DE4140614A1 - Reflexionslichttaster - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Reflexionslichttaster gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Reflexionslichttaster mit Hintergrundunterdrückung ist Gegenstand des Hauptpatents................(Patentmeldung P 40 40 225.8-52).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reflexionslichttaster nach dem Hauptpatent dahingehend weiter auszubilden, daß die Tastweite elektrisch pro­ grammierbar und der jeweilige Objektabstand vom Reflexionslichttaster zur An­ zeige bringbar ist.

Diese Angabe ist erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine der Fig. 1 des Hauptpatents entsprechende Prinzip­ skizze des Lichttasters mit den Zentralstrahlen zweier Sen­ delichtbündel, den Zentralstrahl des Empfangslichtbün­ dels und ein in der Abtastzone befindliches Objekt in zwei unterschiedlichen Positionen auf der Z-Achse,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des elektrischen Teils des Reflexions­ lichttasters mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanord­ nung,

Fig. 3 eine mit einem Ringzähler und einem Speicher ausgerüste­ te Schaltungsanordnung zur dynamischen Ansteuerung des Steuerspannungseingangs des Reflexionslichttasters,

Fig. 4 eine Schaltungsanordnung zur dynamischen Ansteuerung des Steuerspannungseingangs mittels eines Microcontrol­ lers.

Fig. 5 Einen Reflexionslichttaster mit zueinander geneigt ver­ laufenden Lichtzentren.

Von den in Fig. 1 dargestellten beiden Lichtzentren 1′ und 1′′ der Lichtquelle 1 ist das eine Lichtzentrum 1′ mit dem Zentralstrahl 11′ für den Fernbereich (Ferndistanz) und das andere Lichtzentrum 1′′ für den Nahbereich (Nahdistanz) vorgesehen. Dem Lichtzentrum 1′ ist grundsätzlich das lichtempfindliche Ele­ ment 2′ für die Ferndistanz und dem Lichtzentrum 1′′ grundsätzlich das licht­ empfindliche Element 2′′ für die Nahdistanz zugeordnet. Im Lichttastergehäuse 7 ist die gemeinsame Sendeoptik 5 und die Empfangsoptik 6 angeordnet, wobei die beiden Optiken unter- oder nebeneinander liegen können.

Das vom Lichtzentrum 1′ ausgehende, durch den Zentralstrahl 11′ veranschau­ lichte Sendestrahlenbündel wird vom in maximalem Abstand A von der Vorder­ front des Gehäuses 7′ des Lichttasters 7 (maximale Tastweite) befindlichen Objekt 10 diffus gestreut und mittels der Empfangsoptik 6 auf den lichtempfind­ lichen Elementen 2′ und 2′′ des Lichtempfängers 2 bzw. in deren Übergangs­ bereich abgebildet, wie dies der Empfangs-Zentralstrahl 12 veranschaulicht. Bei in maximaler Tastweite A_max befindlichem Objekt 10 wird nur das Lichtzentrum 1′ angesteuert, bei minimaler Tastweite A_min aufweisendem, gestrichelt angedeu­ tetem Objekt 10′ ist nur das Lichtzentrum 1′′ aktiv. Bei maximaler Tastweite A_max entspricht der Abstand zwischen den beiden Zentralstrahlen 11′ und 11′′ auf dem Tastobjekt 10 dem Längenmaß L. Der elektronisch variierbare Einstell­ bereich ist mit B bezeichnet.

Der Schaltausgang des Lichttasters 7 wird aktiviert, wenn bei aktivem Lichtzen­ trum 1′ und inaktivem Lichtzentrum 1′′ die Summe der Photoströme des Nah- und Fernelements 2′′ und 2′ kleiner gleich Null ist (I_ges ≦ 0). Dieser Fall tritt ein, wenn die Abbildung des Sendelichtflecks entweder ganz auf dem Nahele­ ment 2′′ oder genau zwischen dem Nahelement 2′′ und dem Fernelement 2′ liegt. Damit sind Objekte 10 erfaßbar, die sich in einem Abstand A kleiner gleich A_max befinden (A A_max).

Bei inaktivem Lichtzentrum 1′ und aktivem Lichtzentrum 1′′ wird der Schalt­ ausgang ebenfalls aktiviert, wenn die Summe der Photoströme der beiden lichtempfindlichen Elemente 2′ und 2′′ kleiner gleich Null wird. Das ist der Fall, wenn die Abbildung des Sendelichtflecks entweder zwischen dem Fernelement 2′ und dem Nahelement 2′′ oder ganz auf dem Nahelement 2′′ liegt. Objekte 10′ werden dann in einem Abstand A ≦ A_min erfaßt.

Sind beide Lichtzentren 1′ und 1′′ (Sendedioden) aktiv so werden auf dem Objekt 10 (Tastobjekt) zwei Lichtflecke abgebildet, die einen bestimmten Abstand voneinander aufweisen. Ist dieser Abstand relativ groß, so kann auch die Tastweite in einem verhältnismäßig großen Bereich B (B = A_max-A_min) variiert werden. Durch Wahl des Abstands der beiden Lichtflecke voneinander kann somit der jeweilige Einstellbereich festgelegt werden.

Wie aus dem Blockschaltbild gemäß Fig. 2 ersichtlich ist, wird der Steuer­ spannungseingang 30 des Reflexionslichttasters 7 mit einer periodischen Sinus­ spannung U_ST dynamisch angesteuert. Die Steuerspannung kann dabei auch sägezahnförmig, dreieckförmig oder ähnlich sein. Durch eine Eingangsschutzbeschaltung 31 wird die nachfolgende Schaltung vor Überspannung, Störspitzen oder Verpolung geschützt.

Die Steuerspannung U_ST wird mittels eines Inverters 32 invertiert. Dadurch ist erreicht, daß das Lichtzentrum 1′′ (Sendediode), das für die kurze Distanz vor­ gesehen ist, bei minimaler Eingangsspannung am Inverter 32 (Steuerspannung U_ST) den maximalen Sendestrom erhält, während das andere Lichtzentrum 1′ (Sendediode) für die große Distanz in diesem Fall sendestromlos bleibt.

Im umgekehrten Fall erhält das Lichtzentrum 1′ für die große Distanz bei maximaler Eingangsspannung U_ST den maximalen Sendestrom, wogegen das Lichtzentrum 1′′ für die kurze distanzsendestromlos bleibt.

Durch dieses "Überblenden" von einem Lichtzentrum zum anderen wird eine stufenlose Veränderung der Tastweite und eine Tastweitenprogrammierung ermöglicht.

Der Inverter 32 kann dabei als Operationsverstärker ausgebildet sein, der als Subtrahierer geschaltet ist, bei dem alle Widerstände gleich groß gewählt sind. Die Steuerspannung U_ST liegt am invertierenden Eingang des Operationsverstär­ kers. An den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers ist eine fest vorgegebene Spannung angelegt. Damit ist die Ausgangsspannung bezogen auf die Eingangsspannung genau invertiert.

Die beiden Treiberstufen 37 und 38 können somit wie vorgesehen angesteuert werden. Das heißt, bei minimaler Eingangsspannung U_ST = 0V ist die minimale Tastweite und bei maximaler Steuerspannung U_ST, zum Beispiel 5 V, die maxi­ male Tastweite bzw. Reichweite eingestellt. Die maximale Frequenz der Steuer­ spannung ist kleiner gewählt als die maximale Schaltfrequenz des Reflexions­ lichttasters. Die Anordnung ist so getroffen, daß bei unbeschaltetem Steuer­ spannungseingang eine mittlere Tastweite vorprogrammiert ist.

Zur Vermeidung einer Belastung des die Steuerspannung bei offenem Steuer­ spannungseingang festlegenden Spannungsteilers der Schutzbeschaltung dienen die beiden Spannungsfolger 33 und 34. Die den Spannungsfolgen 33 und 34 nachgeschalteten Verknüpfungsglieder 35 und 36 dienen zur Verknüpfung des durch den Sendeimpulsgenerator 55 erzeugten Sendetakts mit der analogen Steuerspannung U_ST (UND-Verknüpfung).

Die LED-Treiberstufen 37 und 38 dienen zur Konstanthaltung des Sendestroms′ um auch bei schwankender Betriebsspannung stets die gleiche Lichtleistungs­ abgabe der Lichtzentren 1′ und 1′′ zu gewährleisten.

An die empfangsseitige Ausgangstreiberstufe 39 mit dem Schaltausgang 39′ ist über einen Verstärker 58 erfindungsgemäß eine Linearisierungsanordnung 40 angeschlossen, an deren Ausgang über einen 8-Bit-Bus 41 sowohl ein DigitaI/- Analogwandler 42 mit Analogausgang 43 als auch eine Ausgangsschutzbeschal­ tung 44 (Puffer) mit 8-Bit-Digitalausgang 45 liegt.

Die Linearisierungsanordnung 40 ist eingangsseitig über einen 8-Bit-Bus 46 zur Erzeugung von Steuersignalen mit einem Ringzähler 47 elektrisch verbunden, dem ein Taktgeber 48 vorgeschaltet ist. Vom 8-Bit-Bus 46 führt ein weiterer 8- Bit-Bus 46′ zu einem Digital/Analogwandler 49. Mit dem Taktgeber 48 wird der Ringzähler 48 angesteuert (Clocksignal), dessen Ausgangssignal über den D/A-Wandler 49 die Sinus- oder sägezahnförmige Steuerspannung U_ST generiert und die Adreßinformation für die Linearisierungsanordnung 40 erzeugt.

Die Linearisierungsanordnung 40 kann, wie Fig. 3 zeigt, aus einem lösch- und programmierbaren Speicher 50 (EPROM) bestehen, in dem eine Linearisierungs­ tabelle abgelegt ist. Der jeweilige Entfernungswert eines Tastobjekts 10 bzw. die jeweilige Abstandsinformation wird aus dem EPROM 50 ausgelesen, sobald der Schaltausgang 39′ des Reflexionslichttasters aktiv wird. Die Information (Datenwert) steht nun direkt digital am Ausgang 45 und/oder analog am Ausgang 43 an.

Die Linearisierungsanordnung 40 kann auch, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, durch einen Microcontroller 51 verwirklicht sein, der die Steuerspannung U_ST erzeugt, den Schaltausgang 39′ des Reflexionslichttasters auswertet, die Lineari­ sierung übernimmt und die Ausgabe der Abstandsinformation am Digital- und/ oder Analogausgang 45/43 bewirkt.

Vom Microcontroller 51 wird durch ein entsprechendes Programm die Funktion eines Ringzählers übernommen. Ein Parallelport gibt den Zählerstand an den D/A-Wandler 49 weiter. Der Ausgang des D/A-Wandlers 49 ist mit dem Steuer­ spannungseingang 30 U_ST des Reflexionslichttasters verbunden. Wird ein Tast­ objekt 10 erfaßt, setzt der Lichttaster den Schaltausgang 39′. In diesem Augen­ blick übernimmt der Microcontroller 51 den Zählerstand des Ringzählers. Über den Zählerstand sucht dann das Programm aus der im Microcontroller abgeleg­ ten Linearisierungstabelle den zugehörigen Abstandswert aus, der dem Anwen­ der sowohl digital (Digitalausgang 45) als auch analog (Ausgang 43) zur Ver­ fügung steht.

Den empfangsseitigen lichtempfindlichen Elementen 2′′ (Nahelement) und 2′ (Fernelement) mit Strom-Spannungskonversion durch den Arbeitswiderstand 52 ist ein frequenzselektiver Verstärker 53 nachgeschaltet (siehe Fig. 2), an dessen Ausgang ein Demodulator 54 angeschlossen ist, der vom Sendeimpulsoszillator 55 gesteuert ist, welcher die Impulsweite und die Wiederholfrequenz der gesteu­ erten Ströme der Lichtzentren 1′ und 1′′ der Lichtquelle 1 über die UND-Ver­ knüpfung 35, 36 und die LED-Treiber 37, 38 festlegt sowie die digitale Störun­ terdrückung 56 taktet, die am Ausgang eines eingangsseitig mit dem Demodula­ tor 54 verbundenen Schwellwertverstarkers 57 liegt und dem Ausgangstreiber 39 vorgeschaltet ist.

Die Speisespannung des Lichttasters 7 ist in Fig. 2 mit U_B bezeichnet. Durch die dynamische Ansteuerung des Steuerspannungseingangs 30 über den Taktgeber 48 und den Ringzähler 47, der über den b/A Wandler 49 die Steuer­ spannung U_ST generiert, wird die Tastweite vom maximalen Wert A_max bis zum minimalen Wert A_min, der inversen Steuerung der Ströme der Lichtzentren 1′ und 1′′ (Überblendung) zyklisch durchfahren. Der maximalen Steuerspannung U_{ST max} (z. B. 5 V) entspricht dabei die maximale Tastweite A_max und der mini­ malen Steuerspannung U_ST = 0 die minimale Tastweite A_min. Grundsätzlich kann der Einstellbereich B auch umgekehrt durchfahren werden, also minimale Tast­ weite - maximale Tastweite.

Sobald der Lichttaster ein Objekt erkennt, wird der Schaltausgang gesetzt und die Abstandsinformation aus dem Speicher ausgelesen.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung sind, wie Fig. 5 zeigt, die Längs­ achsen L₁, L₂ der zwei Lichtzentren 1′ und 1′′ unter einem Winkel ϕ_1,2 = (90° ± α) geneigt zueinander angeordnet, wobei die Längsachse L₁des einen Lichtzentrums 1′′ parallel zur optischen Achse der Sendeoptik 5 verläuft. Im Schnittpunkt der beiden Längsachsen L₁ und L₂ der beiden Lichtzentren 1′′ und 1′ ist unter einem geeigneten Winkel γ zur Längsachse L₁ des Lichtzen­ trums 1′′ bzw. zur optischen Achse der Sendeoptik 5 geneigt ein teildurch­ lässiger Spiegel 59 angeordnet.

Damit ergibt sich wegen spiegelnder Reflexion zwischen dem Sendelichtstrahl des Lichtzentrums 1′′ und demjenigen des Lichtzentrums 1′ ein Winkel α, der ein Maß für den Abstand der beiden Lichtflecke und damit für den Einstell­ bereich der Tastweite darstellt. Durch Variation des Winkels α können somit unterschiedliche Tastweiten vorgegeben werden.

Bei positivem Winkel α ergibt sich für die maximale Tastweite A_max = A + X_{(+ α )}. Die minimale Tastweite ist in diesem Fall A. Bei negativem Winkel V8,1 beträgt die maximale Tastweite A, die minimale Tastweite A-X_{(- α )}. Die Anzahl der Sendedioden kann grundsätzlich beliebig erhöht werden.

Claims (10)

1. Reflexionslichttaster, bei dem Lichtsender und Lichtempfänger mit jeweils vorgeordneter Sende- und Empfangsfrontlinse benachbart zueinander angeord­ net sind und der mit einer Einrichtung zum Einstellen des Grenzabstands eines Tastobjekts vom Tastergehäuse versehen ist, lichtempfangsseitig licht­ empfindliche Elemente aufweist, deren Ausgangssignale einen Differenzver­ stärker beaufschlagen, dessen Ausgangssignal in einer Auswerteschaltung be­ züglich Amplitude und Vorzeichen bewertet wird, wobei der Lichtsender wenigstens zwei voneinander unabhängige Lichtquellen enthält, der Licht­ empfänger wenigstens zwei getrennt auswertbare lichtempfindliche Elemente aufweist und der jeweilige Grenzabstand innerhalb einer definierten Tastzone durch inverse Steuerung der Ströme der Lichtquellen mittels einer Steuer­ spannung stufenlos einstellbar ist, nach Patent Nr.... (Patentanmeldung P 40 40 225.8.52) dadurch gekennzeichnet, daß die Tastzone durch dynami­ sche Ansteuerung der Lichtquellen (1′, 1′′) mit einer periodischen Steuer­ spannung (U_ST) zyklisch vom maximalen Entfernungswert (A_max) bis zum minimalen Entfernungswert (A_min) oder umgekehrt durchfahren wird, bei im dadurch definierten Einstellbereich (B) vorhandenem und erkanntem Objekt (10, 10′) der Schaltausgang 39′ selbsttätig gesetzt und durch Verknüpfung des Schaltausgangs (39′) mit der Steuerspannung (U_ST) über eine Linearisie­ rungsanordnung (40) der jeweilige Entfernungswert des Objekts von der Frontseite (7′) des Lichttastergehäuses erkennbar gemacht wird.

2. Reflexionslichttaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearisierungsanordnung als lösch- und programmierbarer Lesespeicher (50) mit einer in diesem gespeicherten Linearisierungstabelle ausgebildet ist und der Entfernungswert (Abstandsinformation) bei aktiviertem Schaltausgang (39′) aus dem Speicher (50) auslesbar ist.

3. Reflexionslichttaster nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Steuerspannung (U_ST) durch einen taktgesteuerten Ringzähler (47) und über einen diesem nachgeschalteten Digital/Analogwandler (40) generiert wird.

4. Reflexionslichttaster nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringzähler (47) die Adreßinformation für den Speicher (50) festlegt.

5. Reflexionslichttaster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Entfernungswert digital oder über einen Digital-Analogwandler ausgegeben wird.

6. Reflexionslichttaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung (U_ST) mittels eines Mikrocontrollers (51) erzeugt wird, der die Linearisierung der Entfernungswerte übernimmt, den Schaltausgang (39′) auswertet und in Entfernungswert analog oder digital ausgibt.

7. Reflexionslichttaster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß er mit mindestens zwei Lichtzentren (Sendedioden) ausgerüstet ist.

8. Reflexionslichttaster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß er mit zwei Lichtzentren (Sendedioden) versehen ist, wo­ bei die Längsachse L₁ des einen Lichtzentrums (1′′) parallel zur optischen Achse der Sendeoptik (5) verläuft und sich die Längsachse L₂ des anderen Lichtzentrums (1′) um einen Winkel ϕ = (90 ± α) hinzugeneigt erstreckt und daß im Schnittpunkt der beiden Längsachsen der Lichtzentren (1′′, 1′) unter einem geeigneten Winkel γ zur optischen Achse der Sendeoptik (5) geneigt ein teildurchlässiger Spiegel (58) angeordnet ist.

9. Reflexionslichttaster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die maximale Frequenz der Steuerspannung U_ST kleiner gewählt ist als die maximale Schaltfrequenz des Reflexionslichttasters.

10. Reflexionslichttaster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei unbeschaltetem Steuerspannungseingang (30) eine mittlere Tastdistanz vorprogrammiert ist.