EP2342587A1 - Reflexionslichtschranke mit vermessungs- und/oder lokalisierungsfunktion - Google Patents

Reflexionslichtschranke mit vermessungs- und/oder lokalisierungsfunktion

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EP2342587A1
EP2342587A1 EP09778557A EP09778557A EP2342587A1 EP 2342587 A1 EP2342587 A1 EP 2342587A1 EP 09778557 A EP09778557 A EP 09778557A EP 09778557 A EP09778557 A EP 09778557A EP 2342587 A1 EP2342587 A1 EP 2342587A1
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EP
European Patent Office
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light
mirror
light sensors
reflectors
rotating
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09778557A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gilbert Egger
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Ilee AG
Original Assignee
Ilee AG
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Publication date
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Publication of EP2342587A1 publication Critical patent/EP2342587A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V8/00—Prospecting or detecting by optical means
    • G01V8/10—Detecting, e.g. by using light barriers
    • G01V8/20—Detecting, e.g. by using light barriers using multiple transmitters or receivers
    • G01V8/26—Detecting, e.g. by using light barriers using multiple transmitters or receivers using mechanical scanning systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16P—SAFETY DEVICES IN GENERAL; SAFETY DEVICES FOR PRESSES
    • F16P3/00—Safety devices acting in conjunction with the control or operation of a machine; Control arrangements requiring the simultaneous use of two or more parts of the body
    • F16P3/12—Safety devices acting in conjunction with the control or operation of a machine; Control arrangements requiring the simultaneous use of two or more parts of the body with means, e.g. feelers, which in case of the presence of a body part of a person in or near the danger zone influence the control or operation of the machine
    • F16P3/14—Safety devices acting in conjunction with the control or operation of a machine; Control arrangements requiring the simultaneous use of two or more parts of the body with means, e.g. feelers, which in case of the presence of a body part of a person in or near the danger zone influence the control or operation of the machine the means being photocells or other devices sensitive without mechanical contact
    • F16P3/144—Safety devices acting in conjunction with the control or operation of a machine; Control arrangements requiring the simultaneous use of two or more parts of the body with means, e.g. feelers, which in case of the presence of a body part of a person in or near the danger zone influence the control or operation of the machine the means being photocells or other devices sensitive without mechanical contact using light grids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates

Definitions

  • the invention relates to a simply constructed, area-wide reflection barrier with a surveying and localization function.
  • Known reflection circuits or barriers are, for example, light barriers, consisting of at least one light source and a receiver, which are also arranged several times next to each other and can selectively scan a portion of a surface / a room, for example, to determine the presence of a possible object within this scanned area can.
  • Such light barriers are known for example from DE 20 2007 005 710 U1.
  • An optical device operating on this basis for scanning the edge layer of webs of material is described in DD 36 936.
  • a photocell for scanning continuous goods as well as an acoustical signal transmitter controllable by a light barrier disclose CH 393 537 and CH 475 613.
  • a reflection light barrier for the optical detection of a small part is known from DE 20 2008 004 729 U1.
  • a device for the confocal illumination of a sample is treated in DE 10 2007 009 551 B3.
  • An area-wide measurement which also allows a measurement and / or localization of the object in space, can not be performed with such barriers, since, among other things, the cost is very high.
  • DE 199 22 614 A1 discloses a method and a device for the optical control of production processes of finely structured surfaces in semiconductor production.
  • DE 20 2005 020 705U1 deals with a device for measuring and / or processing three-dimensional objects by means of light beams as well as DE 10 2006 062 447 A1.
  • a scanner and a method for operating the scanner are the subject of DE 10 2005 002 190 B4.
  • DE 695 31 462 T2 (EP 0 875 728 B1) and DE 695 18 953 T2 (EP 0 689 032 B1), each of which describes a measuring system which differs from the prior art, are moving in the same technical direction. that, in addition to a rotating laser beam, once the reflective object transmits and diffuses the laser beam and, on the other hand, a position control device for controlling an emitting position of the laser beam is incorporated.
  • a rotating laser radiation system is also proposed in DE 694 1 1 102 T2 (EP 0 643 283 B1).
  • An opto-electronic scanner for scanning a protective field (room) is considered in more detail in DE 20 2007 00 327 U1, the scanner having an additional camera arrangement.
  • the scanner then initiates suitable protective measures in evaluation of its measurement results, if, for example, a person is detected.
  • the invention has the object to provide a device that allows in a simple manner not only the localization but also a measurement of an object in space and / or level.
  • the invention is based on the idea to provide a device which is structurally simple and allows easy retrofitting (assembly / disassembly) on site. It is fundamentally provided that at least one rotating light beam is reflected back by a catadioptric reflector into the starting position and guided via a further mirror to at least one light sensor.
  • the principle of retro-reflection is - -
  • the retro-reflection is the reflection in which the incident light is reflected back tightly focused to the respective light source. This type of reflection can be achieved with the help of a large number of very small catadioptric parts (eg half-glazed glass spheres).
  • Retro reflective fabrics include reflective tapes, reflective fabrics or even reflective paints, which show a normal supervisory color in daylight, but have the character of a reflective fabric when illuminated with artificial light.
  • Such films are known, inter alia, from CA 2 376 812 C 1 DE 10 2007 009 013 A1, DE 10 2007 006 405 A1 and DE 10 2004 025 325 A1.
  • a monitoring of a surveillance area with a reflector foil is also disclosed in DE 10 2006 046 152 A1.
  • the reflector film has a reflection layer, which stands in partial regions at an angle to the reflector film plane.
  • a device with a rotating light beam as a measuring device is integrated into an existing system, wherein the light beams are reflected back from the reflector into the starting position. If there is an object in this light beam, no reflection takes place and the light sensor (s) do not receive any reflected light. The number or range of the emergent rays gives the outer contours of the object.
  • At least two rotating light beams are placed so that position and location of the object can be determined.
  • the light sources are arranged so that their beam ranges overlap when scanning.
  • This barrier is used, among other things, wherever the detection of objects is also desired with respect to the location and location by simple means.
  • the choice of the protractor in accuracy and resolution and thus in terms of its price depends on the desired quality of the measurement. - -
  • FIG. 1 is a side view of a possible arrangement for monitoring in a production process (shown in simplified form),
  • FIG. 2 shows a generalized representation of the arrangement of at least two so-called light or laser scanners in the production process
  • Fig. 4 is an elevation of another variant.
  • a steel plate is indicated, from which, for example, squares 101 or circles 102 are cut out (for example by means of a laser). In some cases, however, these parts 101, 102 remain stuck, which leads to blocking or interrupting the further production process. Therefore, it is envisaged to arrange a device 110 here below the steel plate 100, which can perform a measurement in a monitoring area, whereby it can be determined whether there are still parts 101, 102 on the steel plate 100.
  • the device 110 to be incorporated consists of at least one radiation source 1, (2) and reflectors (3), 4, 5 and an adjustable mirror 10.
  • the reflectors (3), 4, 5 can be built in a lightweight form.
  • the radiation source 1 (2) and the mirror 10 deflecting the emitting beam are aligned therewith.
  • Two radiation sources 1, 2 are preferably arranged underneath the steel plate 100 in the front, side or rear region 104, wherein during a later rotation of the beams LS 1 , LS 2 , both beam fans pass over one another.
  • the radiation area is limited by the so-called catadioptric reflectors 3, 4, 5 at which the rotating light beams LS 1 and LS 2 can be reflected back in the output direction as light beams LS R1 , LS R2 .
  • the light beams LS 1 and LS 2 pass over a measuring range LM 1 and LM 2 .
  • FIG. 3 shows a first variant of a rotating beam LS 1 .
  • a Ls 1 is emitted and directed to an adjustable mirror 10. This can be converted via a drive 11 in combination with an angle sensor 12 to a rotating beam LS 1 .
  • the beam LS 1 is reflected at the reflectors 4, 5 as a light beam LS R1 and preferably via the same mirror 10 again in the direction of the light source 1 directed to the light sensors 13, 14 and sent back.
  • variant II has a beam splitter 15, via which the reflected light beams are directed onto or onto the light sensors 16, 17, for example two, arranged independently of the orientation of the light source 101.
  • each light source can be assigned its own rotating mirror as well as corresponding light sensors.

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Abstract

Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung (110) zur Reflexion eines Strahles (LS1, LS2), wie Laser- oder Lichtstrahl, mit wenigstens einer Strahlenquelle (1, 2) zur Überwachung eines Überwachungsbereiches auf das Vorhandensein eines Objektes (101, 102), umfassend einen rotierenden Spiegel (10) je Strahlenquelle (1, 2), katadioptische Reflektoren (3, 4, 5), sowie Lichtsensoren (7, 8, 13, 14), wobei die von den Reflektoren (3, 4, 5) zurück gelenkten Strahlen (LS1, LS2) über den Spiegel (10) direkt oder über einen weiteren Strahlenteiler (15) zwischen dem Spiegel (10) und den Lichtsensoren (7, 8, 13, 14) auf die Lichtsensoren (7, 8, 13, 14) gelangen. Die Vorrichtung (110) zeichnet sich durch eine einfache Nachrüstbarkeit vor Ort aus.

Description

W.OC.0736.WO/ DIE l 14. September 2009
BESCHREIBUNG
REFLEXIONSLICHTSCHRANKE MIT VERMESSUNGS- UND/ODER LOKALISIERUNGSFUNKTION
Die Erfindung betrifft eine einfach aufgebaute, flächendeckende Reflexionsschranke mit einer Vermessungs- als auch Lokalisierungsfunktion.
Bekannte Reflexionsschaltungen oder -schranken sind beispielsweise Lichtschranken, bestehend aus wenigstens einer Lichtquelle und einem Empfänger, die zudem mehrfach nebeneinander angeordnet sind und punktuell einen Teil einer Fläche / eines Raumes abtasten können, um zum Beispiels das Vorhandensein eines möglichen Gegenstandes innerhalb dieser abgetasteten Gegend bestimmten zu können. Derartige Lichtschranken sind beispielsweise aus der DE 20 2007 005 710 U1 bekannt. Eine auf dieser Basis arbeitende optische Vorrichtung zum Abtasten der Kantenlage von Materialbahnen wird in der DD 36 936 beschrieben. Eine Lichtschranke zum Abtasten durchlaufenden Gutes sowie einen durch eine Lichtschranke steuerbaren akustischen Signalgeber offenbaren die CH 393 537 sowie die CH 475 613.
Eine Reflexionslichtschranke zum optischen Nachweisen eines Kleinteils ist aus der DE 20 2008 004 729 U1 bekannt. Eine Vorrichtung für die konfokale Beleuchtung einer Probe wird in der DE 10 2007 009 551 B3 behandelt.
Eine flächendeckende Messung, die zudem eine Vermessung und / oder Lokalisierung des Gegenstandes im Raum ermöglicht, kann mit derartigen Schranken nicht durchgeführt werden, da unter anderem der Aufwand sehr hoch ist.
Mit der DE 199 22 614 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Kontrolle von Fertigungsprozessen fein strukturierter Oberflächen in der Halbleiterfertigung publiziert.
Die DE 20 2005 020 705U1 beschäftigt sich mit einer Vorrichtung zum Vermessen und / oder Bearbeiten von dreidimensionalen Objekten mittels Lichtstrahlen wie auch die DE 10 2006 062 447 A1. Ein Scanner und ein Verfahren zum Betreiben des Scanners sind Gegenstand der DE 10 2005 002 190 B4.
In die gleiche technische Richtung bewegen sich die DE 695 31 462 T2 (EP O 875 728 B1) sowie die DE 695 18 953 T2 (EP O 689 032 B1), die jeweils ein Vermessungssystem beschreiben, welche sich dadurch vom Stand der Technik unterscheiden, dass neben einem rotierenden Laserstrahl einmal das reflektierende Objekt den Laserstrahl durchlässt und diffus macht und zum anderen eine Positionssteuereinrichtung zum Steuern einer emittierenden Position des Laserstrahls eingebunden ist.
Ein rotierendes Laser-Strahlungssystem wird zudem in der DE 694 1 1 102 T2 (EP 0 643 283 B1) angedacht.
Ein opto- elektronischer Scanner zum Abtasten eines Schutzfeldes (Raumes) wird in der DE 20 2007 00 327 U1 näher betrachtet, wobei der Scanner eine zusätzliche Kameraanordnung aufweist. Der Scanner leitet in Auswertung seiner Messergebnisse dann geeignete Schutzmaßnahmen ein, wenn beispielsweise eine Person detektiert wird.
Die DE 10 2005 002 1879 B4 beansprucht eine Vorrichtung zum Ermitteln der Winkelposition eines Lichtstrahls und ein Verfahren zum Betreiben selbiger Vorrichtung.
Die vorgenannten Lösungen bzw. Lösungsansätze sind in ihrer Konstruktion teilweise sehr zumindest jedoch aufwändig.
Hier stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine Vorrichtung anzugeben, die in einfacher Art und Weise nicht nur das Lokalisieren sondern auch ein Vermessen eines Objektes in Raum und / oder Ebene ermöglicht.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Unteransprüche enthalten bevorzugte Ausführungsformen.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die konstruktiv einfach ist und eine einfache Nachrüstung (Montage / Demontage) auch vor Ort ermöglicht. Grundlegend ist vorgesehen, dass zumindest ein rotierender Lichtstrahl von einem katadioptri- schen Reflektor in die Ausgangsstellung zurückgestrahlt und über einen weiteren Spiegel auf wenigstens einen Lichtsensor geleitet wird. Dabei wird das Prinzip der Retro- Reflektion an- - -
gewandt. Dieses Prinzip basiert darauf, dass spiegelnde und brechende Elemente (= katadi- oprische Elemente) das Licht umkehren und es in Richtung der Lichtquelle zurücksenden. Die Retro- Reflexion ist die Reflexion, bei der das auftreffende Licht eng gebündelt zur jeweils anleuchtenden Lichtquelle zurückgestrahlt wird. Erreicht werden kann diese Art der Reflexion mit Hilfe einer großen Anzahl sehr kleiner katadioptrischer Teile (z. B. halb ver- spiegelter Glaskugeln).
Retro- reflektierende Stoffe sind u. a. Reflexfolien, Reflexgewebe oder auch Reflexfarben, die bei Tageslicht eine normale Aufsichtfarbe zeigen, bei Anleuchtung mit künstlichem Licht jedoch den Charakter eines Reflexstoffes aufweisen. Derartige Folien sind u. a. aus der CA 2 376 812 C1 DE 10 2007 009 013 A1 , DE 10 2007 006 405 A1 sowie DE 10 2004 025 325 A1 bekannt.
Eine Überwachung eines Überwachungsbereiches mit einer Reflektorfolie ist des Weiteren der DE 10 2006 046 152 A1 entnehmbar. Die Reflektorfolie weist eine Reflexionsschicht auf, die in Teilbereichen in einem Winkel zur Reflektorfolienebene steht.
Aufbauend auf diese Funktionsweise wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung mit einem rotierenden Lichtstrahl als Messeinrichtung in ein vorhandenes System eingebunden, wobei die Lichtstrahlen vom Reflektor in die Ausgangsstellung zurückgestrahlt werden. Befindet sich in diesem Lichtstrahl ein Objekt, erfolgt keine Reflektion und die (der) Lichtsensoren empfangen kein zurückgestrahltes Licht. Die Anzahl bzw. der Bereich der ausfallenden Strahlen ergibt die äußeren Umrisse des Gegenstandes.
In einer bevorzugten Ausführung werden wenigstens zwei rotierende Lichtstrahlen so platziert, dass Lage und Ort des Gegenstandes bestimmbar sind. Dabei werden die Lichtquellen so angeordnet, dass sich deren Strahlenbereiche beim Abscannen überschneiden.
Der mit dieser Idee verbundene Vorteil liegt in einer genaueren sowie schnelleren Messung des Vorhandenseins eines Objektes als auch dessen örtlicher Lage, wobei auch ein gewünschter mobiler Einsatz dieser Vorrichtung als so genannte Reflexionslichtschranke möglich ist.
Verwendung findet diese Schranke u. a. überall dort, wo das Erfassen von Objekten auch bezüglich der Lage und Ort mit einfachen Mitteln erwünscht wird. Die Wahl des Winkelmessers in Genauigkeit und Auflösung und damit in Hinblick auf seinen Preis ist abhängig von der gewünschten Qualität der Messung. - -
Anhand eines Ausführungsbeispiels mit Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigt:
Fig. 1 in einer Seitendarstellung eine mögliche Anordnung für eine Überwachung in einem Produktionsprozess (vereinfacht dargestellt),
Fig. 2 eine verallgemeinerte Darstellung der Anordnung wenigsten zweier so genannter Licht- oder Laserscanner im Produktionsprozess,
Fig. 3 einen Aufriss einer ersten Variante,
Fig. 4 einen Aufriss einer weiteren Variante.
Mit 100 ist beispielsweise eine Stahlplatte gekennzeichnet, aus welcher beispielsweise Quadrate 101 oder Kreise 102 herausgetrennt werden (beispielsweise mittels Laser). In einigen Fällen bleiben diese Teile 101 , 102 jedoch hängen, was zum Blockieren bzw. Unterbrechen des weiteren Produktionsablaufs führt. Daher ist vorgesehen, eine Vorrichtung 110 hier unterhalb der Stahlplatte 100 anzuordnen, die ein Vermessen in einem Überwachungsbereich vornehmen kann, wodurch bestimmt werden kann, ob sich noch Teile 101 , 102 an der Stahlplatte 100 befinden.
Die einzubindende Vorrichtung 110 besteht dabei aus wenigstens einer Strahlenquelle 1 , (2) sowie Reflektoren (3), 4, 5 und einem verstellbaren Spiegel 10. Die Reflektoren (3), 4, 5 sind in leichter Form aufbaubar. Auf diese ausgerichtet werden die Strahlenquelle 1 (2) und der den aussendenden Strahl ablenkende Spiegel 10.
Bevorzugt werden zwei Strahlenquellen 1 , 2 (Lichtquelle, Laser) unterhalb der Stahlplatte 100 im vorderen, seitlichen oder hinteren Bereich 104 angeordnet, wobei sich bei einer späteren Rotation der Strahlen LS1, LS2, beide Strahlenfächer überstreichen. Begrenzt wird der Strahlenbereich durch die so genannten katadioptrischen Reflektoren 3, 4, 5 an denen die rotierenden Lichtstrahlen LS1 und LS2 in die Ausgangsrichtung als Lichtstrahlen LSR1, LSR2 zurückgestrahlt werden können. Die Lichtstrahlen LS1 und LS2 überstreichen einen Messbereich LM1 sowie LM2. Treffen die Lichtstrahlen LS1 und LS2 auf ein Objekt 101 , 102, ergibt sich in diesem Messbereich ein Winkelsegment W1 bzw. W2, in dem keine Reflektion erfolgt, wodurch die Lichtsensoren 7, 8 (Fig. 3, Fig. 4) keinen Lichtstrahl empfangen. Aus dieser Information kann dann durch eine nicht näher dargestellte Auswerteelektronik ein Objektgrö- ßenwinkel OGW1 sowie OGW2 und ein Objektlagewinkel OLW1 und OLW2 aus den Übergängen hell/ dunkel, dunkel / dunkel sowie dunkel/ hell ermittelt werden. Diese Information wird dann in Weiterführung die genaue Lage und Größe der Objekte 101 , 102 (hier in einer Ebene unterhalb der Stahlfläche) bestimmt werden (Fig.2).
In Fig. 3 ist eine erste Variante eines rotierenden Strahls LS1 dargestellt. Von der Lichtquelle 1 wird ein Ls1 ausgesandt und auf einen verstellbaren Spiegel 10 gerichtet. Dieser kann über einen Antrieb 11 in Kombination mit einem Winkelsensor 12 zu einem rotierenden Strahl LS1 umgewandelt werden. Der Strahl LS1 wird an den Reflektoren 4, 5 als Lichtstrahl LSR1 reflektiert und vorzugsweise über denselben Spiegel 10 wieder in Richtung der Lichtquelle 1 auf die Lichtsensoren 13, 14 gelenkt bzw. zurückgesandt.
Fig. 4 zeigt eine weitere Variante. Entgegen der Variante I weist die Variante Il einen Strahlenteiler 15 auf, über welchen die reflektierten Lichtstrahlen an bzw. auf die unabhängig von der Ausrichtung der Lichtquelle 101 angeordneten Lichtsensoren 16, 17, beispielsweise zwei, gelenkt werden.
Beide Varianten sind auch für die weiteren Lichtquellen 2 (n) zu berücksichtigen, so dass jeder Lichtquelle ein eigener rotierender Spiegel sowie entsprechende Lichtsensoren zuzuordnen sind.

Claims

- -PATENTANSPRUCHE
1. Vorrichtung (110) zur Reflexion eines Strahles (LS1, LS2) , wie Laser- oder Lichtstrahl, mit wenigstens einer Strahlenquelle (1 , 2) zur Überwachung eines Überwachungsbereiches auf das Vorhandensein eines Objektes (101 , 102) , umfassend
• einen rotierenden Spiegel (10) je Strahlenquelle (1 , 2),
• katadioptische Reflektoren (3, 4, 5), sowie
• Lichtsensoren (5, 6, 13, 14),
• wobei die von den Reflektoren (3, 4, 5) zurück gelenkten Strahlen (LSR1, LSR2) über den Spiegel (10) direkt oder über einen weiteren Strahlenteiler (15) zwischen dem Spiegel (10) und den Lichtsensoren (7, 8, 13, 14) auf die Lichtsensoren (7, 8, 13, 14) gelangen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der rotierende Spiegel (10) über einen Antrieb (1 1) in Kombination mit einem Winkelsensor (12) verfügt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der rotierende Lichtstrahl (LS1, LS2 ) der Strahlenquelle (1 , 2) einen Messbereich (LM1 , LM2) überstreicht, wobei, wenn sich ein Objekt (101 , 102) im Strahlengang befindet, sich in diesem Messbereich (LM1 , LM2) ein Winkelsegment (W1, W2) ergibt, in dem keine Re- flektion erfolgt, wodurch die Lichtsensoren (7, 8, 13, 14) keinen Lichtstrahl (LSR1 l LSR2) empfangen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Strahlenquellen (1 , 2) verwendet werden.
5. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 unterhalb oder oberhalb einer Platte (100).
6. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Erfassen von Objekten auch bezüglich der Lage und des Ortes mit einfachen Mitteln.
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