DE3931856A1 - Anordnung zur erfassung einer werkstueckkante - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erkennen einer Kante eines sich relativ zu einem Erfassungsort bewegenden und davon optisch unterscheidenden Werkstückes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Anordnungen dieser Gattung, wie z.B. aus der Deutschen Patentschrift 33 23 214 bekannt, können in Nähmaschinen eingesetzt werden, um den Beginn oder das Ende (d.h. die Kante) einer Stofflage zu fühlen und den Betrieb der Maschine entsprechend zu steuern. Bevorzugtes, aber nicht ausschließliches Anwendungsgebiet der Erfindung ist ebenfalls die Erfassung von Stoffkanten in Näh- und anderen textilverarbeitenden Maschinen.

Ein Problem bei der automatischen Erfassung von Werkstückkan­ ten mittels optischer Meßeinrichtungen wie Lichtschranken sind die wechselnden Randbedingungen der Messung. Hierzu ge­ hören neben Störeinflüssen wie Fremdlicht auch die unter­ schiedlichen Anfangsbedingungen vor dem Erscheinen einer Werkstückkante. Soll z.B. der Beginn einer einzigen Stoff­ lage erfaßt werden, dann ist bei Verwendung einer mit Durch­ licht arbeitenden Lichtschranke der gemessene Lichtanteil vor Ankunft der Kante sehr hoch und wechselt dann auf einen niedrigeren Wert, je nach der optischen Dichte des Stoffs.

Ist die zu erfassende Kante jedoch der Beginn einer zweiten Stofflage, dann wechselt der gemessene Lichtanteil von einem weniger hohen Wert auf einen noch niedrigeren Wert. Andere Randbedingungen der Messung herrschen, wenn die Endkante eines Stoffs gefühlt werden soll, wobei auch hier die jewei­ ligen Anfangsbedingungen je nach Stoffdichte und Anzahl der Lagen unterschiedlich sind. Zu erwähnen ist schließlich noch die sich mit der Zeit ergebende Verschmutzung der optischen Meßvorrichtung, die mehr oder weniger stark sein kann und demnach das Meßsignal in unterschiedlicher Weise beeinflußt. Ähnliche Auswirkungen können auch Alterungserscheinungen in den Elementen der Meßvorrichtung haben, etwa nachlassende Lichtstärke des Lichtsenders oder Drift in den Kennwerten elektrischer Bauelemente in der Meßvorrichtung.

Es ist daher allgemeine Praxis, bei optoelektronischen Kan­ tenfühlern der in Rede stehenden Gattung nicht den von unter­ schiedlichen Randbedingungen abhängigen Absolutwert des Meß­ signals, sondern seine relative Änderung als Erfassungskri­ terium für das Erscheinen einer Werkstückkante zu nehmen. Insbesondere ist es die Sprunghaftigkeit einer relativen Änderung des Meßsignals, die auf das Erscheinen einer Werk­ stückkante hinweist. Um sprunghafte Relativänderungen gegen­ über Langzeitänderungen und unterschiedlichen Randbedingun­ gen zu diskriminieren, verwendet man üblicherweise irgend­ welche Kompensationseinrichtungen, die eine die Randbedingun­ gen der Messung anzeigende Größe in die Auswertung der Mes­ sung mit einführen.

Bei dem optoelektronischen Kantenfühler nach der oben erwähn­ ten Deutschen Patentschrift 33 23 214 besteht eine solche Kompensationseinrichtung in der Anordnung eines zusätzlichen Lichtempfängers, der in Bewegungsrichtung des Werkstücks kurz vor dem anderen Lichtempfänger am Erfassungsort sitzt.

Das Meßsignal des zusätzlichen Lichtempfängers zeigt demnach die Randbedingungen der Messung vor Erscheinen der Kante an. Eine Schalteinrichtung erzeugt ein Kantenerkennungssignal immer dann, wenn die Differenz des Meßsignals beider Licht­ empfänger einen bestimmten Schwellenbetrag überschreitet. Die Polarität des Differenzsignals zeigt an, ob es sich um die Vorderkante (Beginn einer Stofflage) oder um die Rückkan­ te (Ende einer Stofflage) eines Werkstücks handelt. Schwel­ lenüberschreitung und Polarität werden durch einen Fenster­ diskriminator festgestellt.

Nachteilig bei dieser Lösung ist, daß zwei Lichtempfänger und zwei getrennte Meßkanäle verwendet werden müssen. Außer­ dem muß der Aussteuerungsbereich am Ausgang der beiden Meß­ kanäle zum Zwecke der Differenzbildung relativ groß sein, entsprechend dem Bereich möglicher Absolutwerte des gemesse­ nen Lichtanteils, was Probleme hinsichtlich der Auflösung bzw. der Empfindlichkeit bringt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einer Anordnung der in Rede stehenden Gattung mit Hilfe ei­ nes einzigen Lichtmeßkanals ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches das Auftreten jeder Werkstückkante mit gleichblei­ bend guter Genauigkeit ungeachtet der jeweils herrschenden Randbedingungen zuverlässig anzeigt. Diese Aufgabe wird er­ findungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Maßnahme gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines I-Reglers in einem geschlossenen Regelkreis zur Regelung des Meßsignals auf einen festen Referenzwert ergeben sich schlagartig meh­ rere Vorteile. Zum einen bleibt der Referenzwert des Meß­ signals, gegenüber welchem sich das Signal beim Auftreten einer Kante ändert, stets auf dem gleichen Wert, so daß Meßbereichsprobleme vermindert sind. Dies ist ein gravieren­ der Unterschied zu den Verhältnissen in der Anordnung nach der erwähnten Deutschen Patentschrift 33 23 214, wo sich die­ ser Referenzwert, nämlich das Meßsignal des zusätzlichen Lichtempfängers, abhängig von den Randbedingungen stark ändert. Zum zweiten führt das I-Verhalten des Reglers dazu, daß das Meßsignal, welches bei jeder Kante zunächst einen ausgeprägten scharfen sprunghaften Ausschlag macht, mit defi­ nierter endlicher Geschwindigkeit zurückgeregelt wird, ohne bleibende Regelabweichung. Die steile Vorderflanke dieses Ausschlags ist eindeutiges Indiz für das Erscheinen einer Kante, und die Polarität des Ausschlags gibt Auskunft über die Art der Kante, also Anfangs- oder Endkante eines Werk­ stücks. Schließlich ist noch hervorzuheben, daß trotz der Regelung des Meßsignals auf einen festen Referenzwert eine Information über den Absolutwert des gemessenen Lichtanteils verfügbar bleibt, nämlich in Gestalt des Regler-Stellsignals im jeweils eingeschwungenen Zustand. Diese Information kann nützlich sein, etwa um die Verschmutzung oder alterungs­ bedingtes Nachlassen der Meßempfindlichkeit zu signalisieren und/oder andere Randbedingungen am Erfassungsort anzuzeigen, wie etwa das Vorhandensein oder Fehlen eines Werkstücks am Erfassungsort oder die Anzahl bzw. optische Dichte der gera­ de am Erfassungsort befindlichen Stofflagen.

Die vorstehend erwähnte Aussagekraft des Stellsignals des Reglers läßt sich in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfin­ dung ausnutzen, indem man eine Warneinrichtung vorsieht, die das Stellsignal des Reglers während des Fehlens eines Werk­ stücks am Erfassungsort überwacht und ein Warnsignal lie­ fert, wenn das Stellsignal einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet. Dieses Warnsignal zeigt an, daß die Meßvor­ richtung einen bestimmten Verschmutzungsgrad erreicht hat, der die Zuverlässigkeit der Anordnung gefährden kann. Vor­ zugsweise wird der erwähnte Grenzwert so eingestellt, daß er niedriger ist als der im Idealfall zu erwartende Wert des Stellsignals bei Vorhandensein des am wenigsten unterscheid­ baren Werkstücks am Erfassungsort, z.B. des dünnsten oder am meisten durchscheinenden Stoffes, wenn die Anordnung zur Er­ fassung von Stoffkanten konzipiert ist.

Das beim Auftreten einer Werkstückkante in der einen oder der anderen Richtung ausschlagende Meßsignal könnte mit zwei Schwellenwerten unterschiedlicher Polarität verglichen wer­ den, ähnlich der Funktion eines Fensterdiskriminators, um zwischen Vorder- und Rückkante zu unterscheiden. Vorzugswei­ se enthält jedoch die das Kantenerkennungssignal liefernde Schalteinrichtung nur einen Vergleicher, der die Differenz zwischen dem Meßsignalwert und einem einzigen nachführbaren Schwellenwert ermittelt und das Kantenerkennungssignal bei einem Vorzeichenwechsel dieser Differenz liefert. Um zu ver­ hindern, daß der Schwellenwert bei der durch den I-Regler er­ folgenden Rückregelung des Meßsignals erneut überkreuzt wird, ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die nach einem Vorzeichenwechsel der Differenz den einen der Vergleichswer­ te in einem solchen Abstand vom anderen Vergleichswert hält, daß der nächste Vorzeichenwechsel erst bei Rückkehr des ge­ messenen Lichtanteils auf seinen vorherigen Wert erfolgt, also erst beim Auftreten der nächsten Kante. Bei einer ersten Alternative wird die erwähnte Abstandshaltung durch Veränderung des Schwellenwertes entsprechend dem Stellsignal des Reglers erzielt. Die andere Alternative besteht darin, einen festen Schwellenwert zu verwenden und den I-Regler nach erstmaliger Überkreuzung dieses Schwellenwertes einzu­ frieren, so daß das Meßsignal nicht mehr nachgeregelt wird, sondern erst dann wieder, unter Überkreuzung des Schwellen­ wertes, zurückspringt, wenn die Rückkante des Werkstücks er­ scheint. Bei dem sich dann ergebenden Vorzeichenwechsel wird der Regler wieder in Betrieb genommen.

Das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung, nämlich die Ver­ wendung eines auf das Meßsignal einwirkenden I-Reglers zum laufenden Abgleich einer optischen Kantenerfassungseinrich­ tung, unterscheidet sich wesentlich von anderen automati­ schen Abgleichtechniken. So offenbart z.B. die Deutsche Offenlegungsschrift 32 24 314 einen selbstkompensierenden optoelektronischen Stoffkantenfühler für eine Nähmaschine, wo das Lichtmeßsignal über einen Koppelkondensator an den Steuereingang eines Schalttransistors gelegt wird, dessen Vorspannung durch den über einen RC-Kreis gebildeten Mittel­ wert des Meßsignals veränderlich eingestellt wird. Dies ist nicht mit einer I-Regelung des Meßsignals vergleichbar. Eine andere, aus der Deutschen Offenlegungsschrift 36 06 208 be­ kannte Abgleichmethode besteht darin, in einer anfänglichen Justierphase das Meßsignal durch rechnergesteuerte Verstär­ kungsregelung auf einen bestimmten Referenzwert oberhalb eines Mindestwertes zu bringen und dann eine Anzeigeschwelle um einen bestimmten Betrag über diesen Referenzwert zu setzen. Das Kantenerkennungssignal wird abgegeben, wenn das Meßsignal diese Anzeigeschwelle übersteigt. Abgesehen davon, daß man mit dieser Anordnung keine laufende Kompensation er­ zielt, sondern nur eine jeweilige Vorjustierung vor dem eigentlichen Erfassungsbetrieb erreichen kann, ist die Anwen­ dung beschränkt auf die Erfassung nur der Endkante eines Werkstücks ("Endfühler").

Nähere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung sowie besonde­ re Ausgestaltungen, die teilweise in den Unteransprüchen ge­ kennzeichnet sind, werden nachstehend an Ausführungsbeispie­ len anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 ist ein Prinzipschaltbild einer erfindungsge­ mäßen Anordnung;

Fig. 2 und 3 veranschaulichen in jeweils einem Kenn­ linienfeld den Betrieb einer erfindungsgemäßen Anordnung bei unterschiedlichen Randbedingungen;

Fig. 4 zeigt in einem ausführlicheren Blockschaltbild eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 zeigt Zeitdiagramme verschiedener Signale und Größen in der Anordnung nach Fig. 4.

Im Prinzipschaltbild der Fig. 1 ist schematisch als Block 10 eine optische Meßvorrichtung dargestellt, bei der es sich z.B. um eine mit Durchlicht arbeitende Lichtschranke han­ delt, die einen Lichtsender und im Abstand davon einen Licht­ empfänger enthält, der am Ausgang der Meßvorrichtung ein Meß­ signal liefert, das im wesentlichen proportional dem empfan­ genen Lichtanteil ist. Ein Werkstück 11 mit zu erfassender Vorder- und Rückkante 11a bzw. 11b wird zur Kantenerfassung im Laufe seiner Verarbeitung durch den Lichtweg zwischen Lichtsender und -empfänger geschoben, wodurch sich der auf den Lichtempfänger treffende Lichtanteil vorübergehend, für die Dauer der Anwesenheit des Werkstücks, vermindert. Das Maß dieser Verminderung hängt von der optischen Unterscheid­ barkeit des Werkstücks 11 ab, im vorliegenden Fall von sei­ ner Lichtdurchlässigkeit. Für sich allein genommen würde die Meßvorrichtung 10 also ein Ausgangssignal Ux liefern, das der gestrichelt gezeichneten Wellenform über der Ausgangslei­ tung der Meßvorrichtung entspricht. Das heißt, beim Erschei­ nen der Vorderkante 11a des Werkstücks würde dieses Ausgangs­ signal sprungartig absinken, dann für die Dauer der Anwesen­ heit des Werkstücks auf dem gleichen Wert bleiben, um beim Erscheinen der Rückkante 11b wieder auf den vorherigen Wert zurückzuspringen.

Im vorliegenden Fall wird das Meßsignal Ux jedoch durch einen geschlossenen Regelkreis, der einen Regler mit Inte­ gralverhalten (I-Regler) 20 enthält, auf einen festen Re­ ferenzwert Ur geregelt. Diese I-Regelung führt dazu, daß das Meßsignal Ux beim Erscheinen der Vorderkante 11a zunächst einmal durch einen scharfen Ausschlag nach unten vom Referenzwert Ur abweicht, um dann mit einer endlichen Geschwindigkeit, die von der Integrationszeitkonstante des I-Reglers abhängt, wieder auf Ur zurückzukehren. Beim Er­ scheinen der Rückkante 11b schlägt das Meßsignal Ux in ähnlicher Weise vorübergehend in der entgegengesetzten Richtung aus. Dies ist durch die ausgezogene Wellenform über der Ausgangsleitung der Meßvorrichtung 10 dargestellt. Das Stellsignal Uy des I-Reglers 20 entspricht dem zeitlichen Integral der Regelabweichung zwischen dem Istwert Ux des Meßsignals und dem angelegten Referenzwert Ur. Dieses Stell­ signal Uy kann z.B. den Lichtsender in der Meßvorrichtung im Sinne einer Erhöhung der Sendeleistung oder einen in der Meß­ vorrichtung enthaltenen Meßverstärker im Sinne einer Verstär­ kungszunahme beeinflussen. Sein trapezähnlicher Verlauf ist in der Fig. 1 am Ausgang des I-Reglers 20 schematisch darge­ stellt.

Die innerhalb des Regelkreises 10, 20 entstehenden Signale liefern eine eindeutige Information über alle interessieren­ den Verhältnisse am Meßort. Die steilen Vorderflanken der Ausschläge im Meßsignal Ux kennzeichnen genau die Zeitpunkte des Erscheinens einer Stoffkante am Meßort, und die Richtung (Polarität) der Ausschläge zeigt an, ob es sich um eine Vor­ derkante (Anfang der Stofflage) oder um eine Rückkante (Ende der Stofflage) handelt. Das Stellsignal Uy zeigt durch den Wert, den es im jeweils eingeschwungenen Zustand der Rege­ lung einnimmt, die sogenannten "Randbedingungen" der Mes­ sung, das heißt, bei "leerer" Lichtmeßstrecke liefert es eine Aussage über das eventuelle Nachlassen der Leistungs­ fähigkeit der Meßvorrichtung (etwa durch Verschmutzung der Lichtstrecke oder durch Alterung der Lichtquelle), und bei "belegter" Lichtstrecke gibt es Auskunft über die optische Dichte der vorhandenen Stofflagen, was auch Rückschlüsse auf die Dicke zuläßt (z.B. um den Andrückfuß in einer Nähmaschi­ ne entsprechend einzustellen).

Zur Erzeugung des eigentlichen Kantenerkennungssignals Sk wird das Meßsignal Ux einer Schalteinrichtung 30 zugeführt, die anspricht, wenn der Ausschlag des Meßsignals jeweils ein bestimmtes Maß übersteigt. Zur Diskriminierung der Richtung des Ausschlags, also zur Unterscheidung zwischen Vorder- und Rückkante des Werkstücks, kann diese Schalteinrichtung als Fensterdiskriminator mit zwei Schwellenwerten Us und Us′ aus­ gebildet sein, wie durch die beiden entsprechend bezeichne­ ten Zuleitungen an der Schalteinrichtung 30 in der Fig. 1 an­ gedeutet. Vorzugsweise wird jedoch mit nur einem einzigen Schwellenwert Us aus einem Schwellenwertgeber 40 gearbeitet, und als Schalteinrichtung ein einfacher Vergleicher verwen­ det, der die Differenz zwischen dem Meßsignal Ux und dem Schwellenwert Us bildet und jeden Vorzeichenwechsel dieser Differenz anzeigt. Damit hiermit ein eindeutiges Kantenerken­ nungssignal entsteht, wird dafür gesorgt, daß nach einer Überkreuzung des Schwellenwertes durch einen Ausschlag des Meßsignals infolge einer Kante ein Abstand zwischen Meß­ signal und Schwellenwert eingehalten wird, der dazu führt, daß die nächste Überkreuzung in der umgekehrten Richtung erst beim nächsten, in die Gegenrichtung gehenden Meßsignal­ ausschlag erfolgt, der durch die nächstfolgende Kante hervor­ gerufen wird. Dies kann gemäß einer Ausführungsform der Er­ findung durch die nachstehend beschriebene Nachführung des Schwellenwertes Us geschehen.

Gemäß der Fig. 1 wird, wie mit der gestrichelten Verbindungs­ leitung 41 angedeutet, der Schwellengeber 40 durch das Stell­ signal Uy vom Ausgang des I-Reglers 20 gesteuert. Die Steuer­ kennlinie Us = f(Uy) des Schwellengebers 40 muß hierbei be­ stimmte Bedingungen erfüllen, was anhand der Fig. 2 und 3 erläutert sei.

Das Diagramm der Fig. 2 zeigt, in welcher Abhängigkeit ver­ schiedene Signale der Anordnung nach Fig. 1 gegenüber dem Stellsignal Uy des Reglers 20 stehen. Die Kennlinie 50 zeigt, welche verschiedenen Werte das Meßsignal Ux bei unter­ schiedlichen Werten des Stellsignals Uy annimmt, wenn sich kein Werkstück, sondern nur Luft im Lichtweg der Meßvorrich­ tung 10 befindet und diese Vorrichtung im einwandfreien Zu­ stand ist. Die Kennlinie 52 zeigt die verschiedenen Werte des Meßsignals Ux, wenn sich ein Werkstück mit bestimmter optischer Unterscheidbarkeit, z.B. ein Stoff bestimmter Dicke, im Lichtweg befindet. Im Falle eines dünneren Stoffes wäre diese Kennlinie steiler, wie mit der gestrichelten Linie 51 angedeutet; im Falle eines dickeren Stoffes ergäbe sich ein flacherer Kennlinienverlauf, wie mit der gestrichel­ ten Linie 53 angedeutet. Eingetragen ist ferner der feste Referenzwert Ur, auf den das Meßsignal jeweils durch den I-Regler 20 eingeregelt wird.

Wenn sich also kein Stoff im Lichtweg befindet und die Meß­ vorrichtung 10 ideal arbeitet, dann regelt sich das Meßsig­ nal Ux auf den Arbeitspunkt A ein, d.h. auf den Schnittpunkt der Kennlinie 50 mit der Ur-Referenzlinie. Wird nun ein Stoff bestimmter Dicke in den Lichtweg geschoben, dann sinkt das Meßsignal Ux zunächst sprunghaft zum Arbeitspunkt B ab, also bis auf die diesem Stoff entsprechende Kennlinie 52. Durch das nun allmählich zunehmende Stellsignal Uy des I-Reg­ lers 20 läuft das Meßsignal Ux entlang der Kennlinie 52 bis zur Erreichung des Referenzwertes Ur, also bis zum Arbeits­ punkt C. Dies ist der eingeregelte stationäre Zustand, der für den Rest der Verweildauer des Stoffes im Lichtweg an­ dauert. Erscheint dann irgendwann die Rückkante des Stoffes, springt das Meßsignal schlagartig in die Gegenrichtung auf denjenigen Wert, der sich für das momentan anliegende Stell­ signal auf der Kennlinie 50 ergibt (nur Luft im Lichtweg), also zum Arbeitspunkt D. Wegen der damit entstandenen erneu­ ten Abweichung des Meßsignals Ux gegenüber Ur greift die Regelung durch Verminderung des Stellsignals Uy wieder ein, um das Meßsignal entlang der nun geltenden Kennlinie 50 wie­ der bis zum Referenzwert Ur, also bis zum Punkt A, zurückzu­ regeln.

Um die beiden kantenrelevanten Ausschläge A-B und C-D des Meßsignals Ux zu erfassen, wird das mit dem Meßsignal zu ver­ gleichende Schwellensignal Us abhängig vom Stellsignal Uy ge­ mäß der Kennlinie 42 nachgeführt. Vor dem Auftreten der Vor­ derkante, also im Arbeitspunkt A, ist das Meßsignal Ux im dargestellten Fall positiver als der Schwellenwert Us im Punkt E. Mit dem Vorderkanten-Ausschlag A-B kreuzt das Meß­ signal Ux den Schwellenwert Us im Punkt E, und der sich da­ mit ergebende Vorzeichenwechsel des Differenzsignals Ux-Us von positiv nach negativ kann als Kantenerkennungssignal für die Vorderkante dienen. Während der mittels des Regler-Stell­ signals Uy bewirkten Rückführung des Meßsignals Ux in posi­ tiver Richtung zum Referenzwert Ur (Abschnitt B-C) durch Ein­ wirkung des Stellsignals Uy verschiebt sich der Schwellen­ wert Us ebenfalls in positiver Richtung entlang der Kenn­ linie 42. Das Meßsignal kann also während dieser Rückrege­ lung den Schwellenwert Us im Punkt F nicht überkreuzen. Eine Überkreuzung und damit ein erneuter Vorzeichenwechsel des Differenzwertes Ux-Us kann erst wieder im Laufe des Rück­ kanten-Ausschlags C-D erfolgen, und zwar am Punkt F. Bei der dann anschließenden Rückregelung des Meßsignals Ux auf den Punkt A wandert auch der Schwellenwert Us wieder zurück auf den Punkt E.

Die Fig. 3 zeigt innerhalb des gleichen Kennlinienfeldes den Zyklus des Meßsignals bei Hindurchbewegung des gleichen Stoffs für den Fall, daß die Meßvorrichtung 10 verschmutzt ist. Diese Verschmutzung hat zur Folge, daß statt der idea­ len Luft-Kennlinie 50 eine etwas flacher verlaufende Kenn­ linie 50′ und statt der reinen Stoff-Kennlinie 52 die eben­ falls etwas flachere Kennlinie 52′ durchlaufen wird, denn die Verschmutzung hat den gleichen Effekt wie eine zusätz­ liche dünne Stofflage. Ein ähnlicher Effekt kann sich auch bei Alterung von Elementen in der Meßvorrichtung ergeben, beispielsweise bei nachlassender Qualität der Lichtquelle. Statt des Zyklus A-B-C-D-A der Fig. 2 wird beim Hindurchbe­ wegen des Stoffes durch die Meßvorrichtung im Falle der Fig. 3 ein Zyklus A′-B′-C′-D′-A′ durchlaufen. Beim Erscheinen der Vorderkante des Stoffes wird der Schwellenwert Us (Kenn­ linie 42) am Punkt E′ überkreuzt, und beim Erscheinen der Rückkante erfolgt die Überkreuzung in Gegenrichtung am Punkt F′. Im ersteren Fall wechselt das Vorzeichen des Differenz­ signals Ux-Ux von positiv auf negativ, und im zweiten Fall wechselt es von negativ auf positiv.

Damit der Schwellenwert Us in jedem Fall beim Auftreten irgendeiner Kante vom Meßsignal Ux überkreuzt wird, sollte die Schwellenwertkennlinie 42, also die Funktion Us = f(Uy), im Bereich zwischen der für Luft geltenden Meßsignalkennli­ nie und derjenigen Meßsignalkennlinie liegen, die für das am wenigsten unterscheidbare Werkstück gilt, im vorliegenden Fall also der Kennlinie für den dünnsten Stoff, z.B. der Kennlinie 51 in Fig. 2. Das heißt, die Kennlinie 42 muß fla­ cher als die Kennlinie 50 und steiler als die Kennlinie 51 in Fig. 2 verlaufen. Dies läßt sich durch Auslegung des Schwellengebers 40 in Fig. 1 als entsprechendes Kennlinien­ glied erreichen.

Andererseits läßt sich bei Betrachtung der Fig. 3 erkennen, daß die Kantenerkennung nur möglich ist, solange die "ver­ schmutzte" oder "gealterte" Meßsignalkennlinie für Luft, also die Kennlinie 50′, oberhalb der Schwellenwertkennlinie 42 bleibt, denn sonst würde das Meßsignal beim Auftreten ei­ ner Kante den Schwellenwert Us nicht kreuzen. Es ist daher vorteilhaft, ein Warnsignal abzugeben, wenn die Kennlinie 50′ nicht mehr genügend entfernt von der Kennlinie 42 ver­ läuft. Ein solcher Zustand äußert sich z.B. darin, daß der Abstand A′-E′ in Fig. 3 zu klein geworden ist. Das heißt, die Abgabe des Warnsignals kann ausgelöst werden, wenn der Schwellenwert Us während des Fehlens eines Werkstücks am Er­ fassungsort einen Grenzwert überschreitet, der nur noch geringfügig unterhalb des Referenzwertes Ur des Meßsignals liegt. Dies ist ein Indiz dafür, daß das Stellsignal Uy wäh­ rend des Fehlens eines Werkstücks am Erfassungsort nur noch einen bestimmten endlichen Mindestwert hat, um die Schwä­ chung des Meßsignals infolge Verschmutzung oder Alterung der Meßvorrichtung auszugleichen.

In der Fig. 4 ist ein praktisches Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung dargestellt, die nach den vorstehend beschriebenen Prinzipien arbeitet. Eine licht­ emittierende Diode 12 wird über einen Spannungs/Strom-Wand­ ler 13 aus einer pulsierenden Spannung vorbestimmter Fre­ quenz angesteuert, die vom Ausgang 14a eines Schalters 14 geliefert wird. Der Schalter 14 wird durch einen Oszillator 15 mit der vorbestimmten Frequenz von z.B. 10 KHz zwischen einem am Eingang 14e zugeführten Spannungswert und einem Masseanschluß umgeschaltet, so daß die Sendediode 12 Wechsel­ licht abstrahlt, dessen Frequenz der Oszillatorfrequenz ent­ spricht und dessen Intensität von der am Schalterausgang 14a vorhandenen Spannung abhängt. Die Sendediode 12 bildet mit einem beabstandeten, als Lichtempfänger dienenden Photoele­ ment 16 eine Lichtschranke, durch die ein Werkstück 11, z.B. ein Textilstoff in einer Nähmaschine, hindurchbewegt wird. Das Ausgangssignal des Photoelementes 16 ist eine mit der Oszillatorfrequenz pulsierende Spannung, deren Amplitude am höchsten ist, wenn sich kein Stoff 11 im Lichtweg zwischen Diode 12 und Photoelement 16 befindet, und bei Anwesenheit eines Stoffes 11 je nach der Dicke dieses Stoffes vermindet wird. Dieses Spannungssignal wird zur Störsignalausfilterung auf ein Bandpaßfilter 17 gegeben, das auf die Frequenz des Oszillators 15 abgestimmt ist.

Das Wechselspannungssignal Ux′ vom Ausgang des Bandpaßfil­ ters 17 wird über einen Abtastschalter 21 auf den Istwertein­ gang eines I-Reglers 20 gegeben, der an seinem Sollwertein­ gang einen konstanten Referenzwert Ur empfängt. Der Abtast­ schalter 21 ist mit dem Oszillator 15 derart synchronisiert, daß er periodisch während bestimmter Zeitintervalle, die je­ weils einer halben Oszillatorperiode entsprechen, das Band­ paßausgangssignal an den Regler 20 legt. Während der verblei­ benden Zeitintervalle verbindet der Abtastschalter 21 den Istwerteingang des Reglers 20 mit dem Referenzwert Ur. Dies führt dazu, daß sich das Ausgangssignal Uy des Reglers 20 schrittweise mit der Oszillatorfrequenz gemäß dem zeitlichen Integral der Differenz zwischen dem Meßsignal Ux und dem Referenzwert Ur ändert. Während der Intervalle zwischen den Änderungsschritten hält der Regler 20 seine Ausgangsgröße konstant, weil dann der Referenzwert Ur über den Abtastschal­ ter 21 am Istwerteingang liegt. Die Ausgangsgröße Uy des Reg­ lers 20 wird als Stellgröße auf den Eingang 14a des Schal­ ters 14 gegeben, um die Lichtleistung der Sendediode 12 im Sinne einer Ausregelung der Abweichung zwischen dem Bandpaß­ ausgangssignal und der Referenzgröße Ur zu modulieren. Das heißt, im eingeschwungenen Zustand des Regelkreises ent­ spricht der Mittelwert des abgetasteten Meßsignals Ux der Referenzgröße Ur.

Das Wechselspannungssignal vom Ausgang des Bandpaßfilters 17 wird außerdem einem Zweiweg-Synchrongleichrichter 18 zuge­ führt, der mit der Oszillatorfrequenz synchronisiert ist, um eine gleichgerichtete Spannung zu liefern, die dem Meßsignal Ux entspricht und über ein Tiefpaßfilter 19 an einen ersten Eingang eines ersten Vergleichers 30′ gelegt wird, welcher der Schalteinrichtung 30 aus Fig. 1 entspricht. Der Synchron­ gleichrichter 18 gewährleistet in Verbindung mit dem Tiefpaß 19 ein hohes Maß an Störfestigkeit, so daß am ersten Verglei­ chereingang ein getreues Abbild des Meßsignals Ux liegt. Dem zweiten Eingang des Vergleichers 30′ wird der Schwellenwert Us angelegt, der aus dem Stellsignal Uy des Reglers 20 über das Kennlinienglied 40′ erhalten wird, welches mit dem Schwellengeber 40 aus Fig. 2 vergleichbar ist.

Wenn das Kennlinienglied 40′ in der weiter oben beschriebe­ nen Weise dimensioniert ist, um die gewünschte Kennlinie Us = f(Uy) zwischen den beiden Meßsignalkennlinien Ux = f (Uy) für Luft und für den dünnsten Stoff zu erhalten, dann wechselt das ausgangsseitige "Kantenerkennungssignal" Sk des ersten Vergleichers 30′ seine Polarität immer nur in dem­ jenigen Augenblick, in dem eine Vorder- oder eine Rückkante des Stoffes 11 zwischen Sendediode 12 und Photoelement 16 erscheint. Die Richtung des jeweiligen Polaritätswechsels zeigt an, ob es sich um eine Vorderkante oder um eine Rück­ kante handelt. Der zeitliche Verlauf des geregelten Meßsig­ nals Ux, des abhängig vom Stellsignal Uy nachgeführten Schwellenwertes Us und des die Differenz Ux-Us darstellen­ den Kantenerkennungssignals Sk ist in den Diagrammen der Fig. 5 dargestellt, und zwar sowohl für den Fall des Ideal­ zustandes der Meßvorrichtung als auch für den Fall ver­ schmutzter oder gealterter Meßvorrichtung. Das obere Bild (a) der Fig. 5 veranschaulicht die jeweiligen Meßbedingun­ gen, d.h. das Vorhandensein und Fehlen von Stoff 11 und Ver­ schmutzung V im Lichtweg zwischen Sendediode 12 und Photoele­ ment 16. Das mittlere Bild (b) zeigt den entsprechenden Ver­ lauf von Meßsignal Ux und Schwellenwert Us am Eingang des Vergleichers 30′. Die gezeichneten Kurven sind aus den Fig. 2 und 3 abgeleitet, wobei die dort durchlaufenen Arbeits­ punkte A bis F und A′ bis F′ ebenfalls an den zugeordneten Stellen eingetragen sind. Das untere Bild (c) schließlich zeigt den Verlauf des Differenz- oder Kantenerkennungs­ signals Sk und zwar jeweils in Abhängigkeit von der Zeit t.

Man erkennt, daß sich das Niveau des Schwellenwertes Us hebt, wenn die Meßvorrichtung verschmutzt. Im Verlauf einer Verschmutzung nähert sich der bei fehlendem Stoff 11 herrschen­ de Schwellenwert dem eingeregelten Referenzwert des Meßsig­ nals Ux, wie es das mittlere Bild (b) der Fig. 5 im Ab­ schnitt A-A′ zeigt. Wäre die Verschmutzung V so stark, daß der Schwellenwert in diesem Abschnitt den Referenzwert erreicht, dann könnte die Vorderkante eines Stoffes 11 nicht mehr eindeu­ tig erfaßt werden. Um dieser Gefahr vorzubeugen, ist in der Anordnung nach Fig. 4 ein zweiter Vergleicher 60 vorgesehen, der ein Warnsignal liefert, wenn der Schwellenwert Us bei fehlendem Stoff 11 einen vorbestimmten festen Grenzwert Ug über­ steigt, der etwas unterhalb des Meßsignal-Referenzwertes Ur liegt. Dieses Warnsignal Sw kam durch eine optische oder akustische Anzeige die Bedienungsperson veranlassen, die Meß­ vorrichtung zu reinigen (bzw. gealterte Elemente auszutau­ schen).

In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform kann die Information für die Auslösung des Warnsignals Sw auch vom Kantenerkennungssignal Sk abgeleitet werden. Eine Überschreitung der "Verschmutzungsgrenze" äußert sich näm­ lich auch darin, daß das Differenzsignal Sk im eingeschwunge­ nen Zustand bei fehlendem Stoff einen bestimmten Grenzwert unterschreitet. Das heißt, das Warnsignal Sw kann ausgelöst werden, wenn das Signal Sk bei positiver Polarität (Fehlen eines Stoffes) für eine vorbestimmte Mindestdauer (also nicht nur sprungartig beim Erfassen einer Vorderkante) einen bestimmten Mindestbetrag Ug′ unterschreitet.

Neben den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind auch andere Ausgestaltungen der Erfindung möglich. So kann statt einer Nachführung des Schwellenwertes Us mittels des Kennliniengliedes 40′ auch ein fester Schwellenwert verwen­ det werden, wenn man auf andere Weise dafür sorgt, daß nach Erfassung einer Kante das Meßsignal und der Schwellenwert bis zur nächsten Kante im Abstand zueinander bleiben. Eine Alternative zur Schwellennachführung besteht gemäß einer Aus­ führungsform der Erfindung darin, den I-Regler 20 nach einem Vorzeichenwechsel der Differenz zwischen Meßsignal und Schwellenwert vorübergehend in seinem dann herrschenden Momentanzustand "einzufrieren", bis der nächste Vorzeichen­ wechsel in umgekehrter Richtung auftritt. Mit dieser Maß­ nahme bleibt nach Erfassung z.B. einer Vorderkante die vor­ übergehende Regelabweichung des Meßsignals, die zur Überkreu­ zung des Schwellenwertes geführt hat, erhalten, so daß der Schwellenwert in umgekehrter Richtung erst dann wieder über­ kreuzt wird, wenn das Meßsignal infolge der Rückkante in um­ gekehrter Richtung ausschlägt. Ab diesem Zeitpunkt wird die vorübergehende Verriegelung des I-Reglers 20 wieder aufgeho­ ben, bis zum nächsten Vorzeichenwechsel. Dieser "ereignisge­ steuerte" Betrieb des Reglers ist im mittleren Bild (b) der Fig. 5 durch gestrichelte Linien veranschaulicht. Wie man sieht, überkreuzt das Meßsignal (Ux1) den festen Schwellen­ wert (Us1) beim Auftreten der Vorderkante am Punkt G bzw. G′ in der einen Richtung und beim Auftreten der Rückkante am Punkt H bzw. H′ in der anderen Richtung, so daß sich auch hier ein Vorzeichenwechsel des Differenz- oder Kantenerken­ nungssignals nur an den Kanten ergibt, mit einer die Natur der Kante (Vorder- oder Rückkante) anzeigenden Polarität. Die vorübergehende Verriegelung des I-Reglers 20 kann bei der Anordnung nach Fig. 4 in einfacher Weise dadurch er­ reicht werden, daß man den Abtastschalter 21 bei negativer Polarität des Kantenerkennungssignals Sk in derjenigen Stel­ lung festhält, in welcher er den Referenzwert Ur an den Ist­ werteingang des Reglers 20 legt. Dies ist mit der strich­ punktierten Verbindungslinie 31 in der Fig. 4 angedeutet. Bei dieser Alternative ist anstelle eines nachgeführten Schwellenwertes Us der feste Schwellenwert Usl an den Ver­ gleicher 30′ zu legen. Der zweite Vergleicher 60 kann ge­ wünschtenfalls auch hier dazu verwendet werden, das Warn­ signal Sw abhängig vom Regler-Stellsignal Uy (mit oder ohne Kennlinienglied 40′) gemäß den weiter oben beschriebenen Kriterien zu erzeugen.

Ferner sei erwähnt, daß das Stellsignal des Reglers auch auf andere Größen als die Sendelichtstärke in der Meßvorrichtung einwirken kann, beispielsweise auf ein die Meßsignalverstär­ kung bestimmendes Element. Auch muß die Meßvorrichtung nicht unbedingt eine mit Durchlicht arbeitende Lichtschranke sein, es kann sich ebensogut auch um eine Reflexlichtschranke mit dunkler oder heller Hintergrundfläche handeln. Im Falle eines hellen (oder gut reflektierenden) Hintergrundes wäre das am wenigsten unterscheidbare Werkstück z.B. der hellst­ mögliche Stoff. Im Falle eines dunklen Hintergrundes, wo das am wenigsten unterscheidbare Werkstück der dunkelste Stoff wäre, würden für die angegebenen Polaritäten und die darge­ stellten Kurven spiegelbildliche Verhältnisse gelten. Des weiteren sei angemerkt, daß die in den Fig. 2 und 3 darge­ stellten Kennlinien in der Praxis auch von der gezeigten linearen Form abweichen können. Schließlich ist zu erwähnen, daß zur Kantenerfassung das Werkstück auch in Ruhe sein kann, während sich die Meßvorrichtung bewegt.

Die Anordnung erlaubt nicht nur das Erkennen von Kanten bei einlagigen Werkstücken, sondern auch die Erkennung von Kan­ ten bei zweilagigen Werkstücken. Zweilagige Werkstücke beste­ hen aus einer sogenannten Unterlage (einlagiges Werkstück) und aus einer Auflage (einlagiges Werkstück). Um die Mate­ rialkante bei Übergang von einer auf zwei Lagen, bzw. Über­ gang von zwei auf eine Lage zu erkennen, muß nur die Stei­ gung der Kennlinie für die Schwelle Us (Fig. 2) so weit ver­ mindert werden, daß diese Kennlinie unterhalb der Meßsignal­ Kennlinie für die Unterlage liegt. Dies kann dadurch reali­ siert werden, daß die Funktion des Schwellengebers, in die­ sem Fall die Steigung des Kennliniengliedes 40′, z.B. mit einem Potentiometer eingestellt wird. Das Einstellen der je­ weiligen Steigung auf die Materialunterlage muß einmal vor dem eigentlichen Nähvorgang durchgeführt werden. Dies ge­ schieht, indem die Unterlage durch die Lichtstrecke bewegt und dabei die Steigung so verändert wird, daß die Schaltein­ richtung 30 bzw. der Vergleicher 30′ kein Kantenerkennungs­ signal auslöst. Nach diesem Abgleich kann die Unterlage durch die Lichtschranke bewegt werden, ohne daß ein Kanten­ signal ausgelöst wird. Mit dem Auflegen eines weiteren Werk­ stückes (Auflage) wird die resultierende Materialdichte so groß, daß die Schwelle Us unterschritten und damit das Kan­ tenerkennungssignal ausgelöst wird. Wird in Fig. 2 die Kenn­ linie 50 (Meßsignal Ux für Luft) durch die Meßsignalkenn­ linie für die Unterlage und die Kennlinie 52 durch die Meß­ signalkennlinie für das zweilagige Werkstück (Unterlage + Auflage) ersetzt, dann ist der Funktionsablauf genauso zu beschreiben, wie oben für die einlagige Kantenerfassung ge­ schehen.

Claims (14)

1. Anordnung zum Erkennen einer Kante eines sich relativ zu einem Erfassungsort bewegenden und davon optisch unter­ scheidenden Werkstückes,
mit einer Meßvorrichtung, die einen den Erfassungsort beleuchtenden Lichtsender und einen Lichtempfänger auf­ weist, der einen vom Erfassungsort ausgehenden Lichtan­ teil mißt und ein Meßsignal als Funktion dieses Lichtan­ teils erzeugt, welches eine Schalteinrichtung zur Abgabe eines Kantenerkennungssignals veranlaßt, wenn es sich sprunghaft gegenüber einem Referenzwert ändert,
und mit einer Kompensationseinrichtung, die eine die Randbedingungen der Messung anzeigende Größe in die Aus­ wertung der Messung einführt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung ein Regler (20) mit Integralverhalten (I-Regler) ist, der Abweichungen des Meßsignals (Ux) von einem festen Referenzwert (Ur) fühlt und mit seinem Stellsignal (Uy) auf die Meßvorrichtung (10) im Sinne einer Ausregelung der gefühlten Abweichung einwirkt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Warn­ einrichtung (40, 60), die das Stellsignal des Reglers (20) während des Fehlens eines Werkstücks (11) am Erfas­ sungsort überwacht und ein Warnsignal (Sw) liefert, wenn das Stellsignal (Uy) einen vorbestimmten Grenzwert (Ug) überschreitet.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schalteinrichtung einen Vergleicher (30; 30′) enthält, der die Differenz zwischen dem Meßsignalwert (Ux) und einem Schwellenwert (Us; Us1) ermittelt und das Kantenerkennungssignal (Sk) bei einem Vorzeichenwechsel dieser Differenz bildet,
und daß eine Steuereinrichtung (40; 40′, 31, 21) vorge­ sehen ist, die nach einem Vorzeichenwechsel der Differenz einen der Vergleichswerte in einem solchen Abstand vom anderen Vergleichswert hält, daß der nächste Vorzeichen­ wechsel nur bei Rückkehr des gemessenen Lichtanteils auf seinen vorherigen Wert erfolgt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung ein Kennlinienglied (40′) enthält, das den Schwellenwert (Us) an die Vergleichseinrichtung (30) als Funktion des Stellsignals (Uy) des Reglers (20) gemäß einer Kennlinie (42) liefert, die zwischen der Meß­ signal/Stellsignal-Kennlinie (50) für das Fehlen eines Werkstücks (11) am Erfassungsort und der Meßsignal/Stell­ signal-Kennlinie (51) für das Vorhandensein des am wenig­ sten unterscheidbaren Werkstücks am Erfassungsort ver­ läuft.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 2, 3 und 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Warneinrichtung (60) den vom Kennlinien­ glied (40′) gelieferten Schwellenwert (Us) empfängt und das Warnsignal (Sw) erzeugt, wenn dieser Schwellenwert während des Fehlens eines Werkstücks (11) am Erfassungs­ ort einen Grenzwert (Ug) überschreitet, der etwas unter­ halb des Referenzwertes (Ur) des Meßsignals (Ux) liegt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Warneinrichtung einen gesonderten Vergleicher (60) aufweist, der das Ausgangssignal des Kennliniengliedes (40′) mit dem eigens angelegten Grenzwert (Ug) ver­ gleicht.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Warneinrichtung mit dem Vergleicher (30′) der Schalt­ einrichtung gekoppelt ist und das Warnsignal erzeugt, wenn die von diesem Vergleicher ermittelte Differenz zwi­ schen dem Meßsignalwert (Ux) und dem Schwellenwert (Us) über eine vorbestimmte Mindestdauer einen vorbestimmten Minimalbetrag bei derjenigen Polarität unterschreitet, die sich bei fehlendem Werkstück (11) am Erfassungsort ergibt.

8. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine Verriegelungseinrichtung (31, 21) ist, die beim Auftreten eines ersten Vorzeichenwech­ sels der Differenz (Ux-Us1) das Stellsignal (Uy) des Reglers (20) in seinem Augenblickszustand verriegelt und die beim Auftreten des nächsten Vorzeichenwechsels diese Verriegelung wieder aufhebt.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Stellsignal des Reglers auf ein die Verstärkung der Meßvorrichtung bestimmendes Ele­ ment einwirkt.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Stellsignal (Uy) des Reglers (20) die Intensität des Lichtsenders (12) beeinflußt.

11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (12) Wechsel­ licht einer vorbestimmten Frequenz sendet und daß der Lichtempfänger ein auf die Lichtwechselfrequenz abgestimm­ tes Bandpaßfilter (17) und einen nachgeschalteten Syn­ chrongleichrichter (18) mit anschließendem Tiefpaß (19) enthält.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (20) ein Abtastregler mit I-Verhalten ist, der an seinem Sollwerteingang den Referenzwert (Ur) für das Meßsignal empfängt und dessen Isteingang über einen mit der Lichtwechselfrequenz synchronisierbaren Abtastschal­ ter (21) zwischen dem Ausgangssignal des Bandpaßfilters (17) und dem Referenzwert (Ur) für das Meßsignal umschalt­ bar ist.

13. Anordnung nach Anspruch 12 in Verbindung mit Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungseinrichtung (31) den Abtastschalter (21) zur Verriegelung des Reglers (20) in die den Referenzwert (Ur) an den Istwerteingang legenden Stellung bringt.

14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (10) als Lichtschranke zur Erfassung von Stoffkanten (11a, 11b) in einer textilverarbeitenden Maschine, insbesondere einer Nähmaschine, ausgebildet ist.