DE19508397C2 - Optoelektronische Vorrichtung zum Erkennen von Marken - Google Patents
Optoelektronische Vorrichtung zum Erkennen von MarkenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Hauptpatent P 44 24 008.
Dort sind an einem Zielobjekt Referenz-Marken angeordnet, in deren Konstrast
mustern die Positionen der Referenz-Marken kodiert sind. Wird ein Objekt, auf
dem die optoelektronische Vorrichtung installiert ist, an dem Zielobjekt vorbei
bewegt, trifft der Sendelichtstrahl der Vorrichtung auf die Referenz-Marken. In
der Auswerteeinheit wird die in den Empfangssignalen enthaltene Ortsinforma
tion 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. Zudem kann in den Referenz-Marken deren Absolutort
kodiert sein. Dadurch kann ein fortlaufendes Ausrichten des Objekts bezüglich
eines vorgegebenen Fixpunktes vermieden werden.
Die Referenz-Marken können ohne großen Aufwand an den Zielobjekten ange
bracht werden. Bei Bedarf können die Referenz-Marken einfach ausgetauscht
oder versetzt werden. Dies gewährleistet eine hohe Flexibilität und einfache
Handhabbarkeit beim Installieren der Vorrichtung. Zudem sind die
Referenz-Marken kostengünstig herstellbar.
Mittels der Vorrichtung erfolgt eine Positionierung in einer vorgegebenen Raum
richtung.
Der Erfindung liegt in Weiterbildung des Gegenstands des Hauptpatentes die Auf
gabe zugrunde, eine Positionierung der Vorrichtung relativ zu einem Zielobjekt
in zwei Raumrichtungen zu gewährleisten.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.
Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin
dung sind in den Ansprüchen 2-7 beschrieben.
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,
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel zweier in einem Rahmen angeordneter
Testmarken.
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 Sende
element 3 besteht aus einem Sender 6, vorzugsweise einer Laserdiode, sowie aus
einer dem Sender 6 vorgeschalteten Sendeoptik 7 zur Fokussierung des Sende
lichtstrahls 8. Der fokussierte Sendelichtstrahl 8 wird über eine Ablenkeinheit
9, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel von einem rotierenden Polygon
spiegelrad gebildet 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.
Der vom Barcode 2 reflektierte Empfangslichtstrahl 10 wird über das Polygon
spiegelrad zum Empfangselement 4 geführt. Das Empfangselement 4 besteht aus
einer Photodiode 11, in der der Empfangslichtstrahl 10 in ein elektrisches
Empfangssignal gewandelt wird, und einem dieser nachgeschalteten Verstärker
12. Zur Verbesserung der Nachweisempfindlichkeit ist dem Empfangselement
4 eine Empfangsoptik 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 weist
das Regalbediengerät 14 nicht dargestellte Greifarme auf. Die Greifarme sind
mit der Vorrichtung 1 starr verbunden und höhenverstellbar am Regalbediengerät
14 gelagert. 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 ein
zelnen Regalfächern 16 angebracht sind.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden zwei unterschiedliche Typen von
Referenz-Marken 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 horizon
taler und vertikaler Richtung aneinandergereiht. Ihre Frontseiten weisen recht
eckige Querschnitte auf. Zur Unterscheidung der Regalfächer 16 sind diese in
horizontaler und vertikaler Richtung jeweils mit einer fortlaufenden Nummer ge
kennzeichnet.
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 Referenz-Marken 17a, b zur
Positionierung verwendet. Dieser Fall soll im folgenden betrachtet werden. Alter
nativ kann die Abtastebene des Sendelichtstrahls 8 um 90° gedreht sein, so daß
der Sendelichtstrahl 8 in horizontaler Richtung geführt wird. In diesem Fall wer
den die an den seitlichen Rändern der Regalfächer 16 angeordneten
Referenz-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 zur Längsachse der Referenz-Marke 17b geführt. Um dies
zu gewährleisten wird die Vorrichtung 1 von Inbetriebnahme justiert.
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.
Die Referenz-Marken 17b zur Feinpositionierung sind jeweils zwischen zwei Re
ferenz-Marken 17a zur Grobpositionierung angeordnet.
Anhand des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels wird im folgenden die
Positionierung des vom Regalbediengerät 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. Dabei wird
zunächst die Positionierung in Fahrtrichtung des Regalbediengeräts 14 erläutert.
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 stam
menden Empfangssignale und übermittelt die Positionsdaten an eine nicht darge
stellte 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 Zielgröße
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 Zuordnung
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 ent
sprechende Regalfachnummer in der Rechnereinheit registriert wurde, trifft der
Sendelichtstrahl 8 auf die Referenz-Marke 17b zur Feinpositionierung.
Bei vorgegebener Fahrgeschwindigkeit verweilt der Sendelichtstrahl 8 für vor
gegebene Zeitintervalle auf den einzelnen Segmenten. Diese Werte sind zweck
mäßigerweise 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 vordringt,
desto stärker wird die Geschwindigkeit des Regalbediengerätes 14 reduziert.
Wird schließlich das Muster des zentralen Segments der Referenz-Marke 17b
registriert, wird das Regalbediengerät 14 angehalten, da es seine Zielposition
erreicht hat.
Durch Vorgabe der Breite des zentralen Segments der Referenz-Marke 17b kann
die Genauigkeit der Positionierung auf einfache Weise vorgegeben werden.
Zusätzlich zur Positionierung in Fahrtrichtung des Regalbediengeräts 14 kann die
Vorrichtung 1 zusammen mit den Greifarmen des Regalbediengeräts 14 senk
recht zur Fahrtrichtung positioniert werden. Hierzu ist die Vorrichtung 1 höhen
verstellbar am Regalbediengerät 14 angeordnet.
Zur Bestimmung der Sollhöhe der Vorrichtung 1 ist, wie aus den Fig. 2 und
4 ersichtlich ist, an einer Halterung 18 ein Rahmen 19 befestigt. Der Rahmen
19 weist in der Mitte eine Öffnung 20 auf, durch die der Sendelichtstrahl 8 hin
durch tritt. Die Öffnung 20 ist in Abtastrichtung des Sendelichtstrahls 8 so groß
gewählt, daß der durch die Öffnung 20 tretende Sendelichtstrahl 8 die an der Re
galwand 15 angeordneten Referenz-Marken 17a, b vollständig erfaßt.
Auf den Rahmen 19 sind zwei Testmarken 21, 22 aufgebracht. Die Testmarken
21, 22 sind in einer Ebene senkrecht zur Abtastebene, in der der Sendelichtstahl
8 verläuft angeordnet. Die Strichelemente der Testmarken 21, 22 verlaufen senk
recht zur Abtastrichtung des Sendelichtstrahls 8 in horizontaler Richtung. Vor
zugsweise befinden sich die Testmarken 21, 22 in einem Abstand von ca.
50-100 cm zur Vorrichtung 1.
Das Funktionsprinzip der Positionierung ist insbesondere aus Fig. 4 ersichtlich.
Der Sendelichtstrahl 8 wird bei einer Abtastung zuerst über die Testmarke 21
geführt und tritt dann durch die Öffnung 20. Dabei erfaßt er die am Regalfach
15 angeordnete Referenz-Marke 17b. Schließlich trifft der Sendelichtstrahl 8 auf
die Testmarke 22.
Vorteilhafterweise sind die Breiten der Strichelemente der Testmarken 21, 22 in
der Auswerteeinheit 5 abgespeichert. Somit kann durch Erfassen der Zeitpunkte
der Detektion der Testmarken 21, 22 der momentane Absolutort des Sende
lichtstrahls 8 bestimmt werden.
Nach einer Abtastung werden die Abstände d₁, d₂ der Referenz-Marke 17b zu
den Testmarken 21, 22 bestimmt. Die Testmarken 21, 22 sind bezüglich des
Sendelichtstrahls 8 so angeordnet, daß die Vorrichtung 1 relativ zur Referenz-Marke
17b dann richtig postitioniert ist, wenn die Abstände d₁ und d₂ gleich
groß sind.
Sind die Abstände d₁ und d₂ unterschiedlich, so wird die Differenz der Abstände
an die zentrale Rechnereinheit weitergegeben. Über die zentrale Rechnereinheit
wird ein Motor zur Höhenverstellung der Greifarme, die mit der Vorrichtung 1
verbunden sind, angesteuert, bis die Abstände d₁ und d₂ denselben Wert
annehmen.
Die Richtung der Höhenverstellung ergibt sich aus dem Vorzeichen der Diffe
renz d₁-d₂. Hierzu müssen in der Vorrichtung 1 die Abstandswerte d₁ und d₂
unterschieden werden können. Dies kann zum einen durch die Abtastrichtung
des Sendelichtstrahls 8 ermittelt werden. Wenn die Testmarke 21 vom Sende
lichtstrahl 8 zuerst abgetastet wird, wird der Abstand d₁ vor dem Abstand d₂ er
mittelt, so daß hierdurch eine Unterscheidung von d₁ und d₂ ermöglicht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die Testmarken 21, 22
unterschiedliche Strichmuster auf, so daß durch die Detektion der unterschied
lichen Testmarken 21, 22 eine Unterscheidung von d₁ und d₂ ermöglicht wird.
Die vertikale Positionierung kann immer dann erfolgen, wenn eine der Referenz-Marken
17a, 17b durch die Öffnung 20 des Rahmens 19 hindurch erfaßt wird.
Die vertikale Postitionierung kann demzufolge während der Grob- und der
Feinpositionierung in horizontaler Richtung erfolgen.
Claims (7)
1. Optoelektronische Vorrichtung zum Erkennen von mit definierten Kon
trastmustern versehenen Marken mit einem Sendeelement und einem
Empfangselement, wobei an einem relativ zur Vorrichtung beweglichen
Zielobjekt Referenz-Marken angeordnet sind, in deren Kontrastmustern die
Positionen der Referenz-Marken kodiert sind, welche von der optoelek
tronischen Vorrichtung zu deren Positionierung relativ zum Zielobjekt
gelesen und in einer Auswerteeinheit durch Vergleich mit Sollwerten
ausgewertet werden, wobei in Längsrichtung, in welcher die Bewegung der
Vorrichtung relativ zum Zielobjekt erfolgt, am Zielobjekt drei
Referenz-Marken mit in Längsrichtung verlaufenden, die Kontrastmuster bildenden
Strichelementen vorgesehen sind, welche von einem vom Sendeelement
emittierten, senkrecht zur Bewegungsrichtung geführten Sendelichtstrahl
abgetastet werden, wobei den Kontrastmustern der beiden äußeren
Referenz-Marken die Absolut-Positionen der Referenz-Marken kodiert
sind, wobei bei der Positionierung eine der Referenz-Marken zur
Grobpositionierung der Vorrichtung zum Zielobjekt abgetastet wird, wobei
das Kontrastmuster der mittleren Referenz-Marke in Bewegungsrichtung
eine vom Ort eindeutige funktionale Abhängigkeit aufweist, welche die
Zielposition, auf die die Vorrichtung auszurichten ist, beinhaltet und
wobei anschließend an die Grobpositionierung zur Feinpositionierung auf
die Zielposition die Kontrastmarke von der Vorrichtung abgetastet wird
nach Patent 44 24 008, dadurch gekennzeichnet, daß in vorgegebenem
Abstand zur Vorrichtung (1) in Bewegungsrichtung des Sendelichtstrahls
(8) in Abstand zueinander zwei Testmarken (21, 22) so angeordnet sind,
daß mittels des zwischen den Testmarken (21, 22) durchtretenden
Sendelichtstrahls (8) die Referenz-Marken (17a, b) erfaßbar sind, wobei die
Abstände (d1, d2) der Referenz-Marken (17a, b) zu den Testmarken (21,
22) zur Positionierung der Vorrichtung (1) in der Auswerteeinheit (5) aus
gewertet werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese starr mit
Greifarmen verbunden ist, welche höhenverstellbar an einem das Objekt
bildenden Fahrzeug angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ziel
objekte von in einer Regalwand (15) angeordneten Regalfächern (16) ge
bildet sind.
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
die Breiten der Strichelemente der Testmarken (21, 22) in der Aus
werteeinheit (5) abgespeichert sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Testmarken (21, 22) unterschiedliche Strichmuster aufweisen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß
diese in einem Abstand von 50-100 cm von den Testmarken (21, 22)
angeordnet ist.
Priority Applications (2)
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Family Applications (1)
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