DE1191591B

DE1191591B - Verfahren zum fotoelektrischen Bestimmen der relativen Lage wenigstens einer Kante eines Objektes

Info

Publication number: DE1191591B
Application number: DEL29476A
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Nat Walter Hackel; Dipl-Ing Felix Lentze
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1958-01-17
Filing date: 1958-01-17
Publication date: 1965-04-22

Description

Verfahren zum fotoelektrischen Bestimmen der relativen Lage wenigstens einer Kante eines Objektes Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum fotoelektrischen Bestimmen der relativen Lage wenig stens einer Kante eines Objektes, dessen Helligkeit sich von seiner Umgebung merklich unterscheidet.
Die Objektkante und deren Umgebung wird dabei mittels eines optischen Systems auf einen fotoelektrischen Empfänger abgebildet. Die Abbildung erfolgt periodisch, indem sie mit Hilfe einer Umlenkung durch einen Drehspiegel, Polygonprisma oder ähnliches den fotoelektrischen Empfänger überstreicht.
In Walzenstraßen, insbesondere Blockstraßen, zur Steuerung von bewegten Papierbahnen u. dgl. ist es oftmals für die Bearbeitung der Werkstoffe erforderlich, die Lage wenigstens einer Objektkante dieser Werkstoffe zu ermitteln, um sie dann mittels einer Regeleinrichtung in die zur Bearbeitung erforderliche Sollage zu bringen. Dabei ist ein Verfahren anzuwenden, das eine Regelgröße in Abhängigkeit von der relativen Lage einer Objektkante zur Sollage liefert.
Bei bekannten Verfahren zum fotoelektrischen Bestimmen der Lage von mehreren dunklen Kennmarken werden diese in Sollage mit einer schwingenden Optik durch Gitteröffnungen auf einen fotoelektrischen Empfänger abgebildet. Die Lage der Kennmarken zu den Gitteröffnungen ist ein Maß für ihre Abweichung aus der Sollage. Diese Verfahren sind für das Bestimmen der relativen Lage einer Objektkante zu ihrer Sollage unbrauchbar, da die Anbringung von Kennmarken auf ein Objekt in vielen Fällen nicht möglich ist.
Ferner ist ein Verfahren zum fotoelektrischen Bestimmen der Position einer Kennmarke bekannt, bei dem die Abweichung dieser Marke aus der Sollage auf einer Kathodenstrahlröhre abgebildet wird. Diese Einrichtung erfordert einen erheblichen technischen Aufwand, liefert aber keinen elektrischen Meßwert, der zu Regel- oder Steuerzwecken verwendet werden kann.
Bei anderen bekannten Verfahren zum fotoelektrischen Bestimmen der Lage von Objekten wird durch das Objekt ein auf eine Fotozelle fallender Lichtstrahl mehr oder weniger abgedeckt. Das Objekt übt also eine Art Blendenwirkung aus und bestimmt dadurch die auf die Fotozelle fallende Lichtmenge. Der der Lichtmenge proportionale Fotostrom ist dabei ein Maß für die Lage des Objektes. Die auf diesem Prinzip beruhenden Verfahren sind dann nicht anwendbar, wenn infolge starker Verschmutzung der Umgebung noch zusätzliche Störgrößen auf den Lichtstrahl wirken und damit die auf die Fotozelle fallende Lichtmenge beeinflussen. Ein weiterer Nachteil dieser Verfahren ist, daß Lichtquelle und Fotozelle auf verschiedenen Seiten des Objektes liegen müssen. Auch hier sind zahlreiche Anwendungsfälle bekannt, bei denen eine derartige Anordnung von Lichtquelle und Fotozelle nicht möglich ist. Es sei nur als Beispiel die Aufgabe erwähnt, beim Schweißen der Längsnaht von Rohren die Lage der zusammenschweißenden Rohrhanten zu erfassen, um in Abhängigkeit von ihr die erforderlichen Schweißvorrichtungen zu steuern.
Die Nachteile der bekannten Verfahren werden bei einem Verfahren zum fotoelektrischen Bestimmen der relativen Lage wenigstens einer Kante eines sich hinsichtlich seiner Helligkeit von der seiner Umgebung merklich abhebenden Objektes, bei welchem mittels eines optischen Systems die Objektkante einschließlich deren Umgebung periodisch auf einen foto elektrischen Empfänger abgebildet und hierdurch mittels des foto elektrischen Empfängers eine Meßimpulsfolge erzeugt wird, dadurch vermieden, daß erfindungsgemäß in an sich bekannter Weise die Phasenlage der Einsätze der Meßimpulse relativ zu einer Vergleichsimpulsfolge gleicher Frequenz als Kriterium zur Lagebestimmung der Objektkante verwendet wird und daß die beiden Impulsfolgen einem an seinem Ausgang einen rechteckförmigen Wechselstrom liefernden Impulsgeber zugeführt werden, derart, daß der Gleichstrommittelwert des Wechselstromes in an sich bekannter Weise als ein Maß für die Abweichung der Objektkante von einer Sollage dient und entsprechende Regel- oder Steuersignale liefert.
Zur Gewinnung der Vergleichsimpulsfolge, die mit der Meßimpulsfolge vom fotoelektrischen Empfänger die gleiche Frequenz haben muß, empfiehlt es sich, hierzu die Ablenkvorrichtung selbst zu verwenden, so daß die Frequenz der beiden Impulsfolgen gleich der Ablenkfrequenz ist. Die Vergleichsimpulsfolge kann dabei durch fotoelektrische, dielektrische oder magnetische Anordnungen erzeugt werden.
Es wird nur selten möglich sein, das gesamte Objekt oder das interessierende Teilgebiet in seiner Gesamtheit auf den fotoelektrischen Empfänger abzubilden. Da das neue Verfahren oft angewendet werden wird, um in Abhängigkeit von der Lage des Objektes andere Arbeitsmittel zu steuern und diese Arbeitsmittel ebenfalls nur an einem kleinen Teilgebiet des Objektes angreifen können, ist es in vielen Fällen zweckmäßig, Objekt und Meßeinrichtung relativ gegeneinander beweglich anzuordnen. Die Meßeinrichtung wird dann immer in das Teilgebiet geführt, in dem die Arbeitsmittel wirksam werden sollen. Zur Erzielung einer Helligkeit des Objektes, die sich von der seiner Umgebung ausreichend unterscheidet, kann das Objekt beleuchtet oder so weit erwärmt werden, daß es selbst leuchtet. In dem letztgenannten Fall wird es häufig erforderlich sein, zu verhindern, daß eine schädliche Wärmestrahlung auf das optische System wirkt. In diesem Fall können in dem Strahlengang Kühlfilter od. dgl. zusätzlich angeordnet werden.
Das Verfahren nach der Erfindung und die Anordnungen zu seiner Durchführung sind besonders zur Messung des Istwertes in Regelkreisen geeignet.
Desgleichen sind sie mit Vorteil zur Ermittlung des Führungswertes für den Steuerwert in Steuerketten einzusetzen.
Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung erläutert.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung schematisch dargestellt. Der Darstellung liegt die Aufgabe zugrunde, einen der Lage der Kante des Objektes 1 proportionalen elektrischen Meßwert zu bekommen. Es sei angenommen, daß dieses Objekt sich auf einer solchen Vortemperatur befindet, daß es selbst leuchtet. Die Kante und ihre Umgebung werden dann über den Umlenkspiegel 2, die Linse 3 und den rotierenden sechsilächigen Drehspiegel 4 periodisch auf den fotoelektrischen Empfänger 5 abgebildet. Der Strahlengang ist nur durch die optische Achse 6 angedeutet. Er wird durch Blenden 7 begrenzt. Bei der Anordnung überstreicht die Abbildung der Kante des Objektes 1 und dessen Umgebung durch den rotierenden Drehspiegel 4 periodisch den fotoelektrischen Empfänger 5. Die Dauer der Belichtung des fotoelektrischen Empfängers 5 hängt von der Größe des abgebildeten Gebietes des Objektes 1 ab. Ragt das Objekt 1 weit in das abgebildete Gebiet, beginnt die Belichtung des fotoelektrischen Empfängers 5 relativ früh; ragt das Objekt 1 nur wenig in das abgebildete Gebiet, beginnt die Belichtung relativ spät. Je nach Dauer der Belichtung wird im fotoelektrischen Empfänger 5 ein entsprechend langer Rechteckimpuls erzeugt, der im folgenden als Meßimpuls bezeichnet wird. Wichtig für die Messung ist der Beginn der Abbildung des Objektes 1 mit seiner Kante auf den fotoelektrischen Empfänger 5, der den Meßimpulseinsatz gibt.
Die Flächen des Drehspiegels 4 sind von Magnetjochen 8 begrenzt, die an einer Induktionsspule 9 vorbeilaufen. Dadurch werden synchron zu den Meßimpulsen von dem fotoelektrischen Empfänger5Vergleichsimpulse in der Induktionsspule 9 erzeugt.
Da der Drehspiegel 4 sechs Flächen und sechs Magnetjoche hat, entsteht bei der Rotation des Spiegels mit 50 U/sec sowohl am fotoelektrischen Empfänger 5 wie auch an der Induktionsspule 9 eine Impulsfrequenz von 300 Hz.
Die relative Phasenlage des Impulseinsatzes der Meßimpulsfolge von dem fotoelektrischen Empfänger 5 zur Vergleichsimpulsfolge dient zur Ortsbestimmung der Objektkante. Bei Einhaltung der Sollage der zu überwachenden Kante des Objektes 1 fällt der Impulseinsatz eines Meßimpulses zeitlich genau mitten zwischen zwei Vergleichsimpulse. Bei der Abweichung der Kanten des Objektes 1 aus der Sollage wird der Impulseinsatz der Meßimpulsfolge zeitlich verschoben.
Die beiden Impulsfolgen werden auf die zwei Eingänge eines Impulsgebers 10 geleitet. Dieser ist derart ausgelegt, daß an seinem Ausgang eine positive oder negative Spannung gleichen Absolutbetrages entsteht, je nachdem, auf welche seiner zwei Eingänge der letzte Impuls gegeben wurde. Der Impulsgeber 10 ist nun so anzuschließen, daß er einerseits beim Eintreffen eines Impulseinsatzes eines Meßimpulses, andererseits beim Eintreffen desVergleichsimpulses anspricht. Durch die beiden Impulsfolgen entsteht am Ausgang des Impulsgebers 10 ein rechteckförmiger Wechselstrom. Befindet sich die zu überwachende Kante des Objektes 1 in der Sollage, so enthält der rechteckförmige Wechselstrom keinen Gleichstromanteil; positive und negative Halbwellen sind zeitlich gleich lang. Bei der Abweichung der Kante des Objektes 1 aus der Sollage ist die zeitliche Länge der positiven und negativen Halbwellen ungleich, so daß der rechteckförmige Wechselstrom einen Gleichstrommittelwert annimmt, der im Meßgerät 11 angezeigt wird. Der angezeigte Wert ist ein Maß für die relative Lage der Kante des Objektes 1 zur Sollage. Die Skala des Meßinstrumentes 11 kann daher in entsprechende Einheiten unterteilt werden.
Dieser Meßwert kann einer Steuerkette oder einem Regelkreis zugeführt werden und so zur Verstellung der in Abhängigkeit von der Lage des Objektes zu beeinflussenden Größen der Geräte dienen.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zum fotoelektrischen Bestimmen der relativen Lage wenigstens einer Kante eines sich hinsichtlich seiner Helligkeit von der seiner Umgebung merklich abhebenden Objektes, bei welchem mittels eines optischen Systems die Ob jektkante einschließlich deren Umgebung periodisch auf einen fotoelektrischen Empfänger abgebildet und hierdurch mittels des fotoelektrischen Empfängers eine Meßimpulsfolge erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die Phasenlage der Einsätze der Meßimpulse relativ zu einer Vergleichsimpulsfolge gleicher Frequenz als Kriterium zur Lagebestimmung der Objektkante verwendet wird und daß die beiden Impulsfolgen einem an seinem Ausgang einen rechteckförmigen Wechselstrom liefernden Impulsgeber (10) zugeführt werden, derart, daß der Gleichstrommittelwert des Wechselstromes in an sich bekannter Weise als ein Maß für die Abweichung der Objektkante von einer Sollage dient und entsprechende Regel-oder Steuersignale liefert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder Abbildung der Kante des Objektes (1) und seiner Umgebung durch den foto elektrischen Empfänger(5) nur ein einziger Meßimpuls erzeugt wird.
3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur periodischen Unterbrechung der Abbildung auf den fotoelektrischen Empfänger (5) in dem Strahlengang ein rotierendes Polygonprisma oder ein rotierender Polygonspiegel (4) angeordnet ist.
4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur periodischen Unterbrechung der Abbildung auf den fotoelektrischen Empfänger (5) in den Strahlengang eine rotierende Blendenscheibe, beispielsweise eine Schlitzscheibe, angeordnet ist.
5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit der rotierenden Umlenkeinrichtung ein mechanischer, fotoelek- trischer, induktiver oder dielektrischer Signalgeber(9) gekoppelt ist.
6. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Flächen des Polygonprismas oder des Polygonspiegels bzw. den einzelnen Blenden der Blendenscheibe Magnetjoche (8) angeordnet sind, die zur Erzeugung von Vergleichsimpulsen in einer Induktionsspule (6) dienen.
7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Lage ausgedehnter Objekte die Meßanordnung gegenüber dem Objekt verstellbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 876161, 876162, 884 245, 890 420; deutsche Auslegeschrift Nr. 1 004 386; schweizerische Patentschriften Nr. 281 171, 280 542, 315 921; britische Patentschriften Nr. 743 577, 773 494.