DE4129702C2

DE4129702C2 - Method and device for optical measurement of the difference distance between two objects

Info

Publication number: DE4129702C2
Application number: DE4129702A
Authority: DE
Inventors: Helmut Buck; Ludwig Dr Bergann
Original assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG; Visolux Elektronik GmbH
Current assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG; Visolux Elektronik GmbH
Priority date: 1991-03-25
Filing date: 1991-09-06
Publication date: 1994-08-11
Anticipated expiration: 2011-09-07
Also published as: DE4129702A1; DE59209430D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Messung der Differenzentfernung zwischen zwei Objekten bezogen auf eine vorgegebene Richtung mittels optischer Triangulation.The invention relates to a method and an apparatus for optical measurement of the difference between two Objects related to a given direction optical triangulation.

Bei einem solchen Verfahren wird zur Entfernungsmessung das interessierende Objekt mit optischer Strahlung mittels eines Senders bestrahlt und die Winkelbeziehung der vom Objekt zurückgestreuten Strahlung vom Sensor mit einer positionsempfindlichen Photoempfangsanordnung ausgewertet.In such a method, the distance measurement is object of interest with optical radiation by means of a The transmitter is irradiated and the angular relationship of the object backscattered radiation from the sensor with a position sensitive photo receiving arrangement evaluated.

Bei einer Vielzahl von Anwendungsfällen ist bei der Entfernungsmessung von Objekten weniger die absolute Entfernung interessant, als vielmehr die relative Lage von beispielsweise zwei Objekten zueinander.For a variety of applications, the Distance measurement of objects less the absolute Distance interesting, rather than the relative location of for example two objects to each other.

Dies ergibt sich bei Positionier- und Nachführaufgaben in der Stahlindustrie, bei Verpackungsmaschinen, in der Papier- und Druckindustrie, im Bauwesen etc. Wird z. B. an einer Druckmaschine während des Maschinenlaufs ein neuer Papierstapel mit einem Hilfsstapel vereinigt, so muß auch hier die relative Lage von beiden gemessen und der neue Papierstapel positioniert werden.This results from positioning and tracking tasks in the Steel industry, in packaging machines, in paper and Printing industry, construction etc. B. on one Printing machine during the machine run a new one Paper stack combined with an auxiliary stack, so must here the relative position of both measured and the new one Paper stacks are positioned.

Für derartige Aufgaben werden bekannte optische Triangulationssensoren und Stellmittel eingesetzt, wobei die relative Lage zweier Objekte aus der Differenz der Ausgangssignale zweier solcher Sensoren ermittelt wird. Entscheidender Nachteil eines solchen Vorgehens ist, daß Meßfehler, die unabhängig in beiden Sensoren auftreten, zu einer erheblichen Vergrößerung der Meßfehler führen und unter Umständen den Einsatz dieser Meßmethode unmöglich machen. Known optical are used for such tasks Triangulation sensors and actuators used, the relative position of two objects from the difference of Output signals of two such sensors is determined. The decisive disadvantage of such an approach is that Measurement errors that occur independently in both sensors lead to a significant increase in measurement errors and under Under certain circumstances make the use of this measuring method impossible.

Insbesondere müssen von derartigen Geräten ein sehr guter Kennliniengleichlauf und besonders geringe Drift- und Alterungserscheinungen gefordert werden, was die Geräte sehr aufwendig macht und in vielen Fällen an physikalische Grenzen stoßen läßt.In particular, such devices must be a very good one Characteristic synchronization and particularly low drift and Signs of aging are required, which makes the devices very much expensive and in many cases to physical limits bumps.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren anzugeben und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der der relative Abstand zweier Objekte auf optischem Wege genau erfaßt werden kann, weitgehend unabhängig vom absoluten Abstand beider Objekte vom Meßgerät.The invention is therefore based on the object Specify measurement method and create a device with the the relative distance between two objects optically can be grasped precisely, largely independently of the absolute Distance of both objects from the measuring device.

Dieses Ziel sollte außerdem mit deutlich geringerem Aufwand erreicht werden, als bei der Verwendung zweier bekannter Abstandssensoren und ferner mit besserer Genauigkeit der Abstandsdifferenz.This goal should also be done with significantly less effort be achieved than when using two known ones Distance sensors and also with better accuracy of Distance difference.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel durch ein Verfahren erreicht, bei dem ein erstes und ein zweites Sendestrahlenbündel, die zueinander und zur vorgegebenen Richtung parallel verlaufen, jeweils eines der Objekte bestrahlen, ein entsprechend erstes und zweites Empfangsstrahlenbündel aus von den Objekten zurückgeworfenem Licht über optische Mittel aufgenommen und auf eine gemeinsame positionsempfindliche Photoempfängeranordnung abgebildet werden, die beiden Sende- und Empfangsstrahlenbündel zwei Triangulationsebenen aufspannen, die in Abstand zueinander parallel verlaufen, die Lagen der Abbildungsschwerpunkte auf der Photoempfängeranordnung als Maß für die Differenzentfernung ausgewertet werden, und die Bestrahlung der Objekte durch die jeweiligen Sendestrahlenbündel im zeitlichen Wechsel erfolgt. According to the invention, this goal is achieved by a method achieved in which a first and a second Transmitting beam bundles that are directed towards each other and to the specified one Direction parallel, one of the objects irradiate, a corresponding first and second Reception beams from objects thrown back Light received via optical means and onto a common position sensitive photo receiver arrangement are shown, the two broadcast and Spanning the received beam across two triangulation levels, which are parallel to each other at a distance, the layers of the Focus on the photo receiver arrangement as a measure be evaluated for the difference distance, and the Irradiation of the objects by the respective Transmitting beam bundle takes place alternately.

Zu diesem Zweck werden die empfängerseitigen Strahlenbündel, z. B. über Spiegel so geführt, daß beide auf ein und dieselbe positionsempfindliche Photoempfängeranordnung gelangen, die als Doppelphotodiodenanordnung, PSD (Position Sensitive Detector) oder auch als CCD-Zeile ausgeführt sein kann. Die Zuordnung der Meßwerte beider Tastobjekte wird durch abwechselndes Zuschalten der Strahlungssender und dazu synchrone Übergabe der Meßwerte (Synchrondemodulator) an einen Differenzbildner erreicht. Es ist dadurch neben den Entfernungsmeßsignalen der Objekte die Ausgabe eines hochgenauen Differenzentfernungssignals möglich. Die in derartigen Meßgeräten dominierenden Meßfehler, wie differierende Kennliniennichtlinearitäten, thermische und alterungsbedingte Drifterscheinungen sind somit weitgehend ausgeschaltet, da nur ein einziger analoger elektronischer Meßkanal benutzt wird. Fehler durch mechanische Unstabilitäten des optischen Aufbaues lassen sich durch geeignete Konstruktion und Werkstoffwahl genügend klein halten.For this purpose the beams of rays on the receiver side, e.g. B. guided over mirrors so that both on one and the same position sensitive photoreceiver arrangement arrive as a double photodiode array, PSD (Position Sensitive Detector) or as a CCD line can be executed. The assignment of the measured values of both Touch objects are activated by alternately switching on the Radiation transmitter and synchronous transfer of the measured values (Synchronous demodulator) to a difference generator. It is thereby in addition to the distance measurement signals of the objects Output of a highly accurate differential distance signal possible. The dominant in such measuring devices Measurement errors, such as different characteristic nonlinearities, are thermal and aging-related drift phenomena therefore largely switched off, since only a single analog electronic Measuring channel is used. Mechanical errors Unstabilities in the optical structure can be caused suitable construction and choice of materials sufficiently small hold.

Remissionsgradänderungen der Objekte, unterschiedliche Transmission der optischen Strahlengänge (Verschmutzung, Erblindung optischer Oberflächen, Leistungseinbuße der Sender) werden durch die Auswertung über einen Meßkanal ebenfalls eleminiert (Quotientenbildung).Changes in reflectance of the objects, different Transmission of the optical beam paths (pollution, Blindness of optical surfaces, loss of performance Transmitter) are evaluated by means of a measuring channel also eliminated (quotient formation).

Neben den genannten technischen Vorteilen bietet die erfindungsgemäße Lösung auch wirtschaftliche, verglichen mit der Verwendung zweier separater optischer Abstandssensoren. Der elektronische Aufwand verringert sich bei bedeutend verbesserter Meßgenauigkeit auf fast die Hälfte, während an optischen Bauelementen lediglich vier kostengünstige Oberflächenspiegel hinzukommen.In addition to the technical advantages mentioned, the solution according to the invention also economical, compared with the use of two separate optical distance sensors. The electronic effort is reduced significantly improved measurement accuracy to almost half while on optical components only four inexpensive Surface mirrors are added.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur optischen Messung der Differenzentfernung zwischen zwei Objekten wird ein einfacher Aufbau der Sensoreinheit erreicht, die lediglich ein Stellsignal erzeugt, das unmittelbar zur Positionierung von zusammenzuführenden Objekten benutzt werden kann. Insbesondere beim Zusammenführen von zwei Stapeln, z. B. aus Papier, in einer Verarbeitungsmaschine kann eine genaue Positionierung der beiden Stapel zueinander erreicht werden, die ein störungsloses Arbeiten der Maschine gewährleistet, ohne daß in der Verarbeitung Ungenauigkeiten auftreten.With the device for optical measurement according to the invention the difference distance between two objects becomes a simple construction of the sensor unit achieved that only generates a control signal that is used to position objects to be merged can be used. Especially when merging two stacks, e.g. B. from Paper in a processing machine can be an accurate Positioning of the two stacks to each other can be achieved which ensures trouble-free operation of the machine, without inaccuracies in processing.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Fig. 1 bis 5 beispielsweise beschrieben.The invention is described below with reference to FIGS. 1 to 5, for example.

Fig. 1 zeigt das Wirkprinzip der Signalverarbeitung. Von einer Taktgeberschaltung 7 werden über Treiberschaltungen 5, 6 Strahlungssender 3, 4, vorzugsweise Halbleiterstrahler wie LED, IRED oder Laserdioden, im zeitlichen Wechsel angesteuert. Fig. 1 shows the principle of operation of signal processing. Radiation transmitters 3 , 4 , preferably semiconductor emitters such as LEDs, IREDs or laser diodes, are driven alternately by a clock generator circuit 7 via driver circuits 5 , 6 .

Fig. 2 und 3 zeigen schematische Darstellungen der Strahlengänge (Fig. 3 ist eine um 90° gedrehte Darstellung der Anordnung nach Fig. 2). Fig. 2 and 3 (Fig. 3 is a 90 ° turned view of the arrangement according to FIG. 2) are schematic illustrations of the optical paths.

Fig. 4 und 5 zeigen Vorrichtungen zum Durchführen des Verfahrens bei Zusammenführen von Objekten. FIGS. 4 and 5 show apparatuses for carrying out the method for merging of objects.

Wie in Fig. 1 wiedergegeben, sind den beiden Objekten 1, 2 Strahlungssender 3, 4 zugeordnet, die zwei Strahlenbündel 15, 16 aussenden, die zurückgeworfen als Empfangsstrahlen bündel 17, 18 von einem Empfänger 8 empfangen werden. Über Treiberschaltungen 5, 6 werden die beiden Strahlungssender 3, 4 in zeitlichem Wechsel angesteuert. Der Taktgeber 7 liefert hierzu den zeitlichen Takt. As shown in Fig. 1, the two objects 1 , 2 radiation transmitters 3 , 4 are assigned, which emit two beams 15 , 16 , which are reflected as received beams 17 , 18 received by a receiver 8 . The two radiation transmitters 3 , 4 are actuated in alternation over time via driver circuits 5 , 6 . For this purpose, the clock generator 7 supplies the time clock.

Auf den Empfänger 8 folgen Verstärker und Synchrondemodulator 9 sowie Quotientenbildner 10 zur Unterdrückung von Fremdlicht, Senderalterung, Remissionsgradänderungen und Verschmutzung sowie zur Kennlinienentzerrung. Diese Komponenten wirken auf beide Signale 17, 18 in gleicher Weise, so daß ihr Driftverhalten kompensiert ist. Der nachfolgende Synchrondemodulator 11 wird vom Senderumschalttakt gesteuert, und seine Ausgangsspannung entspricht der Differenz der einzelnen Entfernungssignalspannungen E1 und E2. Ein Tiefpaß 12 dient der Unterdrückung des Senderumschalttaktes in der Differenzsignalspannung D.The receiver 8 is followed by an amplifier and a synchronous demodulator 9 and a quotient generator 10 for suppressing extraneous light, aging of the transmitter, changes in reflectance and soiling, and for equalizing the characteristics. These components act on both signals 17 , 18 in the same way, so that their drift behavior is compensated. The subsequent synchronous demodulator 11 is controlled by the transmitter switchover clock, and its output voltage corresponds to the difference between the individual range signal voltages E1 and E2. A low-pass filter 12 is used to suppress the transmitter switchover clock in the differential signal voltage D.

Zweck der Spiegelanordnung 22, 23 ist, daß sich die über Linsen 13, 14, 19, 20 fokussierten und über Spiegel 21, 24 umgelenkten Empfangsstrahlenbündel 17, 18 in der Projektion nach Fig. 2 in der Empfängerebene 8 schneiden, während sie sich bei Variation des Objektabstandes in der Ansicht nach Fig. 3 auf der Empfängerlängsachse bewegen. Daher liegen die Schwerpunkte der Abbildungen in Abhängigkeit von der Entfernung der Objekte 1, 2 auf unterschiedlichen Punkten der Empfängerlängsachse 8 (Fig. 3). Sie bewirken entsprechend dieser Lagedifferenzen unterschiedliche Signale an den Empfängerausgängen, die einer Signalverarbeitung unterworfen werden mit dem Ziel, am Ausgang ein nur der Entfernungsdifferenz der Tastobjekte proportionales Signal (in analoger oder digitaler Form) zu erhalten.The purpose of the mirror arrangement 22 , 23 is that the reception beams 17 , 18 focused via lenses 13 , 14 , 19 , 20 and deflected via mirrors 21 , 24 in the projection according to FIG. 2 intersect in the receiver plane 8 , while they vary of the object distance in the view according to FIG. 3 on the longitudinal axis of the receiver. The focal points of the images are therefore, depending on the distance of the objects 1 , 2, at different points on the longitudinal axis 8 of the receiver ( FIG. 3). In accordance with these positional differences, they cause different signals at the receiver outputs, which are subjected to signal processing with the aim of receiving a signal (in analog or digital form) that is only proportional to the distance difference between the probe objects.

In einer weiteren Ausführung des Auswertesystems kann ein Teil der Verarbeitungselektronik (Komponenten 7, 9, 10, 11, 12) durch eine Mikroprozessorensteuerung ersetzt werden, die die Signalwerte digital verarbeitet und durch eine Lernphase nach der ersten Inbetriebnahme (spezielle Systemparameter werden auf ROM gespeichert) stabile Restfehler noch weiter verringert. Der Meßwert D steht dann direkt als digitales Äquivalent zur Verfügung. In a further embodiment of the evaluation system, part of the processing electronics (components 7 , 9 , 10 , 11 , 12 ) can be replaced by a microprocessor control, which digitally processes the signal values and by a learning phase after the initial start-up (special system parameters are stored on ROM) stable residual errors reduced even further. The measured value D is then directly available as a digital equivalent.

Fig. 4 zeigt schematisch ein Anwendungsbeispiel bei einer Druckmaschine, bei der ein Hilfsstapel 25 auf einer Hilfsstapeleinrichtung 26 gelagert ist, wobei jeweils die obersten Papierbogen von dem Hilfsstapel entnommen und der Druckmaschine zugeführt werden. Unterhalb des Hilfsstapels 25 ist ein neuer Papierstapel 27 gezeigt, der auf einer Stapelhubeinrichtung 28 abgelegt ist. In der Sensor- und Steuereinheit 29 sind die in den Fig. 1 bis 3 beschriebenen Komponenten enthalten. Die Meßwerte D werden hier in Steuersignale verarbeitet, die über die Zuleitungen 30, 31 Stellmotoren 32, 33 zugeführt werden. Hierbei ist der Stellmotor 32 der Hilfsstapeleinrichtung 26 und der Stellmotor 33 der Stapelhubeinrichtung 28 zugeordnet. In Fig. 4 ist übertrieben wiedergegeben, daß der Hilfsstapel 25 und der neue Papierstapel 27 in unterschiedlichen Richtungen schräg aufgesetzt sind. Nach Verarbeitung der Meßsignale sind gemäß Fig. 5 die beiden Stapel 25, 27 seitlich so ausgerichtet, daß die untere Fläche des Hilfsstapels 25 und die obere Fläche des neuen Papierstapels 27 übereinstimmen. Beim Auflegen des Hilfsstapels 25 auf den neuen Papierstapel 27 und beim Weiterverarbeiten der oberen Lagen Papierbogen entsteht im Bereich der Auflageebene zwischen beiden Stapeln kein plötzlicher Seitenversatz, der die Steuer- und Regelung der Druckmaschine belasten würde. FIG. 4 schematically shows an application example in a printing press in which an auxiliary stack 25 is mounted on an auxiliary stacking device 26 , the uppermost sheets of paper being removed from the auxiliary stack and being fed to the printing press. Below the auxiliary stack 25 , a new paper stack 27 is shown, which is stored on a stack lifting device 28 . The components described in FIGS. 1 to 3 are contained in the sensor and control unit 29 . The measured values D are processed here in control signals which are supplied via the feed lines 30 , 31 servomotors 32 , 33 . The servomotor 32 is assigned to the auxiliary stacking device 26 and the servomotor 33 to the stack lifting device 28 . In Fig. 4 is exaggerated that the auxiliary stack 25 and the new paper stack 27 are placed obliquely in different directions. After processing of the measurement signals, the two stacks 25 are shown in FIG. 5, 27 aligned laterally so that the lower surface of the auxiliary stack 25 and the upper surface of the new paper stack 27 match. When the auxiliary stack 25 is placed on the new paper stack 27 and when the upper layers of paper sheets are processed, there is no sudden lateral offset in the area of the support plane between the two stacks, which would burden the control and regulation of the printing press.

Claims

1. Method for optical measurement of the difference distance between two objects based on a predetermined direction by means of optical triangulation, in which

a first and a second transmission beam bundle, which run parallel to one another and to the predetermined direction, each irradiate one of the objects,
a corresponding first and second reception beam of light reflected from the objects is picked up via optical means and imaged on a common position-sensitive photo receiver arrangement,
- The two transmit and receive beams span two triangulation planes that run parallel to one another at a distance,
- The positions of the imaging focal points on the photoreceiver arrangement are evaluated as a measure of the difference distance, and
- The irradiation of the objects takes place in alternation with the respective transmission beam.

2. Device for optical measurement of the difference distance between two objects in relation to a predetermined direction by means of optical triangulation

two separate radiation transmitters which emit a first and a second transmission beam which run parallel to one another and to the predetermined direction,
optical means, which receive a corresponding first and second reception beam and image it on a common position-sensitive photo receiver arrangement,
the two transmit and receive beams span two triangulation planes which run parallel to one another at a distance,
- A clock for controlling the radiation transmitter in alternation, and
- an associated evaluation unit.

3. Device according to claim 2, marked by an evaluation unit with a single analog electronic evaluation channel.

4. Apparatus according to claim 2 or 3, characterized, that as a radiation transmitter LED, IRED or semiconductor laser and as a photoreceiver arrangement double photodiodes, position sensitive receiver (PSD) or CCD lines are used.

5. Device according to one of claims 2 to 4, characterized, that for the evaluation a microprocessor control is used by learning individual residual errors the device compensated.

6. Device according to one of claims 2 to 5, marked by Actuators that have a differential distance signal is fed and the objects to be merged in adjust their position to each other so that their Contact surfaces are adjusted to each other.

7. The device according to claim 6, characterized, that the objects to be merged are an auxiliary stack and are a new stack of paper from a printing press Servomotors are assigned as actuating means via which the lateral positions of the stacks can be changed relative to one another are, and that the difference distance signal up to The two stacks are brought together via a control unit controls the two servomotors in such a way that the lower one Surface of the auxiliary stack to the top surface of the new one Stack of paper is adjusted.