DE4129702C2 - Verfahren und Vorrichtung zur optischen Messung der Differenzentfernung zwischen zwei Objekten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Messung der Differenzentfernung zwischen zwei Objekten bezogen auf eine vorgegebene Richtung mittels optischer Triangulation.

Bei einem solchen Verfahren wird zur Entfernungsmessung das interessierende Objekt mit optischer Strahlung mittels eines Senders bestrahlt und die Winkelbeziehung der vom Objekt zurückgestreuten Strahlung vom Sensor mit einer positionsempfindlichen Photoempfangsanordnung ausgewertet.

Bei einer Vielzahl von Anwendungsfällen ist bei der Entfernungsmessung von Objekten weniger die absolute Entfernung interessant, als vielmehr die relative Lage von beispielsweise zwei Objekten zueinander.

Dies ergibt sich bei Positionier- und Nachführaufgaben in der Stahlindustrie, bei Verpackungsmaschinen, in der Papier- und Druckindustrie, im Bauwesen etc. Wird z. B. an einer Druckmaschine während des Maschinenlaufs ein neuer Papierstapel mit einem Hilfsstapel vereinigt, so muß auch hier die relative Lage von beiden gemessen und der neue Papierstapel positioniert werden.

Für derartige Aufgaben werden bekannte optische Triangulationssensoren und Stellmittel eingesetzt, wobei die relative Lage zweier Objekte aus der Differenz der Ausgangssignale zweier solcher Sensoren ermittelt wird. Entscheidender Nachteil eines solchen Vorgehens ist, daß Meßfehler, die unabhängig in beiden Sensoren auftreten, zu einer erheblichen Vergrößerung der Meßfehler führen und unter Umständen den Einsatz dieser Meßmethode unmöglich machen.

Insbesondere müssen von derartigen Geräten ein sehr guter Kennliniengleichlauf und besonders geringe Drift- und Alterungserscheinungen gefordert werden, was die Geräte sehr aufwendig macht und in vielen Fällen an physikalische Grenzen stoßen läßt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren anzugeben und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der der relative Abstand zweier Objekte auf optischem Wege genau erfaßt werden kann, weitgehend unabhängig vom absoluten Abstand beider Objekte vom Meßgerät.

Dieses Ziel sollte außerdem mit deutlich geringerem Aufwand erreicht werden, als bei der Verwendung zweier bekannter Abstandssensoren und ferner mit besserer Genauigkeit der Abstandsdifferenz.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel durch ein Verfahren erreicht, bei dem ein erstes und ein zweites Sendestrahlenbündel, die zueinander und zur vorgegebenen Richtung parallel verlaufen, jeweils eines der Objekte bestrahlen, ein entsprechend erstes und zweites Empfangsstrahlenbündel aus von den Objekten zurückgeworfenem Licht über optische Mittel aufgenommen und auf eine gemeinsame positionsempfindliche Photoempfängeranordnung abgebildet werden, die beiden Sende- und Empfangsstrahlenbündel zwei Triangulationsebenen aufspannen, die in Abstand zueinander parallel verlaufen, die Lagen der Abbildungsschwerpunkte auf der Photoempfängeranordnung als Maß für die Differenzentfernung ausgewertet werden, und die Bestrahlung der Objekte durch die jeweiligen Sendestrahlenbündel im zeitlichen Wechsel erfolgt.

Zu diesem Zweck werden die empfängerseitigen Strahlenbündel, z. B. über Spiegel so geführt, daß beide auf ein und dieselbe positionsempfindliche Photoempfängeranordnung gelangen, die als Doppelphotodiodenanordnung, PSD (Position Sensitive Detector) oder auch als CCD-Zeile ausgeführt sein kann. Die Zuordnung der Meßwerte beider Tastobjekte wird durch abwechselndes Zuschalten der Strahlungssender und dazu synchrone Übergabe der Meßwerte (Synchrondemodulator) an einen Differenzbildner erreicht. Es ist dadurch neben den Entfernungsmeßsignalen der Objekte die Ausgabe eines hochgenauen Differenzentfernungssignals möglich. Die in derartigen Meßgeräten dominierenden Meßfehler, wie differierende Kennliniennichtlinearitäten, thermische und alterungsbedingte Drifterscheinungen sind somit weitgehend ausgeschaltet, da nur ein einziger analoger elektronischer Meßkanal benutzt wird. Fehler durch mechanische Unstabilitäten des optischen Aufbaues lassen sich durch geeignete Konstruktion und Werkstoffwahl genügend klein halten.

Remissionsgradänderungen der Objekte, unterschiedliche Transmission der optischen Strahlengänge (Verschmutzung, Erblindung optischer Oberflächen, Leistungseinbuße der Sender) werden durch die Auswertung über einen Meßkanal ebenfalls eleminiert (Quotientenbildung).

Neben den genannten technischen Vorteilen bietet die erfindungsgemäße Lösung auch wirtschaftliche, verglichen mit der Verwendung zweier separater optischer Abstandssensoren. Der elektronische Aufwand verringert sich bei bedeutend verbesserter Meßgenauigkeit auf fast die Hälfte, während an optischen Bauelementen lediglich vier kostengünstige Oberflächenspiegel hinzukommen.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur optischen Messung der Differenzentfernung zwischen zwei Objekten wird ein einfacher Aufbau der Sensoreinheit erreicht, die lediglich ein Stellsignal erzeugt, das unmittelbar zur Positionierung von zusammenzuführenden Objekten benutzt werden kann. Insbesondere beim Zusammenführen von zwei Stapeln, z. B. aus Papier, in einer Verarbeitungsmaschine kann eine genaue Positionierung der beiden Stapel zueinander erreicht werden, die ein störungsloses Arbeiten der Maschine gewährleistet, ohne daß in der Verarbeitung Ungenauigkeiten auftreten.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Fig. 1 bis 5 beispielsweise beschrieben.

Fig. 1 zeigt das Wirkprinzip der Signalverarbeitung. Von einer Taktgeberschaltung 7 werden über Treiberschaltungen 5, 6 Strahlungssender 3, 4, vorzugsweise Halbleiterstrahler wie LED, IRED oder Laserdioden, im zeitlichen Wechsel angesteuert.

Fig. 2 und 3 zeigen schematische Darstellungen der Strahlengänge (Fig. 3 ist eine um 90° gedrehte Darstellung der Anordnung nach Fig. 2).

Fig. 4 und 5 zeigen Vorrichtungen zum Durchführen des Verfahrens bei Zusammenführen von Objekten.

Wie in Fig. 1 wiedergegeben, sind den beiden Objekten 1, 2 Strahlungssender 3, 4 zugeordnet, die zwei Strahlenbündel 15, 16 aussenden, die zurückgeworfen als Empfangsstrahlen­ bündel 17, 18 von einem Empfänger 8 empfangen werden. Über Treiberschaltungen 5, 6 werden die beiden Strahlungssender 3, 4 in zeitlichem Wechsel angesteuert. Der Taktgeber 7 liefert hierzu den zeitlichen Takt.

Auf den Empfänger 8 folgen Verstärker und Synchrondemodulator 9 sowie Quotientenbildner 10 zur Unterdrückung von Fremdlicht, Senderalterung, Remissionsgradänderungen und Verschmutzung sowie zur Kennlinienentzerrung. Diese Komponenten wirken auf beide Signale 17, 18 in gleicher Weise, so daß ihr Driftverhalten kompensiert ist. Der nachfolgende Synchrondemodulator 11 wird vom Senderumschalttakt gesteuert, und seine Ausgangsspannung entspricht der Differenz der einzelnen Entfernungssignalspannungen E1 und E2. Ein Tiefpaß 12 dient der Unterdrückung des Senderumschalttaktes in der Differenzsignalspannung D.

Zweck der Spiegelanordnung 22, 23 ist, daß sich die über Linsen 13, 14, 19, 20 fokussierten und über Spiegel 21, 24 umgelenkten Empfangsstrahlenbündel 17, 18 in der Projektion nach Fig. 2 in der Empfängerebene 8 schneiden, während sie sich bei Variation des Objektabstandes in der Ansicht nach Fig. 3 auf der Empfängerlängsachse bewegen. Daher liegen die Schwerpunkte der Abbildungen in Abhängigkeit von der Entfernung der Objekte 1, 2 auf unterschiedlichen Punkten der Empfängerlängsachse 8 (Fig. 3). Sie bewirken entsprechend dieser Lagedifferenzen unterschiedliche Signale an den Empfängerausgängen, die einer Signalverarbeitung unterworfen werden mit dem Ziel, am Ausgang ein nur der Entfernungsdifferenz der Tastobjekte proportionales Signal (in analoger oder digitaler Form) zu erhalten.

In einer weiteren Ausführung des Auswertesystems kann ein Teil der Verarbeitungselektronik (Komponenten 7, 9, 10, 11, 12) durch eine Mikroprozessorensteuerung ersetzt werden, die die Signalwerte digital verarbeitet und durch eine Lernphase nach der ersten Inbetriebnahme (spezielle Systemparameter werden auf ROM gespeichert) stabile Restfehler noch weiter verringert. Der Meßwert D steht dann direkt als digitales Äquivalent zur Verfügung.

Fig. 4 zeigt schematisch ein Anwendungsbeispiel bei einer Druckmaschine, bei der ein Hilfsstapel 25 auf einer Hilfsstapeleinrichtung 26 gelagert ist, wobei jeweils die obersten Papierbogen von dem Hilfsstapel entnommen und der Druckmaschine zugeführt werden. Unterhalb des Hilfsstapels 25 ist ein neuer Papierstapel 27 gezeigt, der auf einer Stapelhubeinrichtung 28 abgelegt ist. In der Sensor- und Steuereinheit 29 sind die in den Fig. 1 bis 3 beschriebenen Komponenten enthalten. Die Meßwerte D werden hier in Steuersignale verarbeitet, die über die Zuleitungen 30, 31 Stellmotoren 32, 33 zugeführt werden. Hierbei ist der Stellmotor 32 der Hilfsstapeleinrichtung 26 und der Stellmotor 33 der Stapelhubeinrichtung 28 zugeordnet. In Fig. 4 ist übertrieben wiedergegeben, daß der Hilfsstapel 25 und der neue Papierstapel 27 in unterschiedlichen Richtungen schräg aufgesetzt sind. Nach Verarbeitung der Meßsignale sind gemäß Fig. 5 die beiden Stapel 25, 27 seitlich so ausgerichtet, daß die untere Fläche des Hilfsstapels 25 und die obere Fläche des neuen Papierstapels 27 übereinstimmen. Beim Auflegen des Hilfsstapels 25 auf den neuen Papierstapel 27 und beim Weiterverarbeiten der oberen Lagen Papierbogen entsteht im Bereich der Auflageebene zwischen beiden Stapeln kein plötzlicher Seitenversatz, der die Steuer- und Regelung der Druckmaschine belasten würde.

Claims (7)

1. Verfahren zur optischen Messung der Differenzentfernung zwischen zwei Objekten bezogen auf eine vorgegebene Richtung mittels optischer Triangulation, bei dem

• - ein erstes und ein zweites Sendestrahlenbündel, die zueinander und zur vorgegebenen Richtung parallel verlaufen, jeweils eines der Objekte bestrahlen,
• - ein entsprechend erstes und zweites Empfangsstrahlenbündel aus von den Objekten zurückgeworfenem Licht über optische Mittel aufgenommen und auf eine gemeinsame positionsempfindliche Photoempfängeranordnung abgebildet werden,
• - die beiden Sende- und Empfangsstrahlenbündel zwei Triangulationsebenen aufspannen, die in Abstand zueinander parallel verlaufen,
• - die Lagen der Abbildungsschwerpunkte auf der Photoempfängeranordnung als Maß für die Differenzentfernung ausgewertet werden, und
• - die Bestrahlung der Objekte durch die jeweiligen Sendestrahlenbündel im zeitlichen Wechsel erfolgt.

2. Vorrichtung zur optischen Messung der Differenzentfernung zwischen zwei Objekten bezogen auf eine vorgegebene Richtung mittels optischer Triangulation mit

• - zwei separaten Strahlungssendern, die ein erstes und ein zweites Sendestrahlenbündel aussenden, die zueinander und zur vorgegebenen Richtung parallel verlaufen,
• - optischen Mitteln, die ein entsprechend erstes und zweites Empfangsstrahlenbündel aufnehmen und auf eine gemeinsame positionsempfindliche Photoempfängeranordnung abbilden,
• - wobei die beiden Sende- und Empfangsstrahlenbündel zwei Triangulationsebenen aufspannen, die in Abstand zueinander parallel verlaufen,
• - einem Taktgeber zur Ansteuerung der Strahlungssender im zeitlichen Wechsel, und
• - einer zugehörigen Auswerteeinheit.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit mit einem einzigen analogen elektronischen Auswertekanal.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungssender LED, IRED oder Halbleiterlaser und als Photoempfängeranordnung Doppelphotodioden, positionsempfindliche Empfänger (PSD) oder CCD-Zeilen eingesetzt sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Auswertung eine Mikroprozessorsteuerung eingesetzt ist, die durch Lernen individuelle Restfehler der Vorrichtung kompensiert.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch Stellmittel, denen ein Differenzentfernungssignal zugeleitet wird und die zusammenzuführende Objekte in ihrer Lage zueinander so verstellen, daß deren Berührungsflächen zueinander justiert sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenzuführenden Objekte ein Hilfsstapel und ein neuer Papierstapel einer Druckmaschine sind, denen als Stellmittel Stellmotoren zugeordnet sind, über die die seitlichen Lagen der Stapel zueinander veränderbar sind, und daß das Differenzentfernungssignal bis zur Zusammenführung der beiden Stapel über eine Steuereinheit die beiden Stellmotoren derart steuert, daß die untere Fläche des Hilfsstapels zur oberen Fläche des neuen Papierstapels justiert wird.