektes OBJ mittels des Lichtstrahls abzutasten, so beschreibt der konzentrierte Lichtfleck S den in Fig. 5 gezeigten Ort Sa, solange die Objektoberfläche eine flache Ebene ist, die auf der Achse z in Fig. 2 senkrecht steht. In Fig. 1 besitzt eine Achse z′ die Richtung, in welcher sich der konzentrierte Lichtfleck S ansprechend auf eine Änderung der Entfernung des Objektes OBJ verschiebt, wenn der Lichtstrahl keine Abtastung in Richtung der Achse x ausführt; ferner ist eine Achse x′ senkrecht zur Achse z′ auf der Lichtempfangsoberfläche. Der Ort Sa des konzentrierten Lichtflecks S müßte theoretisch bei der Auslenkung des Lichtstrahls parallel zur Achse x′ auf dem Detektor 14 verschoben werden. In der Praxis treten aber verschiedene Fehler auf, sowie Verzerrungen im Bereich des Detektors 14, Fehler der optischen Achse des Systems 13 oder des projizierten Lichtstrahls usw., so daß der Ort eine Neigung bezüglich der Achse x′ aufweist. Bei Verschiebung des Objektes OBJ in Richtung der Achse z′ vollführt andererseits der Ort Sa keine parallele Verlagerung in Richtung der Achse z unter Beibehaltung einer unveränderten Neigung, sondern es tritt eine Verlagerung in Richtung der Achse z′ unter Änderung der Neigung auf. Wenn also der Lichtstrahl eine Abtastung in Richtung der Achse x vornimmt, so bilden die Fehler, mit denen das Entfernungsmeßsignal Lo behaftet ist, Funktionen sowohl der Achse x als auch der Achse z.

Der Linearitätsfehler, der in dem Positionsdetektor 15 selbst auftritt, weist die in Fig. 6 als durchgehende Linie eingezeichnete Form auf, wobei in Fig. 6 ein Vergleich mit der Linearität des Entfernungsmeßsignals Lo für den Fall dargestellt ist, daß der konzentrierte Lichtfleck S auf den Positionsdetektor 14 um die Strecke Δ z in Richtung der Achse z′ verlagert wurde. Wenn die Verschiebungsachse des konzentrierten Lichtflecks S in Richtung der Achse x′ des Positionsdetektors 14 um den Betrag x verschoben wird, so besitzt der Linearitätsfehler die in Fig. 6 durch eine gestrichelte Kurve gezeigte Form, und der konzentrierte Lichtfleck S, der auf der Achse z′ des Positionsdetektors 14 verschoben wird, zeigt eine verschiedene Charakteristik. Dies beruht darauf, daß eine Widerstandsschicht des Positionsdetektors 14 eine ungleichförmige Widerstandsverteilung aufweist, die in das Entfernungsmeßsignal Lo als Fehler eingeht; da diese ungleichförmige Widerstandsverteilung auch in Richtung der Achse x′ des Positionsdetektors 14 vorhanden ist, verursacht eine andere Verschiebungsachse für den konzentrierten Lichtfleck S auch eine Änderung der Charakteristik des Linearitätsfehlers.

Zur Korrektur dieser Linearitätsfehler wird die in 7 gezeigte Korrekturschaltung 31 verwendet. Diese Linearitätskorrekturschaltung 31 empfängt das Entfernungsmeßsignal Lo aus der Teilerschaltung 29 sowie ein Abtastwinkel-Signal Xm aus dem Winkelantrieb 30 der Ablenkeinrichtung 12, die den Lichtstrahl ablenkt, wie in Fig. 3 gezeigt. Diese Eingangssignale Lo und Xm werden in den Umsetzern 32 und 32 a in Digitalsignale umgesetzt, die dann an eine Zentralprozessoreinheit (CPU) 33 angelegt werden, welche die Korrekturdaten aus einem Speicher 34 ausliest, die bei der Auswertung des Entfernungsmeßsignals Lo und des Abtastwinkel-Signals Xm berücksichtigt werden. Die Korrekturdaten für die Linearitätskorrektur des Entfernungsmeßsignals Lo und zur Korrektur des Linearitätsfehlers bezüglich der Richtung der Achse x durch das Abtastwinkelsignal Xm werden zunächst in dem Speicher 34 abgelegt. Die Zentralprozessoreinheit 33 korrigiert beide Eingangsdaten auf der Grundlage der aus diesem Speicher 34 ausgelesenen Korrekturdaten. Die korrigierten Signale werden an einen Digital/Analog-Umsetzer 35 angelegt, worin die nun korrigierten Digitalsignale in Analogsignale rückgewandelt werden. Der Digital/Analog-Umsetzer 35 gibt ein linearitätskorrigiertes Entfernungsmeßsignal L aus.

Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung wird der Wert einer Umkehrfunktion Δ l(Lo) einer Funktion Lo (Δ l) zur Berechnung des ersten Signals, welches das Entfernungsmeßsignal Lo ist, während die Verschiebungsstrecke Δ l eine Variable für das Objekt OBJ ist, berechnet, und ein zweites Signal, welches das korrigierte Entfernungsmeßsignal L ist, das proportional zur Verschiebungsstrecke Δ l des Objektes OBJ ist, wird berechnet, indem das erste Signal mit einem Signal multipliziert wird, das erhalten wird, indem eine Konstante b zu der Umkehrfunktion Δ l(Lo) hinzuaddiert wird.

Das Entfernungsmeßsignal Lo kann aufgrund der oben angegebenen Formeln (1) und (2) auf folgende Weise dargestellt werden:

(I _A-I _B )/(I _A+I _B ) = Δ z/l _P = a · Δ l/{l _P (b+Δ l)} (3)

Das Entfernungsmeßsignal Lo ist also die Funktion Lo (Δ l) der Entfernung Δ l. Durch Auflösen der Formel (3) nach Δ l ergibt sich:

Δ l(Lo) = (b · Lo)/{(a/l _P )-Lo) (4)

Die Entfernung Δ l ist dann eine Funktion des Signals Lo. Diese Funktion Δ l(Lo) ist eine Umkehrfunktion der Funktion Lo (Δ l) nach Formel (3), und man erhält einen Korrekturwert durch Addieren der Konstante b zu der Umkehrfunktion:

α (Lo) = Δ l(Lo)+b (5)

Dieser Korrekturwert kann theoretisch aus dem Wert des Entfernungsmeßsignals Lo gewonnen werden; durch Multiplizieren der Formel (3) mit Formel (5) erhält man:

L = Lo · α (Lo) = [(a · Δ l)/{l _P (b+Δ l)}] · (Δ l+b) = (a/l _P ) · Δ l (6)

Wie aus dieser Formel (6) ersichtlich ist, wird das Entfernungsmeßsignal Lo linearisiert, und man erhält ein Entfernungsmeßsignal L, welches proportional zur Verschiebungsstrecke Δ l ist. Die Linearisierung erfolgt also durch Anwendung der Formeln (4) und (5) auf das Entfernungsmeßsignal Lo, um den Korrekturwert α (Lo) zu gewinnen, und Multiplizieren dieses Entfernungsmeßsignals Lo mit dem Korrekturwert α (Lo). Die Linearisierung kann also so lange in vollkommener Weise ausgeführt werden, wie alle Komponenten des Sensors keine Genauigkeitsschwankungen aufweisen und die Konstanten a und b konstruktiv vorgegebene Größen sind.

In der Praxis können aber die Komponenten des Sensors nicht allgemein von Genauigkeitsschwankungen frei sein. Auch dies muß berücksichtigt werden. Aufgrund der Formel (1) ist ersichtlich, daß diese Genauigkeitsschwankungen oder Montagefehler Beiträge zu den Konstanten a und b liefern. Wenn man annimmt, daß die Konstanten, an welchen solche Schwankungen auftreten, die Größen a′ und b′ sind, so wird die Formel (3) folgende:

Lo = (a′ · Δ l)/{l _p (b′+Δ l)} (7)

Es wird hier angenommen, daß ein Korrekturwert für die Konstante b durch β gegeben ist und ein Korrekturwert für die andere Konstante a durch γ gegeben ist. Diese sind folgendermaßen definiert:

β = b′-b, γ = a/a′ (8)

Wenn beide Seiten der Formel (7) mit α, β bzw. γ multipliziert werden, so ergibt sich:

L = Lo{α (Lo)+β} · γ = [a′ · Δ l/{l _p (b′+Δ l)}] · (Δ l-b+b′-b) · (a/a′) = (a/l _p ) · Δ l (9)

Auf diese Weise wird das Entfernungsmeßsignal Lo linearisiert. Das Entfernungsmeßsignal Lo wird also einer Behandlung nach den Formeln (4) und (5) unterworfen, um den theoretischen Korrekturwert α (Lo) zu gewinnen. Die weiteren Korrekturwerte β und γ, welche für die Schwankungen der Komponenten gewonnen werden, werden zu dem Korrekturwert α (Lo) hinzuaddiert; es wird dann die durch Formel (9) angegebene Operation ausgeführt. Auf diese Weise wird der Linearitätsfehler in Richtung der Achse z korrigiert.

Es wird weiterhin die Korrektur des Linearitätsfehlers in Richtung der x-Achse besprochen. Der Ort Sa des konzentrierten Lichtflecks S auf der Lichtempfangsoberfläche des Positionsdetektors 14 ist wie in Fig. 5 gezeigt. Der Entfernungsmeßwert für den Zeitpunkt, zu welchem der konzentrierte Lichtfleck S durch die z-Achse während der Abtastung mittels des Lichtstrahls verläuft, kann durch Anwendung der Formel (9) linearisiert werden. Unter der Annahme, daß der konzentrierte Lichtfleck S auf der z′-Achse des Positionsdetektors 14 durch den Mittelpunkt dieses Detektors verläuft, so ist die Ablenkung in Richtung der Achse z′ bei einer Verschiebung x des Lichtflecks S in Richtung der Achse x′ die Größe Ac(x); wenn weiterhin angenommen wird, daß die Konstanten a und b der Formel (1) mit x′=x gleich a″ bzw. b″ sind, so wird die Formel (3) zu:

Lo′ = Lo+Ac(x) = [a″ · Δ l/{l _p (b″+Δ l}]+Ac(x) (10)

Der Korrekturwert der Konstanten b wird hier als b (x) angenommen; der Korrekturwert für die Konstante a soll γ (x) sein. Diese Werte sind folgendermaßen definiert:

β (x) = b″-b und γ (x) = a/a″ (11)

Wenn beide Seiten der Formel (11) mit a (Lo), β (x), γ (x) und Ac(x) multipliziert werden, so gilt:

L = {Lo′-Ac(x)} {α (Lo)+β (x)}γ (x) = (a″ · Δ l)/{l _p (b″+Δ l} · (Δ l+b+b″-b) · (a/a″) = (a/l _p ) · Δ l (12)

Wie diese Formel (12) zeigt, ist das Entfernungsmeßsignal Lo′ linearisiert. Die Linearisierung in Richtung der Achse x wird verwirklicht, indem das Entfernungsmeßsignal Lo=Lo′-Ac(x) aus dem Signal Lo′ und das Abtastwinkel-Signal Xm für dieses Signal gewonnen wird, zu dem Korrekturwert α (Lo) die Korrekturwerte β (x) und γ (x) addiert werden, welche aufgrund der Schwankungen der Komponentenkenndaten erhalten werden, und die Formel (12) angewendet wird.

In dem Speicher 34 sind dann die Konstanten für die Anwendung der Formel (12), nämlich a/l _p, b, β (x), γ (x) und Ac(x), vorab gespeichert. Bei diesen Konstanten werden a/l _p und b durch Berechnungen mit eingestellten Werten bestimmt, während β (x), γ (x) und Ac(x) Korrekturkonstanten sind, welche für die Komponenten des Sensors 10 spezifisch sind; da die Operationen entsprechend dem Flußdiagramm nach Fig. 4 unter Verwendung dieser Konstanten aufgeführt werden können, reicht es aus, nur diese Konstanten als Korrekturwertdaten abzuspeichern. Unter der Voraussetzung, daß der Speicher 34 diese Daten in Form einer herkömmlichen Matrix speichern soll und ein Auflösungsvermögen von 1/4000 in Richtung der z-Achse und 1/1000 in Richtung der x-Achse bei natürlichem Maßstab verlangt wird, so muß der Speicher 34 4000000 Daten als Korrekturwerte speichern. Die Speicherkapazität ist also sehr groß, so daß die gesamte Vorrichtung ebenfalls umfangreich wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann hingegen die Speicherkapazität erheblich vermindert werden, wie sich aus den obigen Ausführungen ergibt. Die Korrekturwerte β (x), γ (x) und Ac(x) sind die Konstanten, welche von dem Abtastwinkel-Signal Xm abhängen, und die erforderliche Anzahl derselben hängt vom Auflösungsvermögen für das Winkelsignal Xm ab; der Fehler bei der Abtastung in Richtung der Achse x ist normalerweise nicht sehr groß, so daß der erforderliche Speicherraum, wenn die Konstanten für jede geeignete Wahl des Winkelsignals Xm eingestellt werden, erheblich reduziert werden kann. Zum Beispiel muß das Winkelsignal Xm in 100 Abschnitte für ein Auflösungsvermögen 1/1000 des Winkelsignals unterteilt werden, so daß 100 Korrekturkonstanten für die jeweiligen Abschnitte gespeichert werden, woraus sich ergibt, daß der Speicherraum erheblich vermindert werden kann.

Auch der Einstellaufwand kann in großem Ausmaß vermindert werden. Wenn angenommen wird, daß eine Verschiebung auf einer entfernt liegenden Seite in bezug auf eine Referenzentfernung lc gleich Δ l _F ist und eine Verschiebung auf der naheliegenden Seite gleich Δ l _N ist, wie in Fig. 9 gezeigt, und daß ein Objekt OBJ sich in Positionen befindet, die folgende Bedingung erfüllen:

Δ l _F = Δ l _N (13)

also die Positionen, in denen die Verschiebungen auf der entfernt liegenden Seite und auf der naheliegenden Seite einander gleich sind, so haben die entsprechenden gemessenen Entfernungssignale L _F und L _N die Größe |L _F|=|L _N|, wenn sie korrekt linearisiert sind. Da L _F<0 und L _N<0, kann die oben angegebene Formel folgendermaßen dargestellt werden:
L _F = -L _N (14)

Indem der Abgleich unter Anwendung dieser Charakteristik erfolgt, können die erforderlichen Einstellarbeiten erheblich vereinfacht werden. Für diesen Fall können die Entfernungsmeßsignale L _F und L _N unter Zuhilfenahme der Formel (12) folgendermaßen dargestellt werden:

L _F = {L _OF′-Ac(x)} {α F+β (x)} γ (x), und
L _N = {L _ON′-Ac(x)} {α N+β (x)} γ (x) (15)

Ersetzen der Formel (15) durch die Formel (14) und Eliminieren der Größe γ (x) ergibt den Korrekturwert b (x):

-{L _OF′-Ac(x)} {α F+β (x)} = {L _ON′-Ac(x)} {α N+β (x)}
β (x) = -[{(L _OF′-Ac(x)) α F+(L _ON′-Ac(x)) α N } /(L _OF′+L _ON′-2Ac(x))] (16)

Durch Anwendung der Formel (12) mit diesem Korrekturwert β (x), der aus der Formel (16) gewonnen werden kann, wird das Entfernungsmeßsignal Lo′ linearisiert. Wenn weiterhin angenommen wird, daß ein korrektes Entfernungsmeßsignal bei der Verschiebung Δ l _F den Wert L _FT aufweist, so kann der Korrekturwert γ (x) für die Neigung in Abhängigkeit von dem Abtastwinkel-Signal Xm durch folgende Formel gewonnen werden:

γ (x) = L _FT/{(L _OF′-Ac(x)) · (α F+β (x))} (17)

Die Neigung wird mittels der so erhaltenen Größe q (x) korrigiert, und man erhält ein linearisiertes Entfernungsmeßsignal L. Bei der Durchführung des Abgleichs bzw. der Einstellarbeiten wird daher ein Ursprung bestimmt, indem ein flacher Gegenstand in die Position der Referenzentfernung lc gebracht und senkrecht zur Achse des Lichtstrahls eingestellt wird; der Korrekturwert Ac(x) für die Abtastung mittels des Lichtstrahls wird zu Anfang gewonnen; dann kann der Neigungs-Korrekturwert γ (x) über die Formel (16) gewonnen werden aus den Entfernungsmeßsignalen L _OF′ und L _ON′, jeweils bezüglich des Abtastwinkel-Signals Xm für jeden Fall der beiden gleichen Verschiebungen, nämlich auf der entfernt liegenden Seite und der nahe liegenden Seite mit den Positionen Δ l _F=Δ l _N, wobei der flache Gegenstand, insbesondere eine Platte, in diese Positionen gebracht wurde, die zueinander parallel sind.

Die Korrekturwerte β (x), γ (x) und Ac(x), die spezifisch für die Komponenten des Verschiebungssensors 10 sind, können also einfach gewonnen werden, indem die Daten L _ON′, L _OF′ und Ac(x) bezüglich des Abtastwinkel-Signals Xm gewonnen werden, indem das Objekt OBJ zweimal verschoben wird und anschließend β (x) und γ (x) über die Formeln (16) und (17) berechnet werden. Der Zeitaufwand für Abgleich- und Einstellarbeiten und die Herstellungskosten können so beträchtlich vermindert werden.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird ein Hochgeschwindigkeitsprozessor verwendet, insbesondere ein digitaler Signalprozessor vom Typ MN1911, in Verbindung mit der Ausführungsform nach Fig. 4. Wenn man annimmt, daß das Objekt OBJ in abwechselnden Hin- und Rückläufen 50mal pro Sekunde abgetastet wird und die erforderliche Abtastzeit für die eine Richtung 10 ms beträgt sowie der Bereich für die Abtast-Hin- und Herbewegung in 1000 Abschnitte unterteilt wird, so ist jedem Abschnitt eine Zeitspanne von 10 µs zugeordnet. Für die Durchführung der Linearisierung unter den oben genannten Bedingungen wird es dann erforderlich, den in Fig. 4 gezeigten Ablauf innerhalb von 10 µs auszuführen. Bei Verwendung eines Hochgeschwindigkeitsprozessors ist dies möglich. Mittels des beschriebenen Sensors 10 kann offensichtlich nicht nur die Verschiebung des Objektes OBJ, sondern auch sein Oberflächenprofil erfaßt werden, wenn dieses beispielsweise die in Fig. 2 gezeigte Höhendifferenz aufweist oder wenn eine Lücke zwischen zwei Arbeitsstücken vorhanden ist. Die Erfassung dieser Einzelheiten bereitet keinerlei Schwierigkeiten.

Gemäß einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung ist eine Maßnahme dafür getroffen, daß die Verschiebungsbreite des konzentrierten Lichtflecks auf der Lichtempfangsoberfläche des Detektors 14 vermindert wird, so daß die Größe des optischen Lichtaufnahmesystems minimiert werden kann, zusätzlich zu der bereits erwähnten Reduzierung des Umfangs der Operationseinrichtungen. Es wird auf die Fig. 10 und 11 Bezug genommen. Dort wird als optisches Lichtaufnahmesystem 13 ein anamorphotisches optisches System verwendet, das eine übliche Konvexlinse 13 a, eine zylindrische Konkavlinse 13 b und eine zylindrische Konvexlinse 13 c umfaßt. In diesem optischen System weisen die zylindrische konkave Linse 13 b und die konvexe Linse 13 c jeweils eine gekrümmte Oberfläche auf, die einer Umfangsoberfläche einer Säule entspricht, deren Achse parallel zur Längsachse des Positionsdetektors 14 verläuft, wodurch die Verschiebungsbreite des konzentrierten Lichtflecks in seitlicher Richtung bzw. Richtung der Breite komprimiert wird und die Vergrößerung in dieser seitlichen Richtung verschieden von der in Längsrichtung ist. Die Positionen der Hauptpunkte sind aber verschieden, so daß die Bilderzeugungspositionen in beiden Richtungen miteinander übereinstimmen.

Wie aus Fig. 11 ersichtlich, verbleibt der Bereich, in welchem der konzentrierte Lichtfleck auf die Lichtempfangsoberfläche des Detektors 14 projiziert wird, in bezug auf den Bereich der Lichtstrahlverschwenkung auf der Oberfläche des Objektes OBJ, innerhalb der Breite bzw. seitlichen Abmessung des Detektors 14; die Entfernungsänderung zwischen der Lichtquelle 11 und der Oberfläche des Objektes ist also in Richtung der Breite des Detektors 14 relativ klein, während die Abtastbreite des projizierten Lichtstrahls relativ größer ist. An dem Positionsdetektor 14 wird hingegen die Verschiebungsbreite des Lichtstrahls bezüglich der Entfernungsänderung des Objektes OBJ vergrößert, um die Erfassungsgenauigkeit zu steigern, und die empfangene Lichtmenge kann vergrößert werden, indem die Verschiebungsbreite des konzentrierten Lichtflecks aufgrund der Lichtstrahlverschwenkung kleiner gemacht wird. Bei Verwendung des anamorphotischen optischen Systems zum Aufnehmen des reflektierten Lichtes wird es somit ermöglicht, praktisch das gesamte reflektierte Licht in Richtung der Breite des Positionsdetektors aufzunehmen, selbst dann, wenn eine zweidimensionale Positionserfassung mittels des abtastenden Lichtstrahls durchgeführt wird, wodurch die Lichtausbeute beträchtlich gesteigert wird. Es ist daher auch möglich, die Empfindlichkeit der Schaltung zur Verarbeitung der Ausgangssignale des Positionsdetektors 14 zu vermindern und so unerwünschte Einflüsse von störendem Außenlicht weitgehend auszuschalten.

Gemäß einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung wird der mit optischer Abtastung arbeitende Verschiebungssensor zur Erfassung einer Lücke zwischen zwei Werkstücken verwendet, insbesondere um das Verschweißen dieser Werkstücke zu unterstützen. Die Verschweißung von zwei zueinander passenden Werkstücken unter der Annahme, daß sich keine Lücke zwischen ihnen befindet, führt zu einem Mangel an Festigkeit der Schweißnaht besonders an Stellen, wo sich ein relativ breiter Spalt zwischen diesen Werkstücken befindet. Wenn andererseits unterstellt wird, daß ein Spalt von vorbestimmter Größe vorhanden ist, so wird das Schweißgerät unnötig lange über Stellen geführt, an denen sich kaum ein Spalt befindet, wodurch die Schweißzeit unnötig verlängert wird. Wenn es also gelingt, das Vorhandensein oder Fehlen eines Spaltes oder einer Lücke genau zu erfassen, bevor die Schweißarbeit durchgeführt wird, so läßt sich eine optimale Verschweißung der Werkstücke erzielen.

In Fig. 12 projiziert eine Lichtprojektionseinrichtung 51, die durch eine Steuerung 50 angesteuert wird, einen Lichtstrahl, der auf einer Lichtablenkeinrichtung 52 auftrifft, die gleichfalls durch die Steuerung 50 angesteuert wird. Der durch die Ablenkeinrichtung 52 reflektierte Lichtstrahl durchquert einen halbdurchlässigen Spiegel 52 a und fällt auf zwei Werkstücken OBJ auf. Durch Streuung an den Werkstücken OBJ zurückreflektiertes Licht wird durch ein optisches Lichtempfangssystem 53 konzentriert und bildet einen konzentrierten Lichtfleck auf einem Positionsdetektor 54 ansprechend auf die Position der Objekte bzw. Werkstücke. Der von der Ablenkeinrichtung 52 ausgehende Lichtstrahl wird teilweise am halbdurchlässigen Spiegel 52 a reflektiert und trifft auf einem weiteren Positionsdetektor 54 a auf. Der erstgenannte Positionsdetektor 54 liefert ein Ausgangssignal in Form eines elektrischen Stromes, der die Positionsinformation in Richtung der z-Achse wiedergibt, während der Lichtstrahl über die Werkstücke OBJ geführt wird; der Positionsdetektor 54 a liefert ein Verschiebungssignal in Richtung der Achse x des Lichtstrahls.

Die beiden Positionssignale aus den Positionsdetektoren 54 und 54 a werden Operationsschaltungen 65, 65 a zugeführt, um ein Entfernungsmeßsignal Lo zu gewinnen; diese Operationsschaltungen 65, 65 a liefern ein vorzugsweise linearisiertes Entfernungsmeßsignal L an eine "Stufe"-Operationsschaltung 66. Wenn eine Stufe h an den beiden gepaarten Werkstücken OBJ vorhanden ist, so wird die entsprechende Information an eine "Spalt"-Operationsschaltung 67 in der darauffolgenden Stufe geführt. In dieser "Spalt"-Operationsschaltung 67 wird zunächst ein Signal t erzeugt, welches die Dicke der betreffenden Werkstücke OBJ angibt; dann wird eine Operation (S=h-t) zur Bestimmung eines Spalts S zwischen den gepaarten Gegenständen durchgeführt. Bei dieser Anordnung kann daher der Spalt S zwischen den gepaarten Gegenständen leicht durch eine berührungslose optische Messung erfaßt werden. Die beiden gepaarten Gegenstände können somit unter optimalen Bedingungen miteinander verschweißt werden, da die Schweißbedingungen ansprechend auf den festgestellten Spalt S richtig eingestellt werden können.

Es ist weiterhin ersichtlich, daß mittels einer solchen Anordnung das Oberflächenprofil oder irgendein gestufter Bereich eines Werkstückes erfaßt werden kann, um Schweißarbeiten mit hoher Genauigkeit ansprechend auf das Oberflächenprofil in der Schweißzone auszuführen.

Bei der Erfassung des stufenförmigen Teils unter den obigen Bedingungen können verschiedene Algorithmen gemäß der Erfindung angewendet werden. Bei dem in Fig. 13 gezeigten Algorithmus zur Erfassung eines stufenförmigen Teiles wird vorausgesetzt, daß ein linearisiertes Entfernungsmeßsignal L und Entfernungsdaten Z(I) bereits durch den mit optischer Abtastung arbeitenden Verschiebungssensor 10 geliefert wurden. Wenn der Algorithmus gestartet wird, werden im Schritt (1) Variablen initialisiert, die für spätere Diskriminierschritte benötigt werden. Eine Variable DZSUM, die einen Additionswert einer Differenz bezeichnet, wird auf 0 gesetzt; eine Variable DZMAX, welche den Maximalwert des Additionswertes bezeichnet, wird auf 0 gesetzt; eine aktuelle Abtastposition I wird auf 1 gesetzt; eine Abtastposition J, an welcher die Addition der Differenz erfolgt, wird initiiert und auf 1 gesetzt. Im Schritt (2) wird die Differenz (DZ)I=Z(I+1)-Z(I) zwischen den Entfernungsdaten (Z(I) und einer Abtastposition I und weiteren Entfernungsdaten Z(I+1) an der Nachbarposition (I+1) bestimmt. Im nächsten Schritt (3) erfolgt eine Diskriminierung dahingehend, ob die Differenz DZ(I) gleich Null ist; wenn DZ(I)=0, so geht der Algorithmus direkt zum Schritt (9) zur Entscheidung über das Löschen der Daten über, denn jede weitere Verarbeitung zur Unterscheidung übereinstimmender Codes oder einer Addition der Differenz wäre bedeutungslos; der Algorithmus geht hingegen zum Schritt (4) über, wenn DZ(I)≠0, um die Diskriminierung bezüglich der Codeübereinstimmung auszuführen.

Im Schritt (4) erfolgt also die Diskriminierung dahingehend, ob der Code der Differenz DZ(I) in der aktuellen Abtastposition I mit einem früheren Code der Differenz DZ(I-1) für die letzte Position übereinstimmt; bei Übereinstimmung geht der Algorithmus zum Schritt (5) über. Bei fehlender Übereinstimmung geht er zum Schritt (6) über. Der Schritt (5) wird erreicht, wenn DZ(I)xDZ(I-1)<0. Der Schritt (6) wird erreicht, wenn DZ(I)xDZ(I-1)<0. Weiterhin wird der Schritt (5) ohne Bedingung erreicht, wenn I=1 ist. Wenn die letzte Differenz DZ(I-1) gleich Null ist, so erfolgt ein Vergleich mit der vorletzten Differenz DZ(I-2). Im Schritt (5) wird der Absolutwert |DZ (1)| der Differenz DZ(I) für die aktuelle Abtastposition I zu einer Variablen DZSUM hinzuaddiert, woraufhin der Schritt (9) erreicht ist. Wenn die Übereinstimmung der Differenz DZ(I) im Schritt (4) andauert, so wird die Addition des Absolutwerts |DZ(I) | der Differenz DZ(I) zu der Variablen DZSUM fortgesetzt, so daß man fortwährend die Summe dieser Variablen DZSUM und der Differenz (DZ(I) erhält.

Im Schritt (6) wird bestimmt, ob die Variable DZSUM größer als die Variable DZMAX ist oder nicht. Wenn DZSUM<DZMAX, geht man zum Schritt (7) über; wenn hingegen nicht festgestellt wird, daß DZSUM<DZMAX, so schreitet die Prozedur zu dem nächsten Schritt (8) fort. Im Schritt (7), für DZSUM<DZMAX, erfolgt eine Substitution der Variablen DZMAX mit dem Wert der Variablen DZSUM, um den Summenwert der Differenzen bis zur aktuellen Abtastposition I zu dem maximalen Summenwert zu machen. Um weiterhin einen Wert J für die Abtastposition, bei welcher die Addition initiiert wurde, als vorgeschlagene Position N 1 für den Anfangsrand eines gestuften Teils abzuspeichern sowie die aktuelle Abtastposition I, bei welcher die Addition beendet wurde, als vorgeschlagene Position N 2 für den Endrand des gestuften Teiles abzuspeichern, erfolgt eine Substitution der Variablen N 1 und N 2 mit den Werten der Variablen J und I.

Im Schritt (8) wird die Addition der Differenz erneut gestartet mit einer Substitution des Summendifferenzwertes DZSUM durch den Absolutwert |DZ(I) | der Differenz DZ(I) an der aktuellen Abtastposition I und mit einer Substitution der Abtastposition J, bei welcher die Addition begonnen hat, durch die aktuelle Abtastposition I. Im Schritt (9) wird festgestellt, ob die Verarbeitung für alle Daten abgeschlossen ist. Insbesondere wird festgestellt, ob die Abtastposition I=N-1 erreicht worden ist oder nicht. Wenn I≠N-1, wird zum Schritt (10) übergegangen, damit die Abtastposition I fortschreitet, woraufhin die Verarbeitung im Schritt (2) und den folgenden Schritten wiederholt wird. Wenn I=N-1, so ist hingegen die Erfassung des stufenförmigen Teiles beendet, und die vorgeschlagenen Positionen N 1 und N 2 werden gegebenenfalls als praktische Werte für den Anfangsrand und den Endrand des stufenförmigen Teiles behandelt, wozu die Koordinaten X(N 1) und Z(N 1) sowie X(N 2) und Z(N 2) ausgegeben werden. Unter diesen Koordinaten werden die Größen Z(N 1) und Z(N 2) für die Entfernungsdaten miteinander verglichen, um die kleinere Entfernung als Aufspürkoordinate zu verwenden; der Absolutwert der Differenz dieser Entfernungsdaten wird ausgewertet, um die Größe h=|Z(N 2)-Z(N 1)| zu bestimmen. Durch Subtrahieren der Plattendicke t von der Größe h erhält man die Größe S=h-t für den Spalt zwischen den gepaarten Werkstücken, die miteinander verbunden werden sollen. Diese Daten werden einem automatischen Schweißroboter zugeführt.

Zur Gewinnung der Entfernungsdaten X und Z kann eine in Fig. 14 gezeigte Operationsschaltung verwendet werden. Diese Schaltung entspricht im wesentlichen einer parallelen Nebeneinanderordnung von zwei Schaltungen der in Fig. 3 gezeigten Art, wobei zusätzlich noch die in Fig. 14 nicht gezeigten Einrichtungen zur Linearisierung des Entfernungsmeßsignals L vorhanden sind. Bei der in Fig. 14 gezeigten Ausbildung sind zwei Positionsdetektoren 114, 114 a, beispielsweise von gleicher Art wie die Positionsdetektoren 54 und 54 a des Verschiebungssensors nach Fig. 12, vorgesehen, die Positionssignale I₁, I₂ sowie I₃, I₄ abgeben, welche an Strom/Spannungs-Umsetzer 125, 125 a sowie 125 b, 125 c angelegt werden, um dann über Hochpaßfilter 125′-125 c′ an Pegeldiskriminierungs-Detektoren 126-126 c synchron mit Taktimpulsen eines Oszillators 121 angelegt zu werden. Die Positionssignale I₁-I₄, die von den Detektoren 126-126 c geliefert werden, gelangen über Tiefpaßfilter 126-126 c am Addierer 127, 127 a und an Subtrahierschaltungen 128, 128 a, um Additionen und Subtraktionen auszuführen: I₁-I₂, I _i+I₂, I₃-I₄, I₃+I₅. Dann gelangen sie zu Teilern 129, 129 a, um folgende Operationen auszuführen: (I₁-I₂)/(I₁+I₂); (I₃-I₄)/(I₃+I₄). Schließlich gelangen sie nach Linearisierung an Umsetzer 129′ und 129 a′, um dort aus dem Digitalbereich in Analogsignale umgesetzt zu werden und als Entfernungsdaten X, Z ausgegeben zu werden. Bei der Ausführungsform nach Fig. 14 ist die Wirkung des Oszillators 121, der über einen Modulator 121 a und eine Ansteuerschaltung 123 ein lichtemittierendes Element 122 ansteuert, um einen Lichtstrahl mittels eines Projektionssystems 124 zu erzeugen, während eine Lichtablenkeinrichtung 112 durch eine Spiegel-Ansteuerschaltung angesteuert wird, im wesentlichen dieselbe wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen.

Bei der Erfindung wird weiterhin ein die Differenzen kumulierendes System verwendet, wie in Fig. 16 gezeigt, um die Erfassung eines stufenförmigen Teiles zu gewährleisten und den oben beschriebenen Algorithmus auszuführen. Dieses System ist so ausgelegt, daß für die Entfernungsdaten Z(I) die Differenz DZ(I)=Z(I+1)-Z(I) für I=1, 2, . . . N-1 gebildet wird und die so gewonnenen Differenzen kumulativ addiert werden, solange ihr Code aufeinanderfolgend gleich ist; wenn ihr Summenwert ein Maximum erreicht hat, wird die entsprechende Abtastposition I als Stufengröße bestimmt. Bei diesem System ist es möglich, die größte Stufe Z (10)-Z (7) zuverlässig auch dann zu bestimmen, wenn eine relativ große Differenz DZ (2) oder DZ (4), wie in Fig. 16 gezeigt, vorhanden ist, ohne fehlerhafte Entscheidung, daß letztere die Stufe ist, so daß die Abtastpositionen I=7, 10 dann als Stufenteil erkannt worden sind.

In Fig. 15 ist ein Algorithmus zur Erfassung der Stufe nach einer weiteren Ausführungsform gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist die Verarbeitungszeit insofern abgekürzt, als die Differenzen der Entfernungsdaten DZ(I)=(I+Δ N)-Z(I) für jeden vorbestimmten Abtastabschnitt Δ N in den Entfernungsdaten Z(I) in den Schritten #1 bis #10 bestimmt werden und diese addiert werden, solange ihre Codes gleich sind. Man erhält einen Abtastabschnitt M 1 bis M 2, wenn der Summenwert der aufaddierten Differenzen ein Maximum erreicht hat. Abgesehen davon, daß das Intervall zur Abnahme der Differenzen von einem Rastermaß auf N Rastermaße erweitert wurde, sind diese verarbeiteten Inhalte in den Schritten #1 bis #10 im wesentlichen dieselben wie bei der Verarbeitung nach Fig. 13. Die Erfassung einer Stufe kann aber mit höherer Geschwindigkeit erfolgen, weil das Intervall für die Differenzbildung vergrößert wurde. Auf diese Weise wird der Abtastabschnitt M 1 bis M 2, in welchem die Erfassung der Stufe erfolgte, im voraus eingegrenzt, und dieselben Verarbeitungsschritte (1) bis (10), wie in Fig. 13 gezeigt, werden dann erneut bezüglich des Abtastbereichs M 1-Δ N bis N 2+Δ N, der etwas breiter ist als der Abschnitt M 1 bis M 2, ausgeführt. Die Differenz DZ(I)=Z(I+1)-Z(I) der jeweiligen Entfernungsdaten Z(I) wird also nur bezüglich des Abtastbereichs M 1-Δ N bis M 2+Δ N bestimmt, und dann erfolgt die Addition so lange, wie ihr Code derselbe ist; dann werden die Abtastpositionen N 1 und N 2, bei denen der Absolutwert der Summe DZSUM das Maximum erreicht, als Stufenteil bestimmt. Da die Verarbeitung in den Schritten (1) bis (10) mit einem schmalen Intervall für die Differenzbildung erfolgt, kann eine Stufenerfassung mit hoher Genauigkeit erfolgen.

Mittels des in Fig. 15 gezeigten Algorithmus kann, wie ein Vergleich der Fig. 17 und 18 miteinander zeigt, eine Stufenerfassung mit hoher Geschwindigkeit und doch mit hoher Genauigkeit erfolgen, indem eine erste Stufenerfassung mit grobem Teilungsmaß bzw. Raster erfolgt und dann eine zweite Erfassung in einem feinen Raster durchgeführt wird, wobei derselbe Algorithmus angewendet wird. Bei der ersten Stufenerfassung reicht es weiterhin aus, nur den Bereich zu berücksichtigen, in welchem sich der Stufenteil N 1 und N 2 tatsächlich befindet, wobei lediglich noch ein bestimmter fester Bereich vor und hinter einem Punkt erfaßt wird, wo der Absolutwert der Differenz DZ(I)=DZ(I+N)-DZ(I) maximal ist; er wird als Bereich bestimmt, in welchem sich die Stufe befindet.

Es wird nun auf Fig. 19 Bezug genommen. Bei dem dort gezeigten, weiteren Algorithmus erfolgt die Diskriminierung des Stufenteils mit noch höherer Genauigkeit. Die Entfernungsdaten für den oberen Teil Z _{AV 1} und den unteren Teil Z _{AV 2} werden über eine Mittelung über eine vorbestimmte Anzahl von Daten vor der Anfangsposition und hinter der Endposition des angenommenen Stufenteils für einen Abschnitt N 1 bis N 2 ermittelt, worin der Summenwert der addierten Differenzen ein Maximum erreicht hat; man leitet dann aus diesem angenommenen Stufenteil einen Neigungswinkel α ab, indem eine Mittelung einer vorbestimmten Anzahl von Daten in einem Zwischenteil des angenommenen Stufenteils erfolgt. Die beiden Endpositionen eines tatsächlich vorhandenen Stufenteils werden dann auf der Grundlage dieser Daten berechnet.

Insbesondere werden die Anfangsstelle und die Endstelle des angenommenen Stufenteils über den Algorithmus nach Fig. 13 bestimmt. Dann werden die Entfernungsdaten Z _{AV 1} für den oberen Teil durch Mittelung der vorbestimmten Anzahl von Daten für die Außenseite ab der Anfangsstelle N 1 des angenommenen Stufenteiles in folgender Weise bestimmt:

In gleicher Weise werden die Entfernungsdaten Z _{AV 2} für den unteren Teil durch eine Mittelung einer vorbestimmten Anzahl von Daten für die Außenseite ab der Endstelle N 2 des angenommenen Stufenteiles in folgender Weise bestimmt:

Ein Mittelwert dieser Entfernungsdaten Z _{AV 1} und Z _{AV 2} für den oberen und den unteren Teil wird dann gebildet:

Z _c = (Z _{AV 1}+Z _{AV 2})/2

Eine Abtastposition I=Nc mit den Entfernungsdaten Z(I), welche der gemittelten Entfernung Z _c für den oberen und den unteren Teil am nächsten kommt, wird dann als Mittelpunkt des Stufenteils bestimmt. Unter Verwendung aller Koordinaten {X(Nc-n 2), Z(Nc-n 2)} bis {-x(Bc+n 2), Z(Nc+n 2)} des Mittelpunktes Nc des Stufenteils sowie ±n 2 Punkten vor und hinter den Mittelpunkt werden die Konstanten α und β eines Linearitäts- Approximierungs-Ausdrucks X=α Z+β bestimmt. Durch die Substitution Z=Z _{AV 1}, Z _{AV 2} für diesen Ausdruck werden die beiden genauen Enden des Stufenteils berechnet: (α Z _{AV 1}+β), (Z _{AV 1}) und (α Z _{AV 2}+β, Z _{AV 2}). Weiterhin erhält man das Maß h=|Z _{AV 1}-Z _{AV 2}| für die Stufe.

In diesem Algorithmus werden die Konstanten und β für den Linearitäts-Approximierungs-Ausdruck auf der Grundlage von (2_{n 2}+1) Koordinatendaten abgeleitet. Die Approximation kann mittels einer geraden Linie erfolgen, welche zwei Punkte verbindet, wenn keine ausreichend lange Operationszeit zur Verfügung steht. So kann in Fig. 9 eine Linie die Koordinatenpunkte {(Nc-n 3), Z(Nc-n 3)} und {X(Nc+n 3), Z(Nc+n 3)} miteinander verbinden, um die Approximation zu erhalten.

Gemäß einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung ist eine Schutzhaube vorgesehen, die den Verschiebungssensor nach der Erfindung schützt, wenn er beim Schweißen von Werkstücken eingesetzt wird. In Fig. 20 umfaßt ein mit optischer Abtastung arbeitender Verschiebungssensor 210 ein Gehäuse 211, das an der Stirnfläche 212 mit einer Lichtdurchtrittsöffnung 213 versehen ist, um einen Lichtstrahl aus der Lichtquelle (nicht gezeigt) innerhalb des Gehäuses austreten zu lassen. Ferner ist eine Lichteintrittsöffnung 214 vorgesehen, durch welche hindurch das reflektierte Licht eintritt, um auf einem (nicht gezeigten) optischen Lichtempfangssystem im Inneren des Gehäuses aufzutreffen. Neben den beiden Seiten dieser Öffnungen 213, 214 befinden sich zwei Paare 215, 215 a und 216, 216 a von Permanentmagneten, die am Gehäuse befestigt sind. Schutzplatten 217, 218, die jeweils aus einem lichtdurchlässigen Plastikmaterial bestehen, sind auf die Öffnungen 213, 214 aufgesetzt. Montagerahmen 219, 220 aus ferromagnetischem Material mit Öffnungen 219 a, 220 a, welche den Öffnungen 213, 214 des Gehäuses angepaßt sind, sind über die Schutzplatten 217, 218 entsprechend der Anordnung der Permanentmagneten 215, 215 a und 216, 216 a aufgesetzt, so daß die Abdeckplatten 217, 218 zwischen der Stirnoberfläche 212 des Gehäuses 211 und den Montagerahmen 219, 220 gesichert sind. Wenn die Rahmen 219, 220 mit Ansätzen ausgebildet werden und das Gehäuse 211 entsprechende Aussparungen besitzt, so können die Ansätze in den Ausnehmungen aufgenommen werden, damit die Montagerahmen leicht in Stellung gebracht und montiert werden können. Wenn andererseits diese Montagerahmen 219, 220 an ihren Außenrändern abgeschrägt werden und die Stirnoberfläche 212 des Gehäuses 211 mit Ausnehmungen versehen wird, um die abgeschrägten Ränder der Montagerahmen aufzunehmen, so kann eine Montage ohne Permanentmagneten erfolgen.

Bei Verwendung einer Schutzhaube der oben beschriebenen Art ist auch ein Austausch dieser Haube leicht möglich, wenn Spritzer des Schweißmaterials sich auf den Schutzabdeckungen 217, 218 ablagern. Es werden dann einfach die Montagerahmen 219, 220 gelöst, was auch dann leicht geschehen kann, wenn der Sensor unter engen Raumverhältnissen eingebaut ist. Bei Verwendung einer Schutzhaube oder Schutzabdeckung aus lichtdurchlässigem Plastikmaterial anstelle von herkömmlichem Glas wurde überraschenderweise aufgefunden, daß die Ablagerung von Spritzern auf den Schutzabdeckungen 217, 218 erheblich langsamer erfolgt.

Claims

1. Optisch abtastender Verschiebungssensor, der mit Triangulierung arbeitet, bei welchem ein Lichtstrahl durch eine Lichtprojektionseinrichtung abgegeben und durch eine Ablenkeinrichtung über ein zu erfassendes Objekt abgelenkt wird, weiterhin das an dem Objekt reflektierte Licht eine optische Lichtempfangseinrichtung durchläuft, um durch diese konzentriert zu werden und auf einer Positionsdetektoreinrichtung aufzutreffen, die zwei Ausgangssignale von zueinander entgegengesetztem Wert ansprechend auf die Position des konzentrierten Lichtflecks auf der Positionsdetektoreinrichtung Lichtflecks auf der Positionsdetektoreinrichtung erzeugt, und wobei eine Operationseinrichtung ein die Entfernung des Objektes angebendes Entfernungsmeßsignal liefert, indem die zwei Positions-Ausgangssignale der Positionsdetektoreinrichtung einer Addition und einer Subtraktion unterzogen werden, wobei eine Linearitätskorrektureinrichtung jegliche Nichtlinearität des Entfernungsmeßsignals beseitigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearitätskorrektureinrichtung eine Umkehrfunktion aus einem ersten Entfernungsmeßsignal berechnet, das proportional zu den Ausgangssignalen der Positionsdetektoreinrichtung ist, und ein zweites Entfernungsmeßsignal, das proportional zu einer Verschiebung der Entfernung des Objektes ist, berechnet, indem das erste Entfernungsmeßsignal mit einem Signal multipliziert wird, das die Summe der Umkehrfunktion und einer Konstanten ist.

2. Verschiebungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Abtastwinkel der Ablenkeinrichtung folgende Korrekturwerte definiert werden: Ein erster Korrekturwert, der zu dem ersten Entfernungsmeßsignal hinzuaddiert wird, ein zweiter Korrekturwert, der zu der Umkehrfunktion hinzuaddiert wird, und ein dritter Korrekturwert, der zu der Konstanten hinzuaddiert wird.

3. Optisch abtastender Verschiebungssensor, der mit Triangulierung arbeitet, und eine Lichtprojektionsquelle, die einen Lichtstrahl abgibt, eine Ablenkeinrichtung zum Ablenken des Lichtstrahls auf ein zu erfassendes Objekt und zum Abtasten dieses Objektes, eine optische Lichtempfangseinrichtung, die das Licht des am Objekt reflektierten Lichtstrahls konzentriert und durchtreten läßt, eine Positionsdetektoreinrichtung, die zwei Positions-Ausgangssignale von entgegengesetztem Wert ansprechend auf die Position des konzentrierten Lichtflecks auf der Positionsdetektoreinrichtung, eine Operationseinrichtung, die aus den zwei Positions-Ausgangssignalen die Entfernung des Objektes erzeugt und ein Entfernungsmeßsignal abgibt, indem die zwei Positions-Ausgangssignale addiert und subtrahiert werden sowie das Verhältnis zwischen den Positions-Ausgangssignalen gebildet wird, und eine Linearitätskorrektureinrichtung enthält, um jegliche Nichtlinearität des Entfernungsmeßsignals zu korrigieren, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Lichtempfangseinrichtung eine anamorphotische optische Einrichtung aufweist, welche die Verschwenkungsbreite des konzentrierten Lichtflecks auf der Lichtempfangsoberfläche der Positionsdetektoreinrichtung bei der Abtastung des Lichtstrahls über das zu erfassende Objekt im wesentlichen innerhalb der Breite der Positionsdetektoreinrichtung hält.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die anamorphotische optische Einrichtung ein System aus einer Konvexlinse, einer zylindrischen Konkavlinse und einer zylindrischen Konvexlinse umfaßt.

5. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Verwendung zur Unterstützung des Schweißens von Werkstücken, die das Objekt bilden, wobei die Operationseinrichtung die Größe eines gestuften Teils der Werkstücke bestimmt und die Verschweißung an diesem gestuften Teil erfolgt, wobei die Größe eines Spaltes zwischen den Werkstücken bestimmt wird, indem ein Wert für die Dicke der betreffenden Werkstücke von der Größe des gestuften Teils subtrahiert wird.

6. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearitätskorrektureinrichtung einen Hochgeschwindigkeits-Operationsprozessor umfaßt.

7. Optisch abtastender Verschiebungssensor, der mit Triangulierung arbeitet und ein Gehäuse aufweist, das mit einer Lichtaustrittsöffnung und einer Lichteintrittsöffnung versehen ist, mit einer innerhalb des Gehäuses angeordneten Einrichtung, die einen Lichtstrahl projiziert, einer in dem Gehäuse angeordneten Einrichtung zur Ablenkung des Lichtstrahls zu einem zu erfassenden Objekt, einer in der Lichteintrittsöffnung des Gehäuses angeordneten optischen Lichtaufnahmeeinrichtung, die das am Objekt reflektierte Licht konzentriert, einer Positionsdetektoreinrichtung, auf die der konzentrierte Lichtfleck fällt, um zwei Ausgangssignale von zueinander entgegengesetztem Wert ansprechend auf die Position des konzentrierten Lichtflecks auf der Lichtdetektoreinrichtung zu erzeugen, einer Operationseinrichtung, um aus den zwei Positions-Ausgangssignalen die Entfernung des Objektes zu bestimmen und ein Entfernungsmeßsignal zu erzeugen, indem die zwei Positions-Ausgangssignale addiert und subtrahiert werden, um ein Verhältnis zwischen den Positionssignalen zu bilden, und mit einer Linearitätskorrektureinrichtung, welche jegliche Nichtlinearität des Entfernungsmeßsignals korrigiert, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus optischem Kunststoffmaterial gefertigte Schutzabdeckung sowohl an der Lichtaustrittsöffnung als auch an der Lichteintrittsöffnung des Gehäuses angebracht ist und jede dieser Schutzabdeckungen mittels eines Rahmenteils demontierbar an der Stirnfläche des Gehäuses befestigt ist.

8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse weiterhin mit Permanentmagneten versehen ist, die neben der Lichtaustrittsöffnung und der Lichteintrittsöffnung angeordnet sind, und daß die Rahmenteile aus ferromagnetischem Material gefertigt sind, so daß sie durch Magnetkraft an den Permanentmagneten anhaften und die Schutzabdeckungen demontierbar festhalten.