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Die Erfindung betrifft eine Reflexionslichtschranke gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine derartige Reflexionslichtschranke bildet einen sogenannten binär schaltenden Sensor zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich. Der Überwachungsbereich ist durch einen Reflektor begrenzt, auf welchen bei freiem Überwachungsbereich die Sendelichtstrahlen der Reflexionslichtschranke ungehindert auftreffen. Liegt ein Eingriff eines Objekts im Überwachungsbereich vor, so wird der Strahlengang der Sendelichtstrahlen zum Reflektor unterbrochen. Dies wird in der Auswerteeinheit registriert, wodurch in dieser eine Objektmeldung generiert wird.
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Weitere optische Sensoren dieser Art stellen Lichttaster dar. Diese arbeiten ohne Reflektor und bilden sogenannte energetische Taster. Bei freiem Überwachungsbereich wird von den Sendelichtstrahlen, die der Sender des Lichttasters emittiert, kein Licht zum Empfänger zurückreflektiert. Erst wenn ein Objekt in den Überwachungsbereich eintritt, werden vom Objekt als Empfangslichtstrahlen zurückreflektierte Sendelichtstrahlen auf den Empfänger des Lichttasters geführt. Die Menge des Empfangslichts ist abhängig von Reflexionsgrad der Objektoberfläche und der Distanz des Objekts zum Lichttaster.
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Es ist bekannt, derartige Lichttaster auch zu Positionierungsaufgaben einzusetzen, das heißt zur Erfassung der Position und/oder Geschwindigkeit eines relativ zum Lichttaster bewegten Objekts.
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Hierzu ist auf dem Lichttaster ein Positionsband angeordnet, das eine alternierende Folge dunkler und heller Flächensegmente aufweist. Da mit Lichttastern allgemein nur diffus reflektierende Objekte sicher erkannt werden können, besteht das Positionsband aus Flächensegmenten mit diffus reflektierenden Oberflächen. Um einen möglichst großen Kontrast zu erhalten, werden Folgen von hellen Flächensegmenten mit Reflexionsgraden von etwa 90% und dunklen Flächensegmenten mit Reflexionsgraden von etwa 6% verwendet. Dennoch muss, um diese Flächensegmente sicher unterscheiden zu können, die Empfindlichkeit des Lichttasters in sehr engen Grenzen auf das so gebildete Positionsband abgestimmt werden, was zeitaufwändig ist. Insbesondere ist bei einem Nachrüsten eines Lichttasters stets ein Neuabgleich erforderlich. Weiterhin muss die Einstellung infolge von Temperaturdriften und ähnlichen Parametern in bestimmten Zeitabständen nachgeführt werden. Zudem besteht selbst bei kleinen Störungen, insbesondere einer Verschmutzung des Positionsbands, die Gefahr, dass die hellen und dunklen Flächensegmente mit dem Lichttaster nicht mehr unterschieden werden können.
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Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Messwerte des Lichttasters nicht nur distanzabhängig sondern auch winkelabhängig sind, insbesondere aufgrund der Tatsache, dass die Stahlachsen der Sendelichtstrahlen und der Empfangslichtstrahlen in einem Winkel V-förmig verlaufen. Dies bedeutet, dass bei der Einstellung des Lichttasters auch genau dessen Orientierung zum Positionsband vorgegeben werden muss.
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Schließlich können Fehlstellen im Positionsband von glänzenden Stellen zu einer Übersteuerung des Lichttasters führen, was zu Fehldetektionen führen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sichere und reproduzierbare Positionsbestimmung mittels eines optischen Sensors zu ermöglichen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Reflexionslichtschranke umfasst einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger und eine Auswerteeinheit, in welcher am Ausgang des Empfängers anstehende Empfangssignale ausgewertet werden. Zur Erfassung der Position und/oder Geschwindigkeit eines sich relativ zur Reflexionslichtschranke bewegenden Objekts ist auf diesem ein Positionsband mit einer alternierenden Folge von retroreflektierenden Reflektorflächen und diffus reflektierenden Abdeckflächen angeordnet. Die Reflektorflächen und Abdeckflächen werden mittels der Sendelichtstrahlen abgetastet.
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Durch den Einsatz einer Reflexionslichtschranke wird eine sichere, zweckmäßige und reproduzierbare Position- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung ermöglicht.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch den Einsatz der Reflexionslichtschranke ein Positionsband verwendet werden kann, das aus einer alternierenden Folge von retroreflektierenden Reflektorflächen und diffus reflektierenden Abdeckflächen besteht. Der Kontrastunterschied der Reflektorflächen und Abdeckflächen ist so groß, dass eine Empfindlichkeitseinstellung der Reflektorflächen entfallen kann. Zudem ist eine sichere Unterscheidung der Reflektorflächen und Abdeckflächen selbst bei vorhandenen Störeinflüssen wie Temperaturdriften der Reflexionslichtschranke oder auch Verschmutzungen der Reflexionslichtschranke oder des Positionsbands noch gewährleistet.
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Vorteilhaft ist das Positionsband von einem Reflektorband gebildet. Die Segmente des Reflektorbands sind mit Abdeckungen abgedeckt, welche die Abdeckfläche bilden. Die freibleibenden Segmente des Reflektorbands bilden die Reflektorflächen.
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Das so ausgebildete Positionsband kann sehr einfach und kostengünstig hergestellt werden, da die Abdeckungen schnell und einfach durch Festkleben oder dergleichen auf dem Reflektorband fixiert werden können. Auch eine Reparatur defekter Abdeckungen kann so einfach durchgeführt werden. Das Reflektorband selbst bildet insbesondere in Form einer Reflexfolie ein kostengünstiges, einfach verarbeitbares Teil.
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Besonders vorteilhaft weist die Reflexionslichtschranke einen Strahlteiler auf, mittels dessen ein koaxialer Strahlverlauf der Sendelichtstrahlen und Empfangslichtstrahlen erhalten wird.
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Dadurch wird die Ausrichtung der Reflexionslichtschranke relativ zum Positionsband erleichtert, da die Detektion des Positionsbands weitgehend unabhängig vom Einfallswinkel der Sendelichtstrahlen der Reflexionslichtschranke ist.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dem Sender im Strahlengang der Sendelichtstrahlen ein erstes Polarisationsfilter nachgeordnet und dem Empfänger im Strahlengang der Empfangslichtstrahlen ein zweites Polarisationsfilter vorgeordnet. Die Polarisationsrichtungen der Polarisationsfilter sind um 90° gegeneinander gedreht.
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Durch den Einsatz der Polarisationsfilter wird die Detektionssicherheit der Reflexionslichtschranke bei der Abtastung des Positionsbands weiter erhöht, da damit die polarisierenden Eigenschaften der retroreflektierenden Reflektorflächen optimal ausgenutzt werden. Die durch den ersten Polarisationsfilter erhaltene Polarisation wird bei Reflexion an den Reflektorflächen um 90° gedreht. Da die Polarisationsrichtung der beiden Polarisationsfilter auch um 90° gedreht ist, treffen somit die von den Reflektorflächen reflektierenden Empfangslichtstrahlen ungehindert auf den Empfänger. Die von den Abdeckflächen reflektierten Empfangslichtstrahlen werden jedoch vom Polarisationsfilter vor dem Empfänger ausgefiltert, insbesondere auch dann, wenn diese glänzende, das heißt gerichtet reflektierende Stellen aufweisen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die eine alternierende Folge bildenden Refektorflächen und Abdeckflächen jeweils flächengleich. Der Strahldurchmesser der Sendelichtstrahlen ist kleiner als die Längen der Reflektorflächen und Abdeckflächen in Bewegungsrichtung des Objekts. Das Positionsband ist in Bewegungsrichtung des Objekts orientiert und verläuft längs einer Geraden. Zur Positions- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung werden nacheinander abgetastete Reflektorflächen und Abdeckflächen gezählt.
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Durch die Anpassung der Größen der Reflektorflächen und Abdeckflächen an die Strahldurchmesser der Sendelichtstrahlen ist gewährleistet, dass bei der Bewegung des Objekts die Reflektorflächen und Abdeckflächen mit den Sendelichtstahlen einzeln nacheinander erfasst werden. Da die Größen der Reflektorflächen und Abdeckflächen alle gleich sind und diese in der Auswerteeinheit der Reflexionslichtschranke als Parameterwerte hinterlegt sind, kann durch einfaches Zählen der mit den Sendelichtstrahlen detektierten Reflektorflächen und Abdeckflächen eine Positionsbestimmung des Objekts erfolgen. Durch Bezug auf die Zeitintervalle aufeinanderfolgender Detektionen von Reflektorflächen und Abdeckflächen kann die Geschwindigkeit des Objekts bestimmt werden.
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Durch das Zählen von Reflektorflächen und Abdeckflächen wird nur eine relative Positionsinformation gewonnen.
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Um eine Absolutortsinformation zu erhalten wird die Zählung der Reflektorflächen und Abdeckflächen von einem Fixpunkt aus gestartet.
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Eine besonders einfache Variante sieht vor, dass das Positionsband wenigstens eine Unterbrechung der alternierenden Folge von Reflektorflächen und Abdeckflächen aufweist, welche den Fixpunkt definiert. Die Unterbrechung ist von einem Flächensegment des Reflektorbands oder der Abdeckung gebildet, welches größer ist als die Reflektorfläche und Abdeckfläche.
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Zur Bestimmung der Absolutposition des Fixpunkts wird vor Beginn des Arbeitsbetriebs mit der Reflexionslichtschranke eine Referenzfahrt durchgeführt, wodurch für den von der Unterbrechung gebildeten Fixpunkt der Absolutort bestimmt wird.
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Alternativ ist die Unterbrechung von einem auf dem Positionsband angeordneten Barcode gebildet, in dessen Kodierung dessen Absolutort enthalten ist.
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Da nun bereits im Barcode die Absolutortsinformation enthalten ist und mit der Reflexionslichtschranke ausgelesen werden kann, kann eine Referenzfahrt zur Absolutortsbestimmung entfallen.
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Vorteilhaft besteht die Reflexionslichtschranke aus einer Mehrfachanordnung mit zwei Reflexionslichtschranken, wobei jeder Reflexionslichtschranke ein Positionsband zugeordnet ist. Die Positionsbänder verlaufen parallel zueinander und in Bewegungsrichtung des Objekts und sind dabei in Bewegungsrichtung gegeneinander versetzt. Der Versatz entspricht einer halben Länge einer Reflektorfläche oder Abdeckfläche. Die Empfangssignale der Empfänger beider Reflexionslichtschranken werden in einer Auswerteeinheit ausgewertet und daraus die Richtung der Bewegung des Objekts ermittelt.
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Mit dieser Mehrfachanordnung wird somit eine erweiterte Funktionalität erhalten.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1: Perspektivische Darstellung einer Reflexionslichtschranke mit einem zugeordneten Positionsband.
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2: Schnittdarstellung der Anordnung gemäß 1.
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3: Spezielle Ausführungsform eines Positionsbands.
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4: Parallelanordnung zweier Positionsbänder.
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5: Applikationsbeispiel zur Positionsbestimmung eines Staplers mittels zweier Anordnungen gemäß den 1 und 2.
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Die 1 und 2 zeigen eine Reflexionslichtschranke 1 mit einem zugeordneten Positionsband 2. Die Reflexionslichtschranken 1 und Positionsbänder 2 bilden eine Vorrichtung zur Position- und Geschwindigkeitsbestimmung, wobei hierzu das Positionsband 2 an einem nicht dargestellten Objekt angeordnet ist, dass relativ zur Reflexionslichtschranke 1 bewegt werden kann. Diese Relativbewegung wird mit der Reflexionslichtschranke 1 dadurch erfasst, dass bei der Bewegung, die im vorliegenden Fall in der in den 1 und 2 mit x bezeichneten Bewegungsrichtung erfolgt, nacheinander Reflektorflächen 3 und Abdeckflächen 4, die an der Oberseite des Positionsbands 2 freiliegen, erfasst werden.
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Das Positionsband 2 besteht dabei aus einem retroreflektierenden Reflektorband, insbesondere einer Reflexfolie. Auf das Reflektorband sind in äquidistanten Abständen Abdeckungen aufgebracht und fixiert, insbesondere durch Klebemittel. Die Oberflächen der Abdeckungen bilden dann die Abdeckflächen 4, während die freibleibenden Segmente des Reflektorbandes die Reflektorflächen 3 bilden. Die Abdeckungen bestehen aus einem diffus reflektierenden, vorzugsweise dunklen Material, dass das Reflektorband dicht abdeckt, das heißt das Reflektorband scheint nicht durch die Abdeckungen durch.
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Die dadurch gebildeten Reflektorflächen 3 und Abdeckflächen 4 weisen in Bewegungsrichtung x alle dieselbe Länge d1 = d2 auf. Zudem sind sämtliche Reflektorflächen 3 und Abdeckflächen 4 sogar flächengleich.
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Die Reflexionslichtschranke 1, die zur Erfassung der Reflektorflächen 3 und Abdeckflächen 4 dient, weist, wie aus 2 ersichtlich, einen Sendelichtstrahlen 5 emittierenden Sender 6 in Form einer Leuchtdiode oder dergleichen und einen Empfangslichtstrahlen 7 empfangenden Empfänger 8 in Form einer Photodiode oder dergleichen auf. Die Komponenten der Reflexionslichtschranke 1, insbesondere eine Auswerteeinheit in Form eines Microcontrollers oder dergleichen, sind in einem Gehäuse 9 integriert. In der Frontwand des Gehäuses 9 befindet sich eine Linse 10, die eine Sende- und Empfangsoptik bildet. Die vom Sender 6 emittierten und in einen Überwachungsbereich abgestrahlten Sendelichtstrahlen 5 und die aus dem Überwachungsbereich ankommenden Empfangslichtstrahlen 7 werden koaxial im Überwachungsbereich und durch die Linse 10 geführt. Diese koaxiale Strahlführung wird mittels eines Strahlteilers 11 erhalten, über welchen die Sendelichtstrahlen 5 und Empfangslichtstrahlen 7 geführt sind. Schließlich ist dem Sender 6 ein erstes Polarisationsfilter 12 im Strahlengang der Sendelichtstrahlen 5 unmittelbar nachgeordnet, während dem Empfänger 8 im Strahlengang der Empfangslichtstrahlen 7 ein zweites Polarisationsfilter 13 unmittelbar nachgeordnet ist. Die Polarisationsrichtungen der Polarisationsfilter 12, 13 sind um 90° gegeneinander gedreht.
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Mit der Reflexionslichtschranke 1 können die Reflektorflächen 3 und Abdeckflächen 4 einzeln detektiert und sicher voneinander unterschieden werden. Hierzu ist der Strahldurchmesser der Sendelichtstrahlen 5 kleiner als die Ausdehnungen der Reflektorflächen 3 und Abdeckflächen 4 in Bewegungsrichtung. Da die Sendelichtstrahlen 5 und Empfangslichtstrahlen 7 im Überwachungsbereich koaxial verlaufen, muss die Strahlachse der Sendelichtstrahlen 5 nicht senkrecht zur oberen Oberfläche des Positionsbands 2 orientiert sein. Vielmehr ist eine Detektion der Reflektorflächen 3 und Abdeckflächen 4 auch dann möglich, wenn die Strahlachse geneigt zur Oberfläche des Positionsbands 2 verläuft.
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Weiterhin ist die Reflexionslichtschranke 1 durch die Polarisationsfilter 12, 13 optimal an die retroreflektierenden Eigenschaften der Reflektorflächen 3 angepasst. Die Polarisationsrichtung der mit dem Polarisationsfilter 12 linear polarisierten Sendelichtstrahlen 5 wird bei der Reflektion an der Reflektorfläche 3 um 90° gedreht. Dadurch können die von den Reflektorflächen 3 als Empfangslichtstrahlen 7 reflektierten Sendelichtstrahlen 5 das Polarisationsfilter 13 nahezu vollständig durchsetzten, so dass diese vollständig auf den Empfänger 8 treffen.
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Bei der Reflexion der Sendelichtstrahlen 5 an den Abdeckflächen 4 tritt jedoch keine solche Drehung der Polarisationsrichtung der Sendelichtstrahlen 5 auf, auch dann nicht, wenn diese lokal glänzende Stellen aufweisen.
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Somit wird bei der Detektion der Reflektorflächen 3 eine sehr große Amplitude der Empfangssignale am Ausgang des Empfängers 8 erhalten. Dagegen wird bei Detektion der Abdeckflächen 4 eine sehr kleine Amplitude der Empfangssignale erhalten. Damit können beispielsweise durch eine Schwellwertbewertung der Empfangssignale in der Auswerteeinheit die Reflektorflächen 3 von den Abdeckflächen 4 sicher unterschieden werden.
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Eine Bestimmung von Relativpositionen des Positionsbands 2 zur Reflexionslichtschranke 1 und damit eines Objekts zur Reflexionslichtschranke 1 erfolgt dadurch, dass bei Vorbeibewegen des Positionsbands 2 an der Reflexionlichtschranke 1 die nacheinander detektierten Reflektorflächen 3 und Abdeckflächen 4 gezählt werden. Der Quotient dieser Relativpositionswerte mit den Zeitintervallen, innerhalb derer die Reflektorflächen 3 und Abdeckflächen 4 erfasst werden, liefert die Objektgeschwindigkeit. Beide Kenngrößen werden in der Auswerteeinheit berechnet.
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Um die Absolutpositionen bestimmen zu können, müssen die Relativwerte auf einen bekannten Fixpunkt bezogen werden. Dieser kann, wie das Beispiel gemäß 3 zeigt, in das Positionsband 2 integriert werden. Bei dem Positionsband 2 gemäß 3 ist die Folge der alternierenden Reflektorflächen 3 und Abdeckflächen 4 durch ein größeres Flächensegment 14 unterbrochen, das im vorliegenden Fall vom Reflektorband gebildet ist. Alternativ könnte das Flächensegment 14 auch von der Abdeckung oder einer anderen Schicht, die von dem Reflektorband und der Abdeckung unterschieden werden kann, gebildet sein.
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Während einer Referenzfahrt wird die Reflexionslichtschranke 1 relativ zum Positionsband 2 solange verfahren, bis mit der Reflexionslichtschranke 1 das Flächensegment 14 erkannt worden ist und diesem eine bestimmte Absolutposition zugewiesen werden kann. Während des auf die Referenzfahrt folgenden Arbeitsbetriebs werden dann ausgehend vom Fixpunkt die Reflektorflächen 3 und Abdeckflächen 4 gezählt, so dass diese dann zusammen mit der Fixpunktinformation die Absolutpositionen liefern.
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Anstelle eines homogenen Flächensegments 14 kann das Positionsband 2 einen Barcode aufweisen, in dem dessen Absolutposition kodiert ist. Diese Information kann unmittelbar zur Referenzierung der Relativpositionswerte, die durch Erfassen der Reflektorflächen 3 und Abdeckflächen 4 erhalten werden, verwendet werden. Damit entfällt die Referenzfahrt.
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4 zeigt eine Variante der Anordnung gemäß den 1 und 2 derart, dass zwei in Abstand zueinander parallel verlaufende, identische Positionsbänder 2 vorgesehen sind, deren Längsachsen sich in Bewegungsrichtung x des Objekts erstrecken. Die Längen d1 der Reflektorflächen 3 und die Längen d2 der Abdeckflächen 4 sind wieder identisch. Die Positionsbänder 2 sind dabei um eine halbe Länge d1 beziehungsweise d2 versetzt zueinander. Die Positionsbänder 2 werden simultan mit jeweils einer Reflexionslichtschranke 1 abgetastet. In einer übergeordneten Auswerteeinheit, die im einfachsten Fall von einer der Auswerteeinheiten der Reflexionslichtschranke 1 gebildet sein kann, werden die Messwerte für die Abtastungen beider Positionsbänder 2 zusammengeführt. Aus der Kombination der Messwerte ergibt sich als Zusatzinformation die Bewegungsrichtung des Objekts.
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5 zeigt ein Applikationsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung. 5 zeigt einen Portallkran 15, der mittels zweier seitlich angeordneter Antriebe 16 angetrieben wird, um in Bewegungsrichtung x verfahren werden zu können. An den Seiten des Portalkrans 15 befindet sich jeweils eine Reflexionslichtschranke 1. Mit jeder Reflexionslichtschranke 1 werden Reflektorflächen 3 und Abdeckflächen 4 eines Positionsbands 2 abgetastet und zeitaufgelöst erfasst. Die Positionsbänder 2 sind stationär angeordnet, wobei deren Längsachsen parallel zueinander in Bewegungsrichtung verlaufen. Mit den Reflexionslichtschranken 1 erfolgt damit unabhängig voneinander eine Positionsmessung. Die Positionswerte, die in einer der Reflexionslichtschranken 1 erfasst werden, werden zur Regelung des jeweils zugeordneten Antriebs 16 verwendet. Dadurch laufen die Antriebe 16 völlig synchron, sodass der Portalkran 15 exakt und ohne Verkippungen in x-Richtung bewegt wird.
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Weitere typische Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Positions- und Geschwindigkeitsmessungen an Aufzügen, Vertikalförderern, Staplern und dergleichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Reflexionslichtschranke
- 2
- Positionsband
- 3
- Reflektorflache
- 4
- Abdeckflache
- 5
- Sendelichtstrahlen
- 6
- Sender
- 7
- Empfangslichtstrahlen
- 8
- Empfanger
- 9
- Gehäuse
- 10
- Linse
- 11
- Strahlteiler
- 12
- erstes Positions band
- 13
- zweites Positionsband
- 14
- Flachensegment
- 15
- Portalkran
- 16
- Antrieb
