DE4424008A1 - Optoelektronische Vorrichtung zum Erkennen von Marken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Derartige Vorrichtungen, die insbesondere als Barcode-Lesegeräte ausgebildet sind, werden in den verschiedenartigsten industriellen Applikationen zur auto­ matischen Identifikation von Werkstücken eingesetzt.

An den Werkstücken ist eine das Werkstück kennzeichnende Marke, vorzugs­ weise ein Barcode, angebracht. Durch Lesen der Marke mittels der Vorrichtung kann das Werkstück identifiziert werden.

Die auf diese Weise identifizierten Werkstücke können beispielsweise auf Fließ­ bandanlagen gefördert und entsprechend der Ausgestaltung des Werkstückes Be­ arbeitungsprozessen zugeführt werden.

Zudem besteht eine Aufgabe oftmals darin, identifizierte Werkstücke in einem Lager abzulegen. Derartige Lager sind häufig als Regallager ausgebildet. Über fahrbare Regalbediengeräte werden die einzelnen Werkstücke in Regalfächern abgelegt.

Hierzu ist erforderlich, daß das Regalbediengerät exakt vor dem entsprechenden Regalfach positioniert wird. Dieses Problem wird üblicherweise dadurch gelöst, daß im Bereich der Regalfächer Lichtschranken vorgesehen sind. Die Unterbre­ chung des Sendelichtstrahls der Lichtschranke an einem Regalfach bei der Heranfahrt des Regalbediengeräts wird als Positionierhilfe eingesetzt. Ferner ist am Antrieb des Regalbediengerätes ein Winkelgeber installiert, mit dem die Lage des Regalbediengerätes relativ zu einem Fixpunkt bestimmt werden kann.

Nachteilig hierbei ist, daß die Anbringung von Lichtschranken kostenintensiv ist. Ferner liefert der Winkelkodierer keine Aussage über den Absolutort des Regalbediengerätes.

Zur Positionierung des Regalbediengerätes muß zuerst der Fixpunkt angefahren werden. Erst von diesem Fixpunkt aus kann eine Absolutortsbestimmung erfol­ gen. Dies hat zur Folge, daß bei einer Unterbrechung des Betriebs, beispielswei­ se bei einem Stromausfall, das Regalbediengerät zum Fixpunkt zurückgefahren werden muß und die Ansteuerung eines Regalfaches komplett wiederholt wer­ den muß, was äußerst zeitaufwendig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs ge­ nannten Art so auszubilden, daß sie zur Positionierung von Objekten eingesetzt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Ansprüchen 2-11 beschrieben.

Erfindungsgemäß sind an einem Zielobjekt Referenz-Marken angeordnet, in de­ ren Kontrastmustern die Positionen der Referenz-Marken kodiert sind. Wird ein Objekt, auf den die optoelektronische Vorrichtung installiert ist, an dem Zielob­ jekt vorbeibewegt, trifft der Sendelichtstrahl der Vorrichtung auf die Referenz- Marken. In der Auswerteeinheit wird die in den Empfangssignalen enthaltene Ortsinformation über die Referenz-Marken dekodiert und zur Positionierung des Objekts relativ zum Zielobjekt verwendet.

Auf diese Weise können mit der optoelektronischen Vorrichtung nicht nur Ob­ jekte identifiziert, sondern auch relativ zu Zielobjekten ausgerichtet werden. Durch eine geeignete Ausbildung der Referenz-Marken kann diese Positionie­ rung sehr genau erfolgen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß in den Refe­ renz-Marken deren Absolutort kodiert sein kann. Dadurch kann ein fortlaufendes Ausrichten des Objekts bezüglich eines vorgegebenen Fixpunktes vermieden werden.

Ferner ist vorteilhaft, daß die Referenz-Marken ohne großen Aufwand an den Zielobjekten angebracht werden können. Bei Bedarf können die Referenz-Mar­ ken einfach ausgetauscht oder versetzt werden. Dies gewährleistet eine hohe Flexibilität und einfache Handhabbarkeit beim Installieren der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung. Zudem sind die Referenz-Marken kostengünstig herstellbar.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: Ein Prinzipaufbau der optoelektronischen Vorrichtung,

Fig. 2: eine auf einem Regalbediengerät angeordnete optoelektronische Vorrichtung vor einem Regallager,

Fig. 3: ein Ausführungsbeispiel einer Referenz-Marke.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau einer optoelektronischen Vorrichtung 1 zum Erkennen von mit definierten Kontrastmustern versehenen Marken dargestellt. Die Marken können beliebige Folgen und Formen von aneinander angrenzenden Hell-Dunkelflächen, vorzugsweise Schwarz-Weiß-Flächen, aufweisen. Insbeson­ dere können die Marken von Barcodes 2 gebildet sein. Die Barcodes 2 bestehen im wesentlichen aus einer Folge von schwarzen und weißen Strichelementen 2a, b definierter Länge und Breite.

Die optoelektronische Vorrichtung 1 besteht im wesentlichen aus einem Sende­ element 3, einem Empfangselement 4 sowie einer Auswerteeinheit 5. Das Sen­ deelement 3 besteht aus einem Sender 6, vorzugsweise einer Laserdiode, sowie aus einer dem Sender 6 vorgeschalteten Sendeoptik 7 zur Fokussierung des Sen­ delichts 8. Das fokussierte Sendelicht 8 wird über eine Ablenkeinheit 9, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel von einem rotierenden Polygonspiegelrad ge­ bildet ist, abgelenkt und über den zu detektierenden Barcode 2 geführt. Die Drehachse des Polygonspiegelrads ist senkrecht zur in Fig. 1 dargestellten Äquatorialebene des Polygonspiegelrads angeordnet.

Das vom Barcode 2 reflektierte Empfangslicht 10 wird über das Polygonspiegel­ rad zum Empfangselement 4 geführt. Das Empfangselement 4 besteht aus einer Fotodiode 11, in der das Empfangslicht 10 in ein elektrisches Empfangssignal gewandelt wird, und einem dieser nachgeschalteten Verstärker 12. Zur Verbes­ serung der Nachweisempfindlichkeit ist dem Empfangselement 4 eine Emp­ fangsoptik 13 vorgeschaltet.

Das am Ausgang des Empfangselements 4 anstehende Empfangssignal wird der Auswerteeinheit 5 zugeführt. Die Auswerteeinheit 5 weist eine Schwellwertein­ heit auf, mittels derer die Empfangssignale der Hellflächen von den Empfangs­ signalen der Dunkelflächen der Marken getrennt werden.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung der optoelektronischen Vorrichtung 1 an einem be­ weglichen Objekt, das als Regalbediengerät 14 ausgebildet ist. Das Regalbedien­ gerät 14 wird vorzugsweise auf nicht dargestellten Schienen an einer Regalwand 15 vorbeibewegt. Das Regalbediengerät 14 muß möglichst exakt vor einem be­ stimmten Regalfach 16 der Regalwand 15 positioniert werden, damit anschließend mit dem Regalbediengerät 14 selbsttätig Werkstücke aus dem Regalfach 16 entnommen bzw. in das Regalfach 16 eingelagert werden können. Hierzu kann das Regalbediengerät 14 nicht dargestellte Greifarme aufweisen. Die geforderte Genauigkeit, mit der das Regalbediengerät 14 vor den einzelnen die Zielobjekte bildenden Regalfächern 16 positioniert werden muß, beträgt typischerweise ± 1 mm.

Die Positionierung des Regalbediengerätes 14 erfolgt mittels der optoelektroni­ schen Vorrichtung 1. Deren Sendelichtstrahl 8 ist auf die Regalwand 15 gerich­ tet. Während der Vorbeifahrt des Regalbediengerätes 14 an der Regalwand 15 wird der Sendelichtstrahl 8 über Referenz-Marken 17a, b geführt, die an den einzelnen Regalfächern 16 angebracht sind.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden zwei unterschiedliche Typen von Referenzmarken 17a, b verwendet, nämlich Referenz-Marken zur Grob- 17a bzw. Feinpositionierung 17b des Regalbediengerätes 14 vor einem Regalfach 16.

Die Regalfächer 16 der Regalwand 15 sind identisch ausgebildet und in hori­ zontaler und vertikaler Richtung aneinandergereiht. Ihre Frontseiten weisen rechteckige Querschnitte auf. Zur Unterscheidung der Regalfächer 16 sind diese in horizontaler und vertikaler Richtung jeweils mit einer fortlaufenden Nummer gekennzeichnet.

Die Referenz-Marken 17a zur Grobpositionierung sind als Referenz-Barcodes ausgebildet. In den Strichmustern der Referenz-Barcodes sind die Nummern der Regalfächer kodiert. Vorzugsweise wird eine vierstellige Dezimalzahl zur Kenn­ zeichnung der Regalfächer 16 verwendet, wobei die ersten beiden Ziffern die Numerierung der Regalfächer 16 in vertikaler und die letzten beiden Ziffern die Numerierung in horizontaler Richtung beinhalten.

Die Referenz-Barcodes sind an einem seitlichen Rand sowie am unteren Rand eines jeden Regalfaches 16 angeordnet. Dabei sind die Strichmuster der Refe­ renz-Barcodes senkrecht zur Bewegungsrichtung des Sendelichtstrahls 8 ange­ ordnet. Im vorliegenden Fall erfolgt die Abtastung der Referenz-Marken 17a, b durch einen in vertikaler Richtung verlaufenden Sendelichtstrahl 8. Bei dieser Anordnung der optoelektronischen Vorrichtung 1 werden lediglich die an den unteren Rändern der Regalfächer 16 angeordneten Referenzmarken 17a, b zur Positionierung verwendet. Dieser Fall soll im folgenden betrachtet werden. Alternativ kann die Abtastebene des Sendelichtstrahls 8 um 90° gedreht sein, so daß der Sendelichtstrahl 8 in horizontaler Richtung geführt wird. In diesem Fall werden die an den seitlichen Rändern der Regalfächer 16 angeordneten Refe­ renz-Marken 17a, b zur Positionierung verwendet.

Die Kontrastmuster der Referenz-Marken 17b zur Feinpositionierung weisen in Längsrichtung eine eindeutige Ortsabhängigkeit auf. Ein Beispiel hierfür ist in Fig. 3 dargestellt. Die Referenz-Marke 17b ist in Längsrichtung in mehrere Seg­ mente unterteilt, wobei jedes der Segmente nur einmal im Kontrastmuster vor­ kommt. Die Segmente selbst bestehen aus einer Folge von schwarzen und weißen Strichelementen unterschiedlicher Breite. Der Sendelichtstrahl 8 ist durch die Ablenkeinheit 9 im wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Referenz-Marke 17b geführt.

Die Breiten der Segmente nehmen zum Mittelpunkt der Referenz-Marke 17b ab. Die Anzahl und Breiten der Segmente sind symmetrisch zum Mittelpunkt der Referenz-Marke 17b. Die Breite des zentralen Segments ist an die geforderte Ortsauflösung angepaßt. Für eine geforderte Ortsauflösung von ± 1 mm beträgt die Breite des zentralen Segments 2 mm.

Oberhalb der Referenz-Marke 17b zur Feinpositionierung ist ein einzelnes schwarzes Linienelement 18 angeordnet. Es verläuft in einem Winkel von ca. 45° zur Längsachse der Referenz-Marke 17b. Der Mittelpunkt des Linienele­ ments 18 liegt auf der senkrecht zur Längsachse verlaufenden Mittellinie der Referenz-Marke 17b.

Die Referenz-Marken 17b zur Feinpositionierung sind jeweils zwischen zwei Referenz-Marken 17a zur Grobpositionierung angeordnet.

Anhand des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels wird im folgenden die Positionierung des vom Regalbediengeräts 14 gebildeten Objekts relativ zu den von den Regalfächern 16 gebildeten Zielobjekten beschrieben. Die Aufgabe bei der Positionierung besteht darin, das Regalbediengerät 14 mit hoher Genauigkeit zu einem Regalfach 16 mit vorgegebener Nummer zu positionieren.

Während einer ersten Phase wird das Regalbediengerät 14 mit relativ hoher Ge­ schwindigkeit an den Regalfächern 16 vorbeibewegt. Die optoelektronische Vor­ richtung 1 registriert fortlaufend die von den Referenz-Marken 17a, b registrier­ ten Empfangssignale und übermittelt die Positionsdaten an eine nicht dargestell­ te zentrale Rechnereinheit im Regalbediengerät 14, vorzugsweise eine SPS- Steuerung.

Während dieser Phase werden allein die von den Referenz-Marken 17a zur Grobpositionierung stammenden Daten in der Rechnereinheit ausgewertet. An­ hand der registrierten Nummern der Regalfächer 16 kann erkannt werden, wie weit sich das Regalbediengerät 14 dem Zielobjekt genähert hat.

Sobald das letzte Regalfach 16 vor dem das Zielobjekt bildenden Regalfach 16 erreicht ist, wird die Geschwindigkeit des Regalbediengeräts 14 drastisch redu­ ziert.

In der nun beginnenden zweiten Phase wird das Regalbediengerät 14 auf das Zielobjekt exakt ausgerichtet. Hierfür werden vorrangig die von den Referenz- Marken 17b zur Feinpositionierung stammenden Signale benötigt. Der anzusteu­ ernde Zielort ist dann erreicht, wenn die optoelektronische Vorrichtung 1 auf das Zentrum der Referenz-Marke 17b in dem Regalfach 16 mit der als Ziel­ größe vorgegebenen Regalfach-Nummer ausgerichtet ist.

Da beidseits der Referenz-Marke 17b zur Feinpositionierung Referenz-Marken 17a zur Grobpositionierung angeordnet sind, wird unabhängig von der Fahrtrich­ tung des Regalbediengeräts 14 in jedem Fall die Referenz-Marke 17a zur Grob­ positionierung am Zielobjekt gelesen, bevor der Sendelichtstrahl 8 auf die Refe­ renz-Marke 17b zur Feinpositionierung trifft. Dadurch ist eine sichere Zuord­ nung der Referenz-Marke 17b zur Feinpositionierung zur betreffenden Nummer des Regalfaches 16 gewährleistet.

Nachdem durch die Fahrbewegung des Regalbediengerätes 14 der Sendelicht­ strahl 8 die Referenz-Marke 17a zur Grobpositionierung passiert hat und die entsprechende Regalfachnummer in der Rechnereinheit registriert wurde, trifft der Sendelichtstrahl 8 auf die Referenzmarke 17b zur Feinpositionierung.

Bei fehlerfreier Ausrichtung der Vorrichtung 1 überstreicht der Sendelichtstrahl 8 die Referenz-Marke 17b senkrecht zu deren Längsachse. Bei vorgegebener Fahrtgeschwindigkeit verweilt der Sendelichtstrahl 8 für vorgegebene Zeitinter­ valle auf den einzelnen Segmenten. Diese Werte sind zweckmäßigerweise in Form eines Kennfelds als Sollwerte in der Rechnereinheit abgespeichert.

Da sich die Segmente in eindeutiger Weise voneinander unterscheiden, ist eine räumliche Zuordnung des Sendelichtstrahls 8 relativ zur Referenz-Marke 17b durch die Auswertung der Empfangssignale möglich.

Je weiter der Sendelichtstrahl 8 zum Zentrum der Referenz-Marke 17b vor­ dringt, desto stärker wird die Geschwindigkeit des Regalbediengerätes 14 redu­ ziert. Wird schließlich das Muster des zentralen Segments der Referenz-Marke 17b registriert, wird das Regalbediengerät 14 angehalten, da es seine Zielposi­ tion erreicht hat.

Durch Vorgabe der Breite des zentralen Segments der Referenz-Marke 17b kann die Genauigkeit der Positionierung auf einfache Weise vorgegeben werden.

Ist der Sendelichtstrahl 8 der Vorrichtung 1 nicht exakt in einem Winkel von 90° zur Längsachse der Referenz-Marke 17b geführt, so wird die Verweildauer des Sendelichtstrahls 8 auf einem Segment der Referenz-Marke 17b im Ver­ gleich zur fehlerfreien Ausrichtung des Sendelichtstrahls 8 reduziert, denn durch die Neigung des Sendelichtstrahls 8 trifft der Sendelichtstrahl 8 an einem Rand der Referenz-Marke 17b bereits auf das benachbarte Segment, während der Rest des Sendelichtstrahls 8 noch auf das ursprüngliche Segment trifft.

Um diesen Effekt quantitativ zu erfassen, ist an der Referenz-Marke 17b das Li­ nienelement 18 angeordnet.

Ein fehlerfrei ausgerichteter Sendelichtstrahl 8 wird senkrecht zur Längsachse der Referenz-Marke 17b zum Linienelement geführt. In Abhängigkeit der Posi­ tion des Sendelichtstrahls 8 ergibt dies definierte Abstandswerte zwischen Lini­ enelement 18 und Referenzmarke 17b. Diese Abstandswerte können bei vorge­ gebener Drehzahl der Ablenkeinheit aus den Empfangssignalen gewonnen wer­ den. Die Empfangssignale beinhalten eine Folge von Hell-Dunkelflächen, die dem räumlichen Kontrastmuster der Marken in eindeutiger Weise zugeordnet werden kann.

Ist der Sendelichtstrahl 8 nicht fehlerfrei ausgerichtet, wird dieser in einem schrägen Winkel zur Längsachse der Referenz-Marke 17b geführt.

Demzufolge vergrößern sich die von Sendelichtstrahl 8 registrierten Abstands­ werte zwischen Referenz-Marke 17b und Linienelement 18 woraus die Ab­ weichung des Sendelichtstrahls 8 von der optimalen Lage ermittelt werden kann. Diese Daten werden in die Rechnereinheit übermittelt, um die geänderte Ver­ weildauer des Sendelichtstrahls 8 auf den Segmenten der Referenz-Marke 17b zu berechnen. Wird die Verweildauer aufgrund der Schräglage des Sendelicht­ strahls 8 zu stark reduziert, muß gegebenenfalls die Geschwindigkeit des Regal­ bediengerätes 14 reduziert werden, damit die Referenz-Marke 17b noch sicher erkannt werden kann. Alternativ muß die Vorrichtung neu justiert werden.

Voraussetzung für eine genaue Positionierung ist eine genaue mechanische Ju­ stage der Vorrichtung 1 am Regalbediengerät 14. Zur Überprüfung der Justage ist in definiertem Abstand zur Vorrichtung 1 am Regalbediengerät 14 eine Test­ marke 19 vorgesehen. Die Testmarke 19 ist so im Strahlengang der Vorrichtung 1 angeordnet, daß sie die Abtastung der Referenz-Marken 17a, b nicht behin­ dert. Wird die Testmarke 19 von der Vorrichtung 1 nicht vollständig registriert, erfolgt eine Fehlermeldung, zweckmäßigerweise über die Rechnereinheit, wo­ rauf die Vorrichtung 1 neu justiert werden muß.

Claims (11)

1. Optoelektronische Vorrichtung zum Erkennen von mit definierten Kon­ trastmustern versehenen Marken mit einem einen Sendelichtstrahl emittie­ renden Sendeelement und einem Empfangselement, wobei der Sendelicht­ strahl über die Marken geführt wird und das von den Marken reflektierte Empfangslicht, welches eine durch den Kontrast der Marken aufgeprägte Amplitudenmodulation aufweist, in einer Auswerteeinheit ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Zielobjekt Referenz-Marken (17a, b) angeordnet sind, in deren Kontrastmustern die Positionen der Re­ ferenz-Marken (17a, b) kodiert sind, und daß die optoelektronische Vor­ richtung (1) auf einem relativ zum Zielobjekt bewegten Objekt installiert ist, wobei zur Positionierung des Objekts relativ zum Zielobjekt die Kon­ trastmuster der Referenz-Marken (17a, b) von der Vorrichtung (1) gelesen und in der Auswerteeinheit (5) ausgewertet werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zielobjek­ te von in einer Regalwand (15) angeordneten Regalfächern (16) gebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt von einem Fahrzeug gebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug von einem in definiertem Abstand zur Regalwand (15) bewegten schienengebundenen Regalbediengerät (14) gebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Grobpositionierung am Zielobjekt als Referenz-Barcodes ausgebil­ dete Referenz-Marken (17a) vorgesehen sind, wobei die Positionen der Referenz-Marken (17a) in den Strichmustern der Referenz-Barcodes ko­ diert sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß die die Zielobjekte bildenden Regalfächer (16) in Längs- und Querrich­ tung jeweils fortlaufend numeriert sind, und daß die die Regalfächer (16) kennzeichnenden Nummern in den Strichmustern der Referenz-Barcodes kodiert sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Feinpositionierung des Sendelichtstrahls (8) auf einen Zielort am Zielobjekt dort eine Referenz-Marke (17b) angeordnet ist, deren Kontrast­ muster in Längsrichtung eine vom Ort eindeutige funktionale Abhängig­ keit aufweist, wobei der Sendelichtstrahl (8) in einem Winkel von ca. 90° zur Längsachse der Referenzmarke (17b) geführt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenz- Marke (17b) zur Feinpositionierung in Längsrichtung hintereinander ange­ ordnete Segmente aufweist, wobei die einzelnen Segmente verschiedene Folgen von Strichelementen aufweisen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Winkel von ca. 45° zur Längsachse der Referenz-Marke (17b) zur Feinpositionierung ein Linienelement (18) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß beidseits der Referenz-Marke (17b) zur Feinpositionierung jeweils eine Referenz-Marke (17a) zur Grobpositionierung angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß in deren Strahlengang in vorgegebenem Abstand eine Testmarke (19) am Objekt angeordnet ist.