DE4320874C1

DE4320874C1 - Verfahren zum Überwachen und insbesondere Zählen einer Schar nebeneinander befindlicher langgestreckter Objekte

Info

Publication number: DE4320874C1
Application number: DE19934320874
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl Ing Probst; Karl Birner
Original assignee: Inspec GmbH
Current assignee: Protechna Herbst GmbH and Co KG
Priority date: 1993-06-23
Filing date: 1993-06-23
Publication date: 1995-02-02
Anticipated expiration: 2013-06-24

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Schar nebeneinander befindlicher lang gestreckter Objekte, wie Fäden, Drähte etc. Derartige Verfahren werden zum Zählen der Anzahl der einzelnen Objekte, zur Kontrolle ihrer Beschaffenheit, z. B. Dicke etc. verwendet.

Aus der DE-OS 38 32 984 ist es bekannt, zur Anzeige von Fa denbrüchen einen Laserstrahl auf einen Drehspiegel zu rich ten und dadurch wiederholt den Laserstrahl über die Faden schar streichen zu lassen. Quer zur Fadenlaufrichtung ist eine Vielzahl von Detektoren mit überlappenden Erfassungs bereichen angeordnet, deren Summensignale elektronisch aus gewertet werden. Durch die Mehrfachabtastung innerhalb eines Abtastzyklus sollen Fehlanzeigen vermieden werden.

Weiterhin ist aus dem Stand der Technik von der Firma Erwin Sick GmbH, Waldkirch, DE, eine Anordnung mit der Bezeich nung IMS 06 bekannt, die mit einem Laserstrahl über eine Hohlspiegel-Drehspiegelanordnung eine Fadenschar abtastet und das reflektierte Signal empfängt und auswertet.

Allerdings ist dieses System sehr abhängig von der Fadenla ge und der Fadenfarbe, da die Totalreflexion des Laser strahls ausgewertet wird. Dies erfordert nach dem Wechsel von Material oder Farbe der Fäden eine aufwendige Neuein stellung der Empfindlichkeit der Anordnung.

In H. Ernst "Einführung in die digitale Bildverarbeitung" Fran zis-Verlag GmbH, München, 1991, S. 81-85, 113-116, 225/226 ist beschrieben, zur Überwachung von Fasern ein Schwellwertverfah ren anzuwenden, wobei dieses Schwellwertverfahren auch derart eingesetzt werden kann, daß die Schwelle ortsabhängig, d. h. dynamisch bestimmt werden kann, und als Schwelle der Mittelwert der Grauwerte einer Umgebung genommen wird.

Beide vorgenannten Systeme haben den Nachteil, daß durch die Drehspiegelanordnung eine Abtastlücke ent steht. Durch die Drehspiegelanordnung wird der Laserstrahl nur über einen Teil der Kreisbahn auf die Fadenschar ge lenkt, während im anderen Teil der Kreisbahn der Laser strahl in eine andere Richtung abgelenkt wird. Während die ses zweiten Teils bewegt sich jedoch die Fadenschar weiter, so daß ein Abschnitt der Fadenschar von dem Laserstrahl nicht überstrichen wird. Dieser prinzipielle Nachteil läßt sich auch durch Erhöhen der Spiegeldrehzahl nicht ausschal ten. Außerdem reduziert sich bei hoher Abtastgeschwindig keit auch die zur Erfassung verfügbare Lichtmenge.

Überdies führt die kurze Verweilzeit des Laserstrahls über dem einzelnen Objekt dazu, daß eine zufällig abstehende Ka pillare stets eine höhere und damit falsche Objektanzahl ermittelt wird. Dies löst einen falschen Alarm und damit einen unnötigen Maschinenstillstand aus.

Außerdem ist die Wellenlänge des Laserlichtstrahls vorgege ben und nur mit relativ hohem Aufwand variabel, so daß die Qualität der Abtastung sehr stark von der Beschaffenheit der jeweiligen Objektschar abhängig ist. Desweiteren unter liegen die verwendeten Laser entsprechenden Laserschutz klassen, was zusätzlichen apparativen Aufwand bedeutet.

Zur Überwindung der vorstehend genannten Nachteile ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Überwachen und insbesondere Zählen einer Schar neben einander befindlicher langgestreckter Objekte bereitzustel len, die eine kontinuierliche Erfassung der Objektschar er möglichen und die eine sichere Ortsauflösung der einzelnen Objekte der Objektschar zulassen.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist das eingangs genannte Verfahren die Schritte des Anspruchs 1 auf.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt durch den Einsatz des variablen Schwellwertverlaufes eine Objektschar mit un terschiedlichen Material-, Farb- bzw. Reflexionseigen schaften. Dies ist möglich, da praktisch jedem Faden ein eigener Referenz- bzw. Schwellwert zugeordnet werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Breite der einzelnen Objekte erfaßt, so daß bei zwei zusammenhängenden oder aneinander haftenden Objekten dies als ein Objekt mit einer größeren Breite gewertet wird. Das hat zur Folge daß zwar eigentlich eine geringere als eine vorgegebene Zahl von Objekten erfaßt wird. Da jedoch Objekte größerer (dop pelter) Breite erfaßt werden, wird ein der Anzahl solcher Objekte entsprechender Korrekturwert erzeugt, der zu der - geringeren - Anzahl der Objekte normaler Breite addiert wird, so daß die Gesamtzahl richtig ist, wenn kein Objekt fehlt oder gebrochen ist.

Damit bei Zählen der Objekte durch die Erfassung von Flusen oder anderen Verdickungen der Objekte kein Fehler gemeldet wird, werden stets mehrere Messungen nacheinander (zeitlich und/oder örtlich) vorgenommen, um Flusen etc. als durchlau fende, nicht andauernde Ereignisse zu erkennen.

Zum Beispiel bei Wirkmaschinen mit Schußeintrag kann durch eine Förderung der Schußfäden etwa quer zur Längsrichtung der Fäden im Abstand von etwa 2 cm durch eine Abstandserfassung der einzelnen Fäden zu einander ein Fadenbruch erkannt wer den.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben und werden anhand der nach folgenden Figurenbeschreibung erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungs gemäßen Vorrichtung in einer ersten Ausführungs form als Blockschaltbild,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der erfindungs gemäßen Vorrichtung in einer zweiten Ausführungs form als Blockschaltbild,

Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild der Auswerte einrichtung,

Fig. 4 einen beispielhaften Schwellwertverlauf mit einem erfaßten Abbild einer Objektschar,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Fadenbruch überwachung bei einer Wirkmaschine mit Schuß eintrag, und

Fig. 6 einen beispielhaften Schwellwertverlauf bei einem Fadenbruch bei einer Fadenbruchüberwachung.

Fig. 7 einen schematische Darstellung einer erfindungs gemäßen Vorrichtung, bei der sowohl zwei Sensoren in Reihe hintereinander quer zur Längserstreckung der Objektschar, als auch zwei derartige Sensor reihen räumlich beabstandet in Längsrichtung der Objektschar angeordnet sind.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungs gemäßen Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform als Blockschaltbild. Dabei wird eine Objektschar 1, gebildet aus einer Vielzahl einzelner Fäden oder Drähte 3, in Rich tung eines Pfeiles 5 mit einer Geschwindigkeit von etwa 5 - 20 m/sec abgezogen. Eine quer zur Förderrichtung über der Objektschar 1 angeordnete und diese in der Quererstreckung vollständig überstreichende Lichtquelle 7 dient zum Be leuchten der Objektschar 1. Die Lichtquelle 7 ist eine Mischlichtquelle in Gestalt einer Halogenlampe, einer Fluo reszenzlampe oder dergl. Sie kann jedoch auch durch eine LED-Zeile gebildet sein, die sichtbares oder nicht sichtba res Licht abgibt. Es ist auch möglich, LED′s vorzusehen, die abwechselnd unterschiedliches Licht abgeben.

Der von der Lichtquelle 7 in Richtung auf die Objektschar 1 abgegebene Lichtstrahl 9 wird von der Objektschar 1 teil weise absorbiert und teilweise als Lichtstrahl 9′ von Ob jektschar 1 in Richtung auf einen Sensor 13 zum Erfassen eines Abbildes der Objektschar 1 reflektiert. Bei sehr schwach reflektierenden Objekten kann zur Kontrasterhöhung unter der Objektschar 1 eine Reflexfolie 11 angeordnet wer den, die das zwischen einzelnen Objekten durchtretendes Licht als Lichtstrahl 9′ auf den Sensor 13 reflektiert. Da bei müssen der Sensor 13 und die Lichtquelle 9 sehr dicht bei einander liegen, da die Reflexion des Lichtstrahls 9′ in die Ursprungsrichtung zurück erfolgt.

Ein Teil des Lichtstrahls 9 wird zwischen den einzelnen Fä den 3 der Objektschar 1 ungehindert hindurchtreten, während ein anderer Teil des Lichtstrahls 9′ von den Fäden reflek tiert und von dem Sensor 13 erfaßt wird.

Der Sensor 13 weist eine Vielzahl einzelner in Reihe ange ordneter Sensorelemente 13′ auf, wobei für jeden Faden 3 der Objektschar 1 wenigstens ein, vorzugsweise drei Sensor elemente 13′ vorgesehen ist. Als Sensor kann ein CCD-Ele ment, eine Photodiodenzeile oder dergl. verwendet werden.

Es versteht sich, daß sowohl ein als auch mehrere Sen sor(en) 13, als auch eine oder mehrere Lichtquelle(n) 9 vorhanden sein können.

Anstelle einer eindimensionalen Abtastung kann auch eine zweidimensionale (flächige) Abtastung der Objektschar mit tels eines Sensors 13 erfolgen, der als Matrixanordnung ei ner Vielzahl von Sensorelementen 13′ ausgebildet ist. In diesem Fall sind für jedes Objekt 3 der Objektschar 1 we nigstens eine Zeile bzw. Spalte der Matrixanordnung mit Sensorelementen 13′, vorzugsweise drei Zeilen bzw. Spalten der Matrixanordnung mit Sensorelementen 13′ vorgesehen.

Gegebenenfalls ist zusätzlich eine (in der Zeichnung nicht veran schaulichte) Abbildungsoptik vorgesehen, um die Genauigkeit der Erfassung zu verbessern.

Ein das erfaßte Abbild der Objektschar 1 wiedergebendes Si gnal wird über die Verbindung 15 einer Auswerteeinrichtung 17 zum Ermitteln einer Kenngröße der einzelnen Fäden 3 der Objektschar 1 zugeführt. Bei der Kenngröße kann es sich um die genaue Anzahl der Fäden 3 oder um die Gleichmäßigkeit des Durchmessers der Fäden 3 oder dergl. handeln.

Um dies zu erreichen, erfaßt der Sensor 13 die einzelnen Objekte 3 der Objektschar 1 gleichzeitig für eine vorbe stimmmbare Zeitdauer (z. B. 1/200 sec) und leitet das aufge nommene Abbild der Objektschar 1 an die Auswerteeinrichtung 17 weiter. Die Belichtungszeit ist also relativ kurz im Verhältnis zur Fadengeschwindigkeit. Da aufgrund der Be lichtungsdauer bei jedem Bild eine bestimmte Länge (etwa 8 cm) jedes einzelnen Fadens 3 von dem Lichtstrahl 9, 9′ ab getastet und die reflektierte Lichtmenge 9′ in den Sensor elementen 13′ gesammelt wird, findet bereits bei der Erfas sung des Abbildes der Objektschar 1 eine Integration über die jeweilige Länge jedes Fadens 3 statt.

Die Auswerteeinrichtung 17 wertet wenigstens ein Abbild der Objektschar 1 zur Ermittlung einer Kenngröße (Anzahl der Fäden etc.) der einzelnen Objekte aus.

Fig. 2 veranschaulicht eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Ausführungs form als Blockschaltbild. Dabei besteht der wesentliche Un terschied zu der Ausführungsform nach Fig. 1 darin, daß die Lichtquelle 7 und der Sensor 13 auf unterschiedlichen Sei ten der Objektschar 1 angeordnet sind. Ansonsten stimmen die Ausführungsformen nach Fig. 1 und Fig. 2 überein, und gleiche Elemente sind in der Zeichnung mit gleichen Bezugs zeichen versehen.

Fig. 3 veranschaulicht ein schematisches Blockschaltbild der Auswerteeinrichtung 17. Die Auswerteeinrichtung 17 weist einen Verstärker 21, einen Digitalisierer und eine Rechenanlage auf. Der Verstärker dient zur Pegelanpassung für die Signale, die das von dem Sensor 13 empfangene Ab bild der Objektschar 1 wiedergeben. Die so verstärkten Si gnale werden dem Digitalisierer 23 zugeführt, in dem sie in digitale Werte für die Weiterverarbeitung in einer Rechen anlage 25 umgesetzt werden. In der Rechenanlage 25 werden die digitalisierten Signale ausgewertet und das Ergebnis z. B. auf einem Terminal 27 dargestellt, das im übrigen auch zur Handhabung der Rechenanlage 25 (Vorgabe von Werten etc.) dient.

Zum Beispiel kann die ermittelte Anzahl der Fäden 3 mit einer vor gegebenen Anzahl verglichen werden und im Fall einer Abwei chung des Istwertes vom Sollwert ein Alarm- oder Stopsignal von der Rechenanlage 25 erzeugt werden. In der Praxis wird eine größere Anzahl (2-9) von Bildern ausgewertet, um zu einer zuverlässigen Aussage zu kommen. Da die einzelnen Ab bilder einen relativ kurzen Abschnitt eines Fadens 3 (etwa 8 cm) darstellen, kann auch bei einer mehrfachen Abtastung der einzelnen Fäden 3 sichergestellt werden, daß ein Faden bruch hinreichend schnell erkannt wird. Andererseits ist das Abtastintervall ausreichend groß um kurzfristiges An einanderhaften zweier oder mehrerer Fäden als vorübergehen de Störung zu erkennen, die nicht zu einem Stopsignal füh ren soll.

Wird die Breite jedes einzelnen Objektes als Vergleichskri terium mit einer Minimal- bzw. einer Maximalbreite verwen det, so wird ein Rückschluß und eine Überwachung der auf das Objekt (Faden) ausgeübten Zugspannung möglich.

Fig. 4 zeigt einen beispielhaften Ausschnitt eines Schwell wertverlaufes mit einem erfaßten Bild einer Objektschar. Dabei ist die Auflösung so gewählt, daß etwa drei Sensor elemente ein Objekt erfassen und etwa vier Sensorelemente eine Lücke zwischen zwei Objekten erfassen.

Das deutlich breitere Gebilde stellt zwei aneinander haf tende Objekte dar, die jedoch nur als ein Objekt gezählt werden, wobei sich die Objektbreite scheinbar verdoppelt hat. Dies würde ohne Korrektur zu einem Fehlalarm und damit zu einer Abschaltung der Anlage führen.

Die Korrektur erfolgt in der Weise, daß ein am Anfang jeder Ermittlung der Anzahl von Objekten auf Null gesetzter Kor rekturwert um eins erhöht wird, falls die Breite eines er faßten Objektes etwa doppelt so groß ist wie eine mittlere Objektbreite aller Objekte.

Dieser Korrekturwert wird zu der ermittelten Anzahl der Ob jekte addiert, um die tatsächliche Anzahl der Objekte zu erhalten.

Zur Erhöhung der Sicherheit wird diese Vorgehensweise mehr mals wiederholt und eine Mehrheitsentscheidung aus den ein zelnen Abtastungen getroffen, bevor ein Alarm ausgelöst wird.

Um eine korrekte Zählung bei der Überwachung von Objekten mit unterschiedlichen Farben oder Reflexionseigenschaften zu gewährleisten, wird für jedes Objekt eine eigene Ver gleichsschwelle verwendet, deren Verlauf in Fig. 4 gestri chelt gezeigt ist. Der Verlauf wird in der Startphase der Anlage empirisch gewonnen und während des Betriebes ständig aktualisiert um Fehlalarme durch Langzeitdrifts der Eigen schaften der Objektschar auszuschließen.

Die Vergleichsschwelle wird für jedes Sensorelement aus dem Mittelwert des Signalmaximums und des Signalminimums des Sensorelementes gebildet. Dabei wird als Signalmaximum für jedes Sensorelement der größte Wert des Signalmaximums ei nes Elementes und seiner z. B. 4 beidseitigen Nachbarn her angezogen. In entsprechender Weise wird das Signalminimum für ein Sensorelement ermittelt.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Überwa chungsvorrichtung der Objekte, wie sie in Maschinen einge setzt wird, deren Förderrichtung der Objekte die Längsrich tung der Sensoren ist. Dabei werden Schußfäden 30 in ein Förderband 31 eingehängt und in Richtung des Pfeiles 5 zur Schußeintragmaschine 32 gefördert.

Da die Objektschar in Längsrichtung des Sensors bewegt wird, ändert sich die Anzahl der durch den Sensor erfaß baren Objekte, was eine Erkennung eines Objektbruchs durch Zählen der Objekte unmöglich macht.

Da jedoch bei Schußeintragmaschinen der Abstand der einzel nen Fäden (Objekte) gegenüber ihrem Durchmesser sehr groß ist, kann der Abstand zweier aufeinanderfolgender Fäden als Erkennungskriterium für einen Fadenbruch herangezogen wer den. Im Fall eines Fadenbruches ist der Abstand zwischen den Fäden doppelt so groß als normal. Ein Signalverlauf ei nes Fadenbruches ist in Fig. 6 veranschaulicht, bei dem die Lücke zwischen zwei Überschreitungen der gestrichelt einge zeichneten Vergleichsschwelle im Bereich des fehlenden Fa dens deutlich erkennbar ist.

Fig. 7 ist eine schematische Darstellung einer erfindungs gemäßen Vorrichtung, bei der sowohl zwei Sensoren in Reihe nebeneinander quer zur Längserstreckung der Objektschar, als auch zwei derartige Sensorreihen in Längsrichtung der Objektschar im Abstand hintereinander angeordnet sind.

Durch die beiden im Abstand einiger Zentimeter (ca. 10-20 cm) der beiden Sensorreihen 12, 12′ und 14, 14′ mit den je weils zuhörigen Optiken und Lichtquellen 7, 7′ ist eine größere Erfassungssicherheit insbesondere bei der Erkennung von Verdickungen eines einzelnen Objektes der Objektschar 1 möglich, da eine Verdickung, die durch die erste Sensoran ordnung 12, 12′ erfaßt wurde, auch bei der zweiten Sensor anordnung 14, 14′ "durchlaufen" muß und dort ebenfalls er kannt wird, bevor durch den Rechner 17 ein Alarm ausgelöst wird.

Claims

1. Verfahren zum Überwachen und insbesondere Zählen einer Schar nebeneinander befindlicher langgestreckter Objekte, wie Fäden, Drähte etc., mit den Schritten

a) Festlegen eines Schwellwertverlaufes, wobei die Länge einzelner Abschnitte des Schwellwertverlaufes wenigstens dem durchschnittlichen Durchmesser einzelner Objektes ent spricht und die Amplitude des Schwellwertverlaufes ein Maß darstellt, deren Überschreiten das Vorhandensein und deren Unterschreiten das Nicht-Vorhandensein eines Objektes be deutet,
b) Erfassen einer Abbildung der Objektschar durch optisches Abtasten der Objektschar,
c) Vergleichen der Abbildung der Objektschar mit dem Schwellwertverlauf, gekennzeichnet durch die Schritte
d) Ermitteln der Anzahl A von Objekten, die den Schwell wertverlauf überschreiten,
e) Feststellen der Anzahl der Überschreitungen H und Unter schreitungen T des Schwellenverlaufes und
f) Erhöhen eines am Anfang jeder Ermittlung der Anzahl A von Objekten auf Null gesetzten Korrekturwertes K um 1, falls die Breite eines erfaßten Objektes B_i etwa doppelt so groß ist wie eine mittlere Objektbreite B_m aller Objekte.
(K : = K + 1 falls B_i ≈ 2_*B_m).

2, Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

g) Festlegen einer korrigierten Anzahl Z der Objekte durch Addieren des Korrekturwertes K zu der ermittelten Anzahl A der Objekte (Z = A + K).

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch

h) wenigstens m-maliges Wiederholen der Schritte a)-g) in zeitlichen Abständen,
i) Erfassen der Z_i (i = 1 . . m) für jede Wiederholung,
j) Treffen einer n-aus-m-Entscheidung (n < m), wobei n die Ereignisse wiedergibt, bei denen eine korrigierte Anzahl Z_t der Objekte von einer vorher ermittelten korrigierten An zahl Z_s abweicht (t < s), und
k) Auslösen eines Alarmes in Abhängigkeit vom Ergebnis der Entscheidung.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

l) die Abtastung quer zu der Längsrichtung der langge streckten Objektschar erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

m) die Objektschar quer zur Abtastung gefördert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

n) die Objektschar im wesentlichen in der Richtung der Ab tastung gefördert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

o) der Abstand aufeinanderfolgender Objekte erfaßt wird, und
p) beim Überschreiten eines vorbestimmten Abstandsmaßes ein Alarmsignal abgegeben wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

q) die Breite der einzelnen Objekte B_i erfaßt und aus der Breite der Objekte die auf den Objekten lastende Zugspan nung ermittelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

r) bei Überschreiten einer vorbestimmbaren Zugspannung bzw. bei Unterschreiten einer vorbestimmten Breite eines oder mehrerer Objekte ein Alarm ausgelöst wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

s) kurzzeitige Verbreiterungen (Flusen) einzelner Objekte mit einem ersten Sensor erfaßt werden, und ein Alarm nur dann ausgelöst wird, wenn die kurzzeitige Verbreiterung mit einem weiteren räumlich nachgeschalteten Sensor erfaßt wird.