DE3934933C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum
Detektieren einer eine Relativbewegung gegenüber einem Erfassungsort
ausführenden Werkstückkante gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 bzw. des Patentanspruchs 7.
Ein Verfahren und eine Anordnung dieser
Gattung ist aus der US 48 29 194 bekannt und kann in
Nähmaschinen eingesetzt werden, um die Kante einer Stofflage zu fühlen
und den Betrieb der Maschine entsprechend zu steuern. Bevorzugtes,
aber nicht ausschließliches Anwendungsgebiet der vorliegenden
Erfindung ist ebenfalls die Erfassung von Stoffkanten in Näh- und
anderen textilverarbeitenden Maschinen.
Ein Problem bei der automatischen Erfassung von Werkstückkanten
mittels optischer Meßeinrichtungen wie Lichtschranken sind die
wechselnden Randbedingungen der Messung. Hierzu gehören neben
Störeinflüssen wie Fremdlicht auch die unterschiedlichen
Anfangsbedingungen vor dem Erscheinen der Werkstückkante am
Erfassungsort. Wenn etwa die Endkante eines Stoffes detektiert werden
soll, dann wird der vor Ankunft des Stoffes am Erfassungsort gemessene
Lichtanteil sehr von der Beschaffenheit des Stoffes wie Dichte und
Farbe abhängen. Um die Empfindlichkeit des Kantendetektors solchen
unterschiedlichen Anfangsbedingungen anzupassen, ist die Verwendung
einer Abgleichvorrichtung wünschenswert, die während einer
Justierphase vor der zu erwartenden Ankunft der Werkstückkante den
Meßbereich der Lichtmeßvorrichtung und/oder den Schwellenwert, bei
welchem das Kantenfühlsignal ausgelöst werden soll, optimal einstellt.
Bei einem aus der DE 36 06 208 A1 bekannten
Endkantendetektor besteht der Abgleichvorgang während der Justierphase
darin, das Meßsignal durch rechnergesteuerte Verstärkungsregelung auf
einen bestimmten Referenzwert oberhalb eines Mindestwertes zu bringen
und dann eine Anzeigeschwelle um einen bestimmten Betrag über diesen
Referenzwert zu setzen. Das Endkanten-Fühlsignal wird abgegeben, wenn
das Meßsignal diese Anzeigeschwelle übersteigt.
Ein solcher Abgleich mag zufriedenstellend sein, wenn das Werkstück,
dessen Endkante detektiert werden soll, in optischer Hinsicht
weitgehend homogen ist, so daß das Meßsignal seinen einjustierten Wert
bis zum Auftreten der Kante im wesentlichen beibehält. Manche
Werkstücke sind aber so beschaffen, daß der von ihnen abgegebene
Lichtanteil von Ort zu Ort sehr unterschiedlich ist, etwa wenn es sich
um einen gemusterten Stoff oder um ein Material relativ grober
Struktur handelt. Dies kann bei der vorstehend beschriebenen
Abgleichmethode zur Folge haben, daß sich die Verstärkungsregelung auf
irgendeinen zufälligen Wert einstellt, und daß die danach eingestellte
Anzeigeschwelle unter Umständen zu hoch oder zu niedrig ist, um
zuverlässig beim Erscheinen der Endkante des Werkstücks, und nur dann,
das Kantenfühlsignal auszulösen.
Des weiteren kann es erwünscht sein, nicht nur die Endkante eines
Werkstückes zu detektieren, sondern auch eine Werkstück-Vorderkante.
Insbesondere bei Nähmaschinen kann es vorkommen, daß der Beginn und
das Ende einer zweiten Stofflage, die sich auf einer ersten Stofflage
befindet, erfaßt werden muß, etwa beim Aufnähen einer Tasche.
Um diese Probleme zu bewältigen, wird bei dem Verfahren nach der
eingangs erwähnten US 48 29 194 während der Justierphase
zunächst der eine Werkstückteil (z. B. der für eine Durchlichtmessung
"hellere" einlagige Abschnitt des Stoffpakets) über den Erfassungsort
bewegt, und die Extremwerte der sich dabei ergebenden Schwankungen des
Meßsignals, also Maximum und Minimum, werden ermittelt und in einem
ersten Speicherpaar gespeichert. Anschließend wird der andere
Werkstückteil (z. B. der für Durchlicht "dunklere" zweilagige Abschnitt
des Stoffpakets) über den Erfassungsort bewegt, um auch hier die
Extremwerte des Meßsignals zu ermitteln und in einem zweiten
Speicherpaar zu speichern. Hiernach werden der "dunkelste" Wert des
helleren Werkstückteils und der "hellste" Wert des dunkleren
Werkstückteils zur Weiterverarbeitung ausgewählt, um mit Hilfe dieser
Werte eine Schwelle zu errechnen, die zwischen den beiden Werten liegt
und durch einen oberen und einen unteren Schwellenwert definiert wird.
Diese beiden Schwellenwerte werden an einer Vergleichseinrichtung
eingestellt, die in der Detektionsphase das Meßsignal empfängt und das
Kantenfühlsignal immer dann erzeugt, wenn das Meßsignal nacheinander
beide Schwellenwerte durchkreuzt.
Zur Einstellung der Detektionsschwelle müssen also im bekannten Fall
zwei verschiedene Bereiche des Werkstücks, nämlich die beidseitig der
zu detektierenden Kante liegenden Teile, in aufeinanderfolgenden
getrennten Schritten während der Justierphase über den Erfassungsort
bewegt werden, um für jeden dieser Teile das Extremwertepaar zu
ermitteln. Vorher muß noch vorausbestimmt werden, welches der beiden
Werkstückteile das hellere und welches das dunklere ist, denn nur so
wird sichergestellt, daß die bei der ersten Werkstückbewegung
ermittelten Extremwerte in das dafür vorgesehene Speicherpaar
gelangen. Bevor der zweite Werkstückteil über den Erfassungsort bewegt
wird, muß eine Umschaltung zur Auswahl des jeweils anderen
Speicherpaars vorgenommen werden.
Die beim Stand der Technik notwendige Lichtvermessung zweier
verschiedener Werkstückteile ist nicht nur relativ zeitaufwendig,
sondern erfordert auch mehrmalige Eingriffe und Aufmerksamkeiten der
Bedienungsperson während der Justierphase. Die Bedienungsperson muß
nämlich nicht nur zu Beginn eine Entscheidung darüber treffen, welcher
der beiden Werkstückteile der hellere ist (eine relativ einfache
Entscheidung), sondern sie muß zweimal hintereinander einen jeweils
gezielt auszuwählenden Werkstückbereich über den Erfassungsort
bewegen, und zwar jedesmal einen anderen. Hieraus kann sich noch ein
zusätzlicher Nachteil ergeben, nämlich dann, wenn das Werkstück aus
zwei zu vernähenden Stofflagen besteht und die zu detektierende Kante
der Rand der einen Stofflage auf der anderen ist. In diesem Fall
müssen die beiden zusammengehaltenen Stofflagen während der
Justierphase mit der zu detektierenden Kante mindestens einmal vor und
wieder zurück über den Erfassungsort bewegt werden, also mindestens
einmal auch entgegen der Nährichtung, was die
Automatisierungsmöglichkeiten des Verfahrens einschränkt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den für die
Durchführung des Kantendetektionsverfahrens zu betreibenden Aufwand zu
vermindern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
Verfahrensmerkmale gelöst, wie sie im Patentanspruch 1 gekennzeichnet
sind. Die wesentlichen Merkmale einer Anordnung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens sind im Patentanspruch 7 aufgeführt.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es für die üblichen Fälle
der Kantendetektion in der Praxis genügt, zur Festlegung der
Detektionsschwelle allein die (inhomogenitätsbedingten)
Helligkeitsextreme des vor der Kante liegenden Werkstückteils zu
berücksichtigen und die Lichtverhältnisse hinter der Kante nur
insoweit zu beachten, als sie Aufschluß über die Änderungsrichtung des
Meßsignals beim Überschreiten der Kante geben, wozu es keiner
Extremwertermittlung für diesen Werkstückteil bedarf. Für den vor der
Kante liegenden Werkstückteil wird aber neben dem Extremwert, der in
die vorausbestimmte Richtung (also auf die einzustellende Schwelle
hin) ausschlägt, auch der in die entgegengesetzte Richtung
ausschlagende Extremwert in den Schwellenberechnungs-Algorithmus
einbezogen. Die in Gegenrichtung ausschlagenden Extremwerte werden
zwar bei dem bekannten Verfahren ebenfalls ermittelt, sie gehen dort
jedoch in die Schwellenberechnung selbst nicht ein, sondern dienen
lediglich dazu, den anderen, in die vorausbestimmte Richtung
ausschlagenden Extremwert durch Größenvergleich herauszufinden.
Das erfindungsgemäße Verfahren bringt gegenüber dem Stand der Technik
mehrere Vorteile. Zum einen wird durch den Fortfall der
Extremwertanalyse des hinter der Kante liegenden Werkstückteils die
Justierphase insgesamt verkürzt und auch vereinfacht. Zum anderen
braucht das Werkstück während der Justierphase nicht vor- und
zurückbewegt zu werden, denn da sich die Extremwerterfassung auf den
vor der Kante liegenden Werkstückteil beschränkt, kann die während der
Justierphase benötigte Werkstückbewegung gleichgerichtet und
kontinuierlich mit der Werkstückbewegung während der anschließenden
Detektionsphase sein. Dies erleichtert die Durchführung des Verfahrens
und gestattet eine weitgehende Automatisierung, denn für die
Werkstückbewegung sowohl in der Justierphase als auch in der
Detektionsphase kann derselbe Vorschub verwendet werden. Die
Justierphase und der anschließende Übergang zur Detektionsphase können
sogar während der Bearbeitung des Werkstücks ohne Unterbrechung oder
sonstige Beeinflussung des Werkstückvorschubs stattfinden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Anordnung wahl
weise umschaltbar zwischen einer Durchlicht-Messung und ei
ner Reflexlicht-Messung. Die Messung reflektierten Lichts
ist z. B. vorteilhafter für die Detektion der Endkante eines
sehr dichten Materials, wie z. B. Leder, oder der Kante eines
Stoffes, der sich auf einer sehr dichten weiteren Stofflage
befindet. Vorzugsweise wird immer diejenige Messung einge
schaltet, die während der Justierphase das stärkere Meß
signal bringt.
Die vorstehend erwähnten und andere vorteilhafte Ausführungs
formen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet. Zur näheren
Erläuterung werden nachstehend Ausführungsbeispiele anhand
von Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt zwei teilweise übereinanderliegende Stoff
lagen, die eine ausgeprägte Inhomogenität aufweisen, und
darunter ein Diagramm des an den verschiedenen Stellen der
beiden Lagen durchgelassenen Lichtes;
Fig. 2 zeigt in Form eines Blockschaltbildes eine Aus
führungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung;
Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer kombinier
ten Durchlicht/Reflexlichtschranke.
Die im oberen Teil a) dargestellten Stofflagen 1 und 2 haben
eine ausgeprägte Inhomogenität in Form abwechselnder heller
und dunkler Bereiche A und B. Diese Inhomogenität kann z. B.
durch ein Farbmuster oder durch wechselnde Struktur der Stof
fe entstehen. Die obere Stofflage 1 endet mit einer ausge
prägten Kante 3.
Wenn der doppellagige Stoff 1, 2 in einer bestimmten ersten
Richtung relativ zu einer einen Erfassungsort bildenden
Durchlichtschranke bewegt wird, entweder durch Verschiebung
der Stoffe nach links oder durch Verschiebung der Licht
schranke nach rechts, dann nimmt das ausgangsseitige Meß
signal der Lichtschranke einen Verlauf, wie er im unteren
Teil b) der Fig. 1 dargestellt ist. An den übereinanderlie
genden Stofflagen 1+2 wird relativ wenig Licht durchgelas
sen, so daß die Meßsignalamplitude relativ niedrig ist; sie
schwankt zwischen einem Maximum U1, hervorgerufen durch die
hellen Bereiche A, und einem Minimum U2, hervorgerufen durch
die dunklen Bereiche B. Am Ende der oberen Stofflage 1, also
an der Kante 3, wechselt die Intensität des durchgelassenen
Lichts und somit die Amplitude des Meßsignals auf höhere
Werte, weil ab nun nur noch die untere Stofflage 2
durchleuchtet wird. Im folgenden schwankt das Meßsignal
zwischen einem weit höheren Minimum U′1 und einem weit
höheren Maximum U′2.
Erfolgt die Relativbewegung zwischen den Stoffen einerseits
und der Lichtschranke andererseits in umgekehrter Richtung,
dann wird das Diagramm der Fig. 1b von rechts nach links
durchlaufen. Das Meßsignal U schwankt also zunächst zwischen
dem unteren Extremwert U′1 und dem oberen Extremwert U′2, um
dann beim Erscheinen der Kante 3 noch tiefer als der bis
herige untere Extremwert U′1 abzusinken. Hiernach schwankt
das Meßsignal zwischen den tieferliegenden Extremwerten U1
und U2.
Zu detektieren ist jeweils derjenige Augenblick, in dem die
Kante 3 durch die Lichtschranke wandert. Bei Relativbewegung
der Stofflagen 1, 2 von rechts nach links ist die Kante 3
eine Endkante, und ihr Erscheinen äußert sich darin, daß das
Meßsignal U höher als bis zum bisherigen Maximalwert U1 an
steigt. Bei Relativbewegung der Stoffe von links nach rechts
hingegen ist die Kante 3 eine Vorderkante, und ihr
Erscheinen äußert sich darin, daß das Meßsignal U tiefer als
bis zum bisherigen Minimalwert U′1 absinkt. Es gilt also,
zur Erfassung der Kante das Meßsignal jeweils mit einem
Schwellenwert zu vergleichen, der im Falle einer Endkante
oberhalb des bisherigen Maximalwertes und im Falle einer
Vorderkante unterhalb des bisherigen Minimalwertes liegt,
und ein Kantenfühlsignal dann auszulösen, wenn das Meßsignal
diesen Schwellenwert kreuzt (im ersteren Fall überschreitet
und im zweitgenannten Fall unterschreitet). Anhand der Fig.
2 sei nun eine Anordnung beschrieben, mit welcher dieses
Prinzip realisiert werden kann.
Am Erfassungsort befindet sich eine Lichtschranke, die eine
Lichtquelle in Form einer Leuchtdiode 13 und einen Lichtfüh
ler in Form einer Fotodiode 14 enthält. Zwischen Leuchtdiode
13 und Fotodiode 14 wird das Werkstück hindurchbewegt, des
sen Kante detektiert werden soll. Alternativ kann auch die
aus Leuchtdiode 13 und Fotodiode 14 bestehende Lichtschranke
gegenüber dem feststehenden Werkstück bewegt werden, um die
Lage der Werkstückkante zu bestimmen. Das Werkstück besteht
im dargestellten Fall aus dem inhomogenen Stoff 1 auf einer
weiteren inhomogenen Stofflage 2, wie in Fig. 1a bereits
näher gezeigt.
Die Fotodiode 14 fängt denjenigen Anteil des von der Leucht
diode 13 ausgesandten Lichts auf, der durch das Werkstück
dringt, und läßt am Ausgang eines Meßverstärkers 15 eine
entsprechende Spannung erscheinen. Vorzugsweise wird die
Leuchtdiode 13 über einen Treiberverstärker 12 durch einen
Oszillator 11 mit einer vorbestimmten Frequenz moduliert,
und das Ausgangssignal des Meßverstärkers 15 wird über ein
auf diese Frequenz abgestimmtes Bandpaßfilter 16 auf einen
Synchrongleichrichter 17 gegeben, der mit der Oszillator
frequenz synchronisiert ist. Ein zwischen dem Oszillator 11
und dem Synchrongleichrichter 17 eingefügtes Verzögerungs
glied 18 dient als Laufzeitausgleich, damit das Synchroni
siersignal mit genau der richtigen Phase am Synchrongleich
richter erscheint. Die Lichtmodulation und anschließende
Synchrongleichrichtung dient zur Unterdrückung von Fremdein
flüssen. Ein nachgeschaltetes Tiefpaßfilter 19 glättet die
gleichgerichtete Meßspannung, die dann über einen Umschal
ter, dessen Funktion weiter unten beschrieben wird, zu einem
Analog/Digital-Wandler 21 gelangt, um das Meßsignal U in
Form aufeinanderfolgender digitaler Abtastwerte darzustel
len. Bei Relativbewegung zwischen einerseits den beiden
Stofflagen 1 und 2 und andererseits der Lichtschranke 13, 14
ändert sich dieses Meßsignal etwa so, wie es in der Fig. 1b
gezeigt ist.
Das Meßsignal U gelangt auf einen ersten Eingang eines digi
talen Vergleichers 25, der an einem zweiten Eingang einen
Schwellenwert Us empfängt. Beim Durchgang des Meßsignals U
durch den Schwellenwert Us liefert der Vergleicher 25
ausgangsseitig ein Signal K, welches das Erscheinen einer
Werkstückkante in der Lichtschranke anzeigen soll
(Kantenfühlsignal).
Um den Schwellenwert Us so einzustellen, daß das Kantenfühl
signal K trotz Inhomogenitäten des Werkstücks immer dann und
nur dann abgegeben wird, wenn tatsächlich eine Werkstück
kante wie z. B. die Stoffkante 3 am Erfassungsort in der
Lichtschranke erscheint, ist eine Abgleichvorrichtung vor
gesehen, die eine Extremwert-Erfassungseinrichtung 22 und
eine Schwellenwert-Stelleinrichtung 23 enthält und durch
eine Programmschalteinrichtung 26 während einer Justierphase
vor dem Erscheinen der Werkstückkante aktivierbar ist. Die
Extremwert-Erfassungseinrichtung 22 empfängt dabei die
aufeinanderfolgenden Abtastwerte des Meßsignals U sowie ein
Richtungssignal R, das die Richtung der bei der erwarteten
Kante auftretenden Meßsignaländerung anzeigt. Aus den
während der Justierphase einlaufenden Abtastwerten des
Meßsignals U ermittelt die Extremwert-Erfassungseinrichtung
22 den Extremwert U1, der in der vom
Richtungssignal angezeigten Richtung ausschlägt, und den
Extremwert
U2, der in die entgegengesetzte Richtung ausschlägt. Die
ermittelten Extremwerte U1 und U2 werden in der
Schwellenwert-Stelleinrichtung 23 verarbeitet, um den
Schwellenwert auf ein Niveau zu bringen, das einerseits in
der vom Richtungssignal R angezeigten Richtung jenseits des
Extremwertes U1 liegt, andererseits aber noch nahe genug,
daß es mit Sicherheit durch den Meßsignalausschlag beim
Erscheinen der Kante erreicht wird.
Der hierzu benutzte Algorithmus für die Schwellenwert-
Stelleinrichtung 23 läßt sich beschreiben
durch die Gleichung:
Us = U₁-m (U₂-U₁) ,
wobei m ein positiver Faktor kleiner als 1 ist. Es hat sich
gezeigt, daß für diesen Faktor statistisch ein allgemein
gültiger Wert ermittelt werden kann, der gleichermaßen
befriedigend für unterschiedlichste Bedingungen ist. Dieser
Wert liegt vorzugsweise bei 0,25. Die obige Gleichung gilt
unverändert sowohl für die Erfassung einer Vorderkante wie
auch für die Erfassung einer Endkante, vorausgesetzt, daß U1
und U2 den beiden Extremwerten in der oben beschriebenen
Weise zugeordnet sind (U1 für den in der angezeigten
Richtung ausschlagenden Extremwert und U2 für den in der
Gegenrichtung ausschlagenden Extremwert).
In der Fig. 2 sind noch weitere Einzelheiten dargestellt,
die Bestandteil vorteilhafter Ausgestaltungen der Anordnung
sein können. So ist ein zweiter Lichtfühler in Form eines
Fototransistors 14a dargestellt, der den vom Werkstück am
Erfassungsort reflektierten Anteil des von der Leuchtdiode
13 abgegebenen Lichtes empfängt. Diesem Fototransistor ist
ebenfalls ein Meßverstärker 15a, ein Bandpaßfilter 16a, ein
Synchrongleichrichter 17a und ein Tiefpaßfilter 19a nachge
schaltet, deren Funktion die gleiche ist wie die Funktion
der Elemente 15, 16, 17, 19 hinter dem Ausgang der Fotodiode
14. Das vom Tiefpaßfilter 19a abgegebene Signal, das dem
vom Werkstück am Erfassungsort reflektierten Licht ent
spricht, kann unter Umständen besser als das vom Tiefpaß
filter 19 gelieferte "Durchlichtsignal" geeignet sein, die
Kante eines Werkstücks wie z. B. die Kante 3 der Stofflage 1
zu detektieren, etwa wenn die Lage 2 lichtundurchlässiges
Material wie Leder ist und demzufolge die Fotodiode 14 weder
vor noch nach der Kante Licht empfängt. Auch bei geringer
oder fehlender Lichtdurchlässigkeit der Lage 1 wäre eine
Kantendetektion mittels Durchlichtmessung zumindest dann
problematisch, wenn die Endkante erfaßt werden soll. In
solchen Fällen sollte also auf Reflexlichtmessung umgeschal
tet werden. Das Schaltkriterium kann aus einem Amplitudenver
gleich des Durchlichtsignals und des Reflexlichtsignals
gewonnen werden. Ein hierzu dienender Amplitudendiskrimina
tor 30, der die Ausgangssignale der beiden Tiefpaßfilter 19
und 19a empfängt, kann zu Beginn der Justierphase aktiviert
werden, um den Umschalter 20 jeweils auf denjenigen Ausgang
zu stellen, der das Meßsignal höherer Amplitude liefert. Die
Schaltereinstellung kann natürlich auch von Hand erfolgen,
wenn der Bedienungsperson angezeigt wird, welches Meßsignal
das stärkere ist, oder wenn die Bedienungsperson über aus
reichende Erfahrung verfügt, um bei Betrachtung des Werk
stückes selbst zu entscheiden, welche Meßart zu bevorzugen
ist.
Nach Auswahl der Meßart (Durchlicht oder Reflexlicht) ist
auch die Entscheidung über das Richtungssignal R zu treffen,
denn es hängt auch von der Meßart ab, in welche Richtung das
Meßsignal erwartungsgemäß beim Erscheinen der Kante ausschla
gen wird. Diese Entscheidung ist nicht schwierig, denn mit
dem Auge ist ohne weiteres abzuschätzen, ob das Werkstück
für die betreffende Meßart nach der Kante dunkler oder hel
ler erscheint als vor der Kante. Vorteilhafterweise wird die
jeweils ausgewählte Meßart angezeigt.
Eine weitere Ausgestaltung kann darin bestehen, daß der Ver
stärkungsfaktor des Treiberverstärkers 12 und/oder des Meß
verstärkers 15 einstellbar ist, um das Meßsignal U zu Beginn
der Justierphase in den günstigsten Meßbereich zu bringen.
Dies ist durch die Steuereingänge ST und SM an den
betreffenden Verstärkern angedeutet. Die Steuersignale ST
und SM für die Verstärker können von einer Regleranordnung
27 geliefert werden, die das Meßsignal U als Istwert und
einen die Mitte des gewünschten Meßbereichs darstellenden
Wert als Sollwert empfängt.
In der Fig. 2 sind die Extremwert-Erfassungsschaltung 22,
die Schwellenwert-Stelleinrichtung 23, der Vergleicher 25,
die Programmschalteinrichtung 26 und die Regleranordnung 27
als diskrete Baugruppen dargestellt, die jeweils durch
festverdrahtete Schaltungen realisiert werden können. Die
Funktionen einiger oder aller dieser Elemente lassen sich
aber auch durch einen digitalen Microcontroller mit ent
sprechender Software realisieren, wie durch die gestrichelte
Umrahmung 40 angedeutet. Vorzugsweise wird ein solcher Micro
controller anstelle diskreter Schaltungen verwendet.
Im folgenden sei der Arbeitsablauf des in Fig. 2 dargestell
ten Kantendetektors beschrieben, und zwar sowohl in einer
ersten Ausführungsform mit "manuellem" Abgleich und in einer
zweiten Ausführungsform mit "automatischem" Abgleich, beides
am Beispiel einer Nähmaschine, wo die Endkante 3 der Stoff
lage 1 über der Stofflage 2 detektiert werden soll. Es sei
davon ausgegangen, daß die Lichtschranke eingeschaltet, die
Richtung ausgewählt und nur die Durchlicht-Meßstrecke 14,
15, 16, 17, 19 vorhanden ist und der Analog/Digital-Wandler
21 das Ausgangssignal vom Tiefpaßfilter 19 empfängt. Zu
nächst legt die Bedienungsperson die untere Stofflage 2 am
Erfassungsort in die Lichtschranke ein. Daraufhin werden
ohne Tastenbetätigung der Treiberverstärker 12 und der Meß
signalverstärker 15 anfänglich auf minimale Verstärkung ein
gestellt, und dann wird der Treiberverstärker 12 hochgere
gelt, bis das Meßsignal U in den gewünschten Meßbereich
fällt. Wird dieser Bereich auch bei maximaler Verstärkungs
einstellung des Treiberverstärkers 12 nicht erreicht, dann
wird anschließend die Verstärkung des Meßverstärkers 15 hoch
gefahren, um den Meßbereich zu erreichen. All dies kann
vollautomatisch mit Hilfe der Programmschalteinrichtung 26
und der Regleranordnung 27 bzw. durch den Microcontroller
geschehen.
Wenn auch die Reflexlicht-Meßstrecke 14a, 15a, 16a, 17a, 19a
vorhanden ist, kann die gleiche Prozedur bei umgestelltem Um
schalter 20 auch mit dieser Meßstrecke durchgeführt werden,
etwa wenn sich zeigt, daß der Meßbereich mit der Durchlicht-
Meßstrecke nicht erreicht werden kann. Auch diese Umschal
tung kann automatisch erfolgen. Es können auch beide Meß
strecken unabhängig voneinander ausprobiert werden, um dann
diejenige auszuwählen, bei welcher der Meßbereich früher
(d. h. mit geringerer Verstärkung) erreicht wird. Bei Verwen
dung des Amplitudendiskriminators 30 erfolgt dies auto
matisch, wenn der Amplitudendiskriminator 30 den Umschalter
20 immer auf diejenige Meßstrecke stellt, die das stärkere
Ausgangssignal liefert.
Nach der vorstehend beschriebenen Meßbereichseinstellung
wird der betreffende Regelungsmechanismus stillgesetzt und
z. B. durch Druck auf eine entsprechende Taste J ein Befehl
zum Inhomogenitätsabgleich gegeben, womit gleichzeitig die
Extremwert-Erfassungseinrichtung 22 aktiviert wird. Die Be
dienungsperson verschiebt nun von Hand die untere Stofflage
2 durch die Lichtschranke, vorteilhafterweise längs der
Achse des Nähvorschubs und über eine Länge, die mindestens
gleich der Periode von optisch unterscheidbaren Inhomogeni
täten der Stofflage ist, z. B. über die Rapportlänge einer
Musterung des Stoffes. Nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit
spanne liefert die Extremwert-Erfassungsschaltung 22 die
beiden Extremwerte U1′ und U2′ des bis dahin erschienenen
Meßsignals U an die Schwellenwert-Stelleinrichtung 23, die
dann ihrerseits den Schwellenwert Us am Vergleicher 25 nach
dem weiter oben beschriebenen Algorithmus einstellt. Hiermit
ist der Abgleichvorgang beendet, und die Extremwert-Erfas
sungsschaltung 22 wird abgeschaltet und die Schwellenwert-
Stelleinrichtung 23 stillgesetzt. Die Bedienungsperson kann
nun die Nähmaschine zum Vernähen der beiden Stofflagen 1 und
2 starten, wobei gleichzeitig auch der Vergleicher 25 einge
schaltet wird, und sobald die Endkante 3 am Erfassungsort
erscheint, wird das Kantenfühlsignal K abgegeben, das die
Nähmaschine veranlassen kann, den Nähvorgang an dieser Kante
zu beenden.
Der "automatische" Abgleich unterscheidet sich von dem vor
stehend beschriebenen manuellen Abgleich im wesentlichen
darin, daß die Bedienungsperson die Stofflagen vor dem Näh
vorgang nicht gesondert von Hand bewegen und keine Taste
drücken muß. Die Bedienungsperson legt eine einzige oder
zwei positionsgerecht ausgerichtete Stofflagen 1, 2 auf und
beginnt gleich mit dem Nähen. Der Steuerbefehl zum Inhomo
genitätsabgleich, der die Extremwert-Erfassungseinrichtung
22 aktiviert, wird mit dem Start der Maschine ausgelöst und
startet gleichzeitig einen (nicht dargestellten) Zähler, der
die durchgeführten Nähstiche zählt. Sobald dieser Stichzäh
ler einen voreingestellten Zählwert erreicht hat, wird die
Schwellenwert-Stelleinrichtung 23 aktiviert, um den Schwel
lenwert Us am Vergleicher 25 auf der Grundlage der bis dahin
ermittelten Extremwerte U1 und U2 bzw. U1′ und U2′
einzustellen. Hierauf wird der Vergleicher 25 eingeschaltet,
und die Schwellenwert-Stelleinrichtung und die
Extremwert-Erfassungseinrichtung werden stillgesetzt, so daß
im weiteren Verlauf des Nähvorgangs das Kantenfühlsignal K
abgegeben werden kann, wenn die Stoffkante 3 am Erfassungs
ort erscheint. Der voreingestellte Zählwert am Stichzähler
wird vorteilhafterweise so bemessen, daß er mindestens
gleich der Anzahl der Stiche ist, die einem Vorschub über
eine Periodenlänge der Inhomogenitäten (z. B. Rapportlänge)
entspricht.
Vorstehend wurde der Betriebsablauf für die Detektion spe
ziell einer Endkante beschrieben. Zum Detektieren einer Vor
derkante der oberen Stofflage 1 erfolgt der Abgleich in der
Justierphase ebenfalls wie zuvor beschrieben alleine auf die
untere Stofflage 2. Der Betrieb läuft dann in der gleichen
Weise ab wie beschrieben, nur daß das Richtungssignal R "um
gekehrt" einzustellen ist, weil der Meßsignalausschlag beim
Erreichen der Vorderkante natürlich entgegengesetzt zum Meß
signalausschlag beim Erreichen der Endkante ist. Wenn im
Verlauf eines einzigen Arbeitsganges zunächst die Vorder
kante und später die Endkante eines Werkstücks detektiert
werden soll, dann kann der Gesamtablauf ohne die Notwendig
keit von Zwischeneingriffen automatisiert werden, indem man
Vorkehrungen trifft, daß nach erfolgter Detektion der Vorder
kante das Richtungssignal R umgeschaltet und der Abgleichbe
fehl erneut gegeben wird. Hierzu ist es günstig, wenn der
Richtungssignalgeber eine bistabile Kippschaltung ist, deren
Zustand durch das Kantenfühlsignal jeweils gewechselt wird.
Auf diese Weise ist es auch möglich, eine größere Vielzahl
aufeinanderfolgender Vorder- und Endkanten von Werkstücken
nacheinander zu erfassen, ohne daß irgendwelche Zwischenein
stellungen von Hand oder Unterbrechungen notwendig wären.
Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform einer kombinierten
Durchlicht/Reflexlichtschranke, wie sie in der Anordnung
nach Fig. 2 verwendet werden kann. Eingebettet in einer
festen Unterlage 50, bei der es sich um die Stichplatte
einer Nähmaschine handeln kann, sitzt ein Fotoempfänger wie
z. B. die in Fig. 2 dargestellte Fotodiode 14. In gewisser
Entfernung oberhalb der Unterlage 50 ist ein sogenannter
Reflextaster 52 angeordnet, der Licht aussendet und
empfängt. Dieser Reflextaster kann z. B. die Leuchtdiode 13
und den Fototransistor 14a enthalten, wobei diese beiden
Elemente eng zusammenliegend beide auf die Unterlage 50 aus
gerichtet sind, jedoch gegen direkte Einstrahlung voneinan
der abgeschirmt sind. Als Reflextaster kann auch eine Glas
faseroptik oder ein Reflexkoppler verwendet werden. Der Ab
stand zwischen dem Reflextaster 52 und der Unterlage 50 ist
so gewählt, daß das Material mit den zu den detektierenden
Kanten wie z. B. die Stofflagen 1 und 2 gut hindurchbewegt
werden kann (bei einer Nähmaschine z. B. etwa 5 mm).
Claims (22)
1. Verfahren zum Detektieren einer eine Relativbewegung gegenüber
einem Erfassungsort ausführenden Werkstückkante unter Verwendung
einer Meßvorrichtung, die einen den Erfassungsort beleuchtenden
Lichtsender und mindestens einen Lichtempfänger aufweist, der
einen vom Erfassungsort ausgehenden Lichtanteil mißt und ein
entsprechendes Meßsignal erzeugt unter Durchführung folgender
Schritte:
während einer vorbereitenden Justierphase wird das Werkstück über den Erfassungsort bewegt, und Extremwerte der dabei auftretenden Schwankungen des Meßsignals werden ermittelt;
aus den ermittelten Extremwerten wird eine Schwelle errechnet, von der zu erwarten ist, daß sie vom Meßsignal beim Erscheinen der Werkstückkante in vorausbestimmter Richtung überkreuzt wird;
während einer Detektionsphase wird das Meßsignal mit der errechneten Schwelle verglichen, um ein Kantenfühlsignal zu erzeugen, wenn das Meßsignal durch diese Schwelle geht,
dadurch gekennzeichnet,
daß während der Justierphase nur ein vor der erwarteten Kante liegender Werkstückteil über den Erfassungsort bewegt wird, und
daß als Schwelle ein einziger Schwellenwert Us gemäß der Gleichung Us = U₁-m (U₂-U₁)errechnet wird, wobei U₁ der in der vorausbestimmten Richtung ausschlagende Extremwert ist, U₂ der in entgegengesetzter Richtung ausschlagende Extremwert ist und m ein positiver Faktor kleiner als 1 ist.
während einer vorbereitenden Justierphase wird das Werkstück über den Erfassungsort bewegt, und Extremwerte der dabei auftretenden Schwankungen des Meßsignals werden ermittelt;
aus den ermittelten Extremwerten wird eine Schwelle errechnet, von der zu erwarten ist, daß sie vom Meßsignal beim Erscheinen der Werkstückkante in vorausbestimmter Richtung überkreuzt wird;
während einer Detektionsphase wird das Meßsignal mit der errechneten Schwelle verglichen, um ein Kantenfühlsignal zu erzeugen, wenn das Meßsignal durch diese Schwelle geht,
dadurch gekennzeichnet,
daß während der Justierphase nur ein vor der erwarteten Kante liegender Werkstückteil über den Erfassungsort bewegt wird, und
daß als Schwelle ein einziger Schwellenwert Us gemäß der Gleichung Us = U₁-m (U₂-U₁)errechnet wird, wobei U₁ der in der vorausbestimmten Richtung ausschlagende Extremwert ist, U₂ der in entgegengesetzter Richtung ausschlagende Extremwert ist und m ein positiver Faktor kleiner als 1 ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß m
ungefähr gleich 0,25 ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
während der Justierphase der am Erfassungsort befindliche
Werkstückteil über eine Länge bewegt wird, die mindestens gleich
der Periode von optisch unterscheidbaren Inhomogenitäten des
Werkstückteils ist.
4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche in
einer Nähmaschine, bei welcher das Werkstück eine ein- oder
mehrlagige Stoffschicht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die
Justierphase während einer vorgebbaren Anzahl von Nähstichen vor
der erwarteten Ankunft einer Stofflagenkante eingeschaltet wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei zur Einstellung des Arbeitspunktes der Meßvorrichtung die
Leistung des Lichtsenders verstellt wird, bis das Meßsignal in
einen vorgegebenen Meßbereich fällt, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Erhöhung der Leistung des Lichtsenders bei niedrig
eingestellter Verstärkung des Lichtempfängers erfolgt
und daß, wenn das Meßsignal bei maximaler Leistung des
Lichtsenders den Meßbereich noch nicht erreicht hat, die
Verstärkung des Lichtempfängers erhöht wird, bis das Meßsignal
in den Meßbereich fällt.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß von zwei Lichtempfängern, deren
erster den vom Werkstück durchgelassenen Lichtanteil und deren
zweiter den vom Werkstück reflektierten Lichtanteil empfängt,
jeweils derjenige für das Verfahren ausgewählt wird, der zu
Beginn der Justierphase das stärkere Meßsignal liefert.
7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die
neben der zur Erzeugung des Meßsignals verwendeten
Meßvorrichtung eine während der Justierphase aktivierbare
Abgleichvorrichtung zur Ermittlung der Extremwerte des
Meßsignals und zur Errechnung der Schwelle, eine am Ende der
Justierphase aktivierbare Schwellenwert-Stelleinrichtung zur
Einstellung der errechneten Schwelle und eine während der
Detektionsphase aktivierbare Vergleichseinrichtung zum
Vergleichen des Meßsignals mit der errechneten Schwelle und zur
Erzeugung des Kantenfühlsignals bei Durchgang des Meßsignals
durch die eingestellte Schwelle enthält,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Richtungssignalgeber (28) vorgesehen ist, der ein die
Richtung der bei der erwarteten Kante auftretenden
Meßsignaländerung anzeigendes Richtungssignal (R) liefert,
und daß die Abgleichvorrichtung den als Schwelle verwendeten
einzigen Schwellenwert Us gemäß folgender Gleichung liefert:
Us = U₁-m (U₂-U₁) ,wobei U₁ der in der vorausbestimmten Richtung ausschlagende
Extremwert ist, U₂ der in entgegengesetzter Richtung
ausschlagende Extremwert ist und m ein positiver Faktor kleiner
als 1 ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß m
ungefähr gleich 0,25 ist.
9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, wobei als ein Stellglied zur
Einstellung des Meßbereichs der Meßvorrichtung ein regelbarer
Verstärker in der Treiberschaltung des Lichtsenders vorgesehen
ist, dadurch gekennzeichnet, daß als weiteres Stellglied ein
regelbarer Verstärker (15) im Lichtempfänger (14-19) vorgesehen
ist.
10. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens eines der Stellglieder (12; 15)
Bestandteil eines wahlweise einschaltbaren Regelkreises (mit 27)
ist, der das Meßsignal (U) als Regelgröße und einen die Mitte
des Meßbereichs darstellenden Wert als Sollwert empfängt.
11. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der Lichtsender (11-13) der Meßvorrichtung
eine von einem Oszillator (11) gesteuerte Lichtquelle (13) zur
Erzeugung von Wechsellicht vorbestimmter Frequenz aufweist und
daß der Lichtempfänger (14-19) einen mit dem Oszillator
synchronisierten Synchrongleichrichter (17) enthält.
12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem
Synchrongleichrichter (17) ein Bandpaßfilter (16) vorgeschaltet
ist.
13. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß
dem Synchrongleichrichter (17) ein Tiefpaßfilter (19)
nachgeschaltet ist.
14. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß zwei Lichtempfänger (14-19; 14a-19a)
vorgesehen sind, deren erster den vom Werkstück (1, 2)
durchgelassenen Lichtanteil und deren zweiter den vom Werkstück
reflektierten Lichtanteil empfängt, und daß eine Einrichtung
(20) zur wahlweisen Umschaltung zwischen den beiden
Lichtempfängern vorgesehen ist.
15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß mit der
Umschalteinrichtung (20) ein Amplitudendiskriminator (30)
gekoppelt ist, der mit den Ausgängen beider Lichtempfänger (14-
19; 14a-19a) verbunden ist und auf einen Steuerbefehl hin die
Umschalteinrichtung zur Auswahl desjenigen Lichtempfängers
veranlaßt, der das jeweils stärkere Meßsignal liefert.
16. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 15 in einer
Nähmaschine, bei welcher das Werkstück eine zu nähende Stofflage
ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Programmschalteinrichtung
(26) mit einem Stichzähler vorgesehen ist, der mit Einschaltung
der Abgleichvorrichtung (22, 23) startet und nach einer
voreinstellbaren Anzahl von Nähstichen die Abgleichvorrichtung
ausschaltet und die Vergleichseinrichtung (25) einschaltet.
17. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß eine vorgesehene Programmschalteinrichtung
(26) auf das Kantenfühlsignal (K) anspricht, um die
Abgleichvorrichtung (22, 23) wieder einzuschalten.
18. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß eine vorgesehene Programmschalteinrichtung
(26) eine den Richtungssignalgeber (28) darstellende bistabile
Einrichtung enthält, deren Schaltzustand das Richtungssignal (R)
bestimmt.
19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die
bistabile Einrichtung (28) von Hand setz- und rücksetzbar ist.
20. Anordnung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß
der Schaltzustand der bistabilen Einrichtung (28) durch das
Kantenfühlsignal (K) umschaltbar ist.
21. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 20, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Analog/Digital-Wandler (21) vorgesehen
ist, der das Meßsignal (U) in Digitalform umwandelt, und daß die
Vergleichseinrichtung (25) und die Abgleichvorrichtung (22, 23)
in einem digitalen Microcontroller realisiert sind.
22. Anordnung nach Anspruch 21 in Verbindung mit mindestens einem
der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß auch die
Programmschalteinrichtung im Microcontroller realisiert ist.
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