DE202021100618U1

DE202021100618U1 - Vorrichtung zur Vermessung eines Objektes

Info

Publication number: DE202021100618U1
Application number: DE202021100618.8U
Authority: DE
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2021-02-09
Filing date: 2021-02-09
Publication date: 2022-05-10
Anticipated expiration: 2031-02-10

Abstract

Vorrichtung (10) zur Vermessung eines Objekts (14), das sich in einer Bewegungsrichtung (13) entlang einer Bewegungsachse (12) bewegt, aufweisend:
- eine erste Sensoranordnung (16) mit,
- einem ersten Selbstmischende-Interferenz-Sensor (SMI-Sensor) (18.1), zum Aussenden von ersten Messlichtstrahlen entlang einer ersten Messachse (22.1), zum Empfangen von aus einem ersten Arbeitsbereich (26.1) des ersten SMI-Sensor (18.1) zurückreflektierten ersten Messlichtstrahlen und zum Erzeugen eines ersten Messsignals (48) aus den zurückreflektierten ersten Messlichtstrahlen, wobei der erste SMI-Sensor (18.1) derart ausgerichtet ist, dass die ausgesendeten ersten Messlichtstrahlen zumindest teilweise in der Bewegungsrichtung (13) des Objekts (14) verlaufen,
- einem zweiten SMI-Sensor (18.2) zum Aussenden von zweiten Messlichtstrahlen entlang einer zweiten Messachse (22.2), zum Empfangen von aus einem zweiten Arbeitsbereich (26.2) des zweiten SMI-Sensors (18.2) zurückreflektierten zweiten Messlichtstrahlen und zum Erzeugen eines zweiten Messsignals (44) aus den zurückreflektierten zweiten Messlichtstrahlen, wobei der zweite SMI-Sensor (18.2) derart ausgerichtet ist, dass die ausgesendeten zweiten Messlichtstrahlen zumindest teilweise entgegen der Bewegungsrichtung (13) des Objekts (14) verlaufen, wobei der erste Arbeitsbereich (26.1) ein dem ersten SMI Sensor (18.1) abgewandtes Ende (28.1) und der zweite Arbeitsbereich (26.2) ein dem zweiten SMI Sensor (18.2) abgewandtes Ende (28.2) aufweist, und die Enden (28.1, 28.2) eine Messstrecke mit einer Messstreckenlänge (I_M) parallel zur Bewegungsachse (12) definieren;
- eine Steuer- und Auswerteeinheit (20) zum Empfangen des ersten Messsignals (48) und des zweiten Messsignals (44) und zum Bestimmen einer Geschwindigkeit (v) des Objekts entlang der Bewegungsachse (12) aus wenigstens einem der Messsignale (44, 48), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (20) dazu ausgebildet ist,
- eine erste charakteristische Änderung des zweiten Messsignals (44) zu einem ersten Zeitpunkt (T₁) zu erfassen,
- eine erste charakteristische Änderung des ersten Messsignals (48) zu einem zweiten Zeitpunkt (T₂) zu erfassen,
- eine zweite charakteristische Änderung des ersten Messsignals (48) zu einem dritten Zeitpunkt (T₃) zu erfassen, und unter Verwendung des ersten Zeitpunkts (T₁), des dritten Zeitpunkts (T₃), der Geschwindigkeit (v) und der Messstreckenlänge (I_M) eine Objektlänge (I_Obj) des Objekts (14) entlang der Bewegungsachse (12) zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermessung eines Objektes nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
In der wissenschaftlichen Veröffentlichung „VCSEL-based miniature laser-Doppler interferometer“ (Proc. SPIE 6908, Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers XII, 69080I (29 January 2008); https://doi.org/10.1117/12.775131), ist eine auf Laserlicht basierende Technologie beschrieben, bei der ein sich bewegendes Objekt mit Messstrahl aus kohärentem Laserlicht beleuchtet wird. Ein Teil des ausgesendeten Lichts wird an der Oberfläche des sich bewegenden Objektes diffus reflektiert und gelangt so zurück zum Laser, wobei dieser diffus rückreflektierte Teil des ausgesandten Lichts aufgrund des durch die Bewegung des Objektes hervorgerufenen Doppler-Effekts einen Phasenversatz zu dem ausgesandten Licht erfährt. Im Laserresonator ergibt sich eine selbstmischende Interferenz zwischen dem ausgesandten und rückreflektierten Licht, wodurch eine periodische Schwingung der Intensität des Lasers entsteht. Dadurch wird ein moduliertes Messsignal erzeugt. Anhand der Frequenzänderung und der Signalform der Intensität können eine Geschwindigkeit und eine Richtung des sich bewegenden Objektes detektiert werden. Das Grundprinzip sowie verschiedene Anwendungsmöglichkeiten dieses „selbst-mischende Interferenz“ (self-mixing interference, SMI) genannten Wirkprinzips sind beispielsweise auch in den wissenschaftlichen Veröffentlichungen „Laser diode self-mixing technique for sensing applications“ (Guido Giuliani et al 2002 J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 4 S283, https://doi.org/10.1088/1464-4258/4/6/371) sowie „Laser feedback interferometry: a tutorial on the self-mixing effect for coherent sensing“ (Thomas Taimre et al, Adv. Opt. Photon. 7, 570-631 (2015), https://doi.org/10.1364/AOP.7.000570) beschrieben.
Aus der EP 1 261 877 B1 ist die Verwendung eines nach den dem SMI-Wirkprinzip arbeitenden Sensors (im Folgenden SMI-Sensor genannt) zur Messung einer Bewegung eines Papierbogens relativ zum SMI-Sensor offenbart. Zur Verbesserung der Geschwindigkeitsmessung wird eine Sensoranordnung mit zwei SMI-Sensoren vorgeschlagen, deren Messachsen mit entgegengesetzten Winkeln in Bezug auf eine Normale zur Bewegungsebene der Papierbahn angeordnet sind. Damit werden in den beiden SMI-Sensoren jeweils entgegengesetzte Interferenzeffekte erzeugt. Dadurch kann der Betrag der Geschwindigkeit durch Subtrahieren der Detektorsignale bestimmt werden, während die Bewegungsrichtung durch Vergleichen der Asymmetrien der Detektorsignale ermittelt werden kann. In der EP 1 261 877 B1 wird jedoch lediglich eine Bewegungsmessung von flächigen, also zweidimensionalen Objekten wie Papierbögen offenbart, eine absolute Längenbestimmung, insbesondere von dreidimensionalen Objekten findet nicht statt.
In der EP 3 035 001 A1 ist eine Vorrichtung zur absoluten Positionsbestimmung eines sich bewegenden Objektes gezeigt, die ebenfalls auf der Verwendung von SMI-Sensoren basiert. Auf einer Oberfläche des Objekts angeordnete Codierungsmarken erzeugen bei Detektion durch den SMI-Sensor eine charakteristische Amplitudenänderung des Sensorsignals und ermöglichen so eine Positionsbestimmung des Objektes. Nachteilig hierbei ist, dass die Objekte mit entsprechenden Codierungsmarken versehen sein müssen.
Ein SMI-Sensor kann lediglich Radialgeschwindigkeiten abgetasteter Objektpunkte bestimmen, also die Geschwindigkeit des jeweils abgetasteten Objektpunktes eines bewegten Objektes in Richtung einer Messachse des SMI-Sensors. Mit dem Winkel zwischen der Messachse des SMI-Sensors und der Bewegungsrichtung des Objekts lässt sich dann die Geschwindigkeit des Objekts in Bewegungsrichtung bestimmen. Bewegt sich ein Objekt, beispielsweise in Form eines Quaders, durch eine Messachse eines SMI-Sensors, kann aus der der Geschwindigkeitsmessung des SMI-Sensors ein Übergang des Messstrahls von einer Seitenfläche auf eine Deckfläche des Quaders nicht ermittelt werden, da die vom SMI-Sensor bestimmte Radialgeschwindigkeit gleichbleibt, unabhängig davon, ob Seitenfläche oder Deckfläche des Quaders abgetastet werden. Eine Detektion einer Kante des Quaders ist auf diese Weise daher nicht möglich.
Eine ähnliche Problematik ergibt sich, wenn sich das Objekt auf einem Transportmedium, beispielsweise einem Förderband, befindet. Üblicherweise bewegt sich das Transportmedium mit derselben Geschwindigkeit wie das Objekt auf dem Transportmedium, der SMI-Sensor misst also immer dieselbe Geschwindigkeit, egal ob er das Transportmedium oder das darauf liegende Objekt abtastet. Um dennoch Objekte auf dem Transportmedium erkennen zu können, werden daher üblicherweise weitere Sensoren, beispielsweise Lichtschranken verwendet, um Objekte auf dem Transportmedium zu erkennen. Unterbricht ein Objekt auf dem Transportmedium die Lichtschranke, so lässt sich aus der Länge der Unterbrechung und der vom SMI-Sensor bestimmten Objektgeschwindigkeit die Länge des Objekts in Bewegungsrichtung des Transportmediums ermitteln.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung von SMI-Sensoren derart weiterzubilden, dass sie zur Längenbestimmung von bewegten dreidimensionalen, insbesondere quaderförmigen Objekten geeignet ist, ohne Daten weiterer Sensoren oder spezielle Markierungen an den Objekten verwenden zu müssen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur berührungslosen Vermessung eines sich entlang einer Bewegungsachse bewegenden Objekts mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, bei einer Sensoranordnung mit zwei Selbstmischende-Interferenz-Sensoren (SMI-Sensoren), die gegenläufige Messlichtstrahlen emittieren, durch geschickte Auswertung von Messsignalen der SMI-Sensoren eine Dimension von sich entlang einer in einer Bewegungsebene liegenden Bewegungsachse bewegenden dreidimensionalen Objekten, insbesondere Längen von quaderförmigen Objekten, zu ermöglichen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Vermessung von sich in einer Bewegungsebene entlang einer Bewegungsachse bewegenden Objekten, umfasst eine erste Sensoranordnung mit einem ersten Selbstmischende-Interferenz-Sensor (SMI-Sensor) zum Aussenden von ersten Messlichtstrahlen entlang einer ersten Messachse. Der erste SMI-Sensor weist entlang der ersten Messachse einen ersten Arbeitsbereich auf, wobei aus dem ersten Arbeitsbereich zum ersten SMI-Sensor zurückreflektierte erste Messlichtstrahlen im ersten SMI-Sensor ein erstes Messsignal erzeugen. Der erste SMI-Sensor ist so ausgerichtet, dass die ausgesendeten ersten Messlichtstrahlen zumindest teilweise in Bewegungsrichtung des Objekts verlaufen, also eine Komponente parallel zur Bewegungsachse und in Bewegungsrichtung aufweisen. Die erste Messachse bildet also mit einer senkrecht zur Bewegungsachse stehenden Ebene einen ersten Winkel.
Die erste Sensoranordnung umfasst weiterhin einen zweiten SMI-Sensor zum Aussenden von zweitem Messlicht entlang einer zweiten Messachse. Der zweite SMI-Sensor weist entlang der zweiten Messachse einen zweiten Arbeitsbereich auf, wobei aus dem zweiten Arbeitsbereich zum zweiten SMI Sensor zurückreflektierte zweite Messlichtstrahlen im zweiten SMI Sensor ein zweites Messsignal erzeugen. Der zweite SMI-Sensor ist so ausgerichtet, dass die ausgesendeten zweiten Messlichtstrahlen zumindest teilweise entgegen der Bewegungsrichtung des Objekts verlaufen, also eine Komponente parallel zur Bewegungsachse und entgegen der Bewegungsrichtung aufweisen. Die zweite Messachse bildet also mit einer senkrecht zur Bewegungsachse stehenden Ebene einen zweiten Winkel, der sich mindestens im Vorzeichen von dem ersten Winkel unterscheidet, den die erste Messachse mit der senkrecht zur Bewegungsachse stehenden Ebene bildet.
Die SMI-Sensoren sind so eingerichtet, dass lediglich die aus den Arbeitsbereichen der SMI-Sensoren zurückreflektierten Messlichtstrahlen Messsignale erzeugen, die einer Weiterverarbeitung zugeführt werden. Die Arbeitsbereiche weisen jeweils ein dem SMI-Sensor zugewandtes Ende und ein dem SMI-Sensor abgewandtes Ende auf. Die Ausdehnung der Arbeitsbereiche, kann Prinzip bedingt sein, beispielsweise dadurch, dass aufgrund von Materialeigenschaften der zu vermessenden Objekte die Intensität zurückreflektierter Messlichtstrahlen ab einer bestimmten Entfernung vom SMI-Sensor nicht mehr ausreicht, um ein Messsignal zu erzeugen. Die Mitte eines Arbeitsbereichs kann beispielsweise im Bereich der Strahltaille des Messlichtstrahls liegen. Alternativ können die Arbeitsbereiche auf den SMI-Sensoren abgewandten Seiten der Arbeitsbereiche durch das Transportmedium begrenzt sein. Die den SMI-Sensoren abgewandten Enden der Arbeitsbereiche sind dann Schnittpunkte der Messachsen der Sensoren mit dem Transportmedium. Die Länge der Arbeitsbereiche kann auch durch entsprechende Entfernungsfilter der SMI-Sensoren eingestellt sein.
Der Abstand zwischen den von den SMI-Sensoren abgewandten Enden der Arbeitsbereiche parallel zur Bewegungsachse des Objekts definiert eine Messstrecke mit einer Messstreckenlänge, wobei die Messstreckenlänge einen positiven Betrag aufweist, wenn das dem ersten SMI-Sensor abgewandte Ende des ersten Arbeitsbereichs dem dem zweiten SMI-Sensor abgewandten Ende des zweiten Arbeitsbereichs in Bewegungsrichtung vorgeordnet ist. Die Messstreckenlänge weist einen negativen Betrag auf, wenn das dem ersten SMI-Sensor abgewandte Ende des ersten Arbeitsbereichs dem dem zweiten SMI-Sensor abgewandten Ende des zweiten Arbeitsbereichs in Bewegungsrichtung nachgeordnet ist.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Steuer- und Auswerteeinheit zum Empfangen des ersten und des zweiten Messsignals sowie zum Bestimmen einer Geschwindigkeit entlang der Bewegungsachse aus wenigstens einem der Messsignale. Alternativ kann eine Ermittlung der Geschwindigkeit aus den Messsignalen bereits in den SMI-Sensoren erfolgen.
Bei der Geschwindigkeit kann es sich sowohl um die Geschwindigkeit der zu vermessenden Objekte als auch um die Geschwindigkeit des Transportmediums handeln, falls sich letzteres im Arbeitsbereich der befindet.
Die Steuer- und Auswerteeinheit ist dazu ausgebildet, eine erste charakteristische Änderung des ersten Messsignals zu einem ersten Zeitpunkt, eine erste charakteristische Änderung des zweiten Messsignals zu einem zweiten Zeitpunkt zu und eine zweite charakteristische Änderung des ersten Messsignals zu einem dritten Zeitpunkt zu erfassen.
Als charakteristische Änderung des Messsignals des SMI-Sensors ist eine globale Änderung des Messsignals zu verstehen. Dies kann beispielswiese eine Änderung der Gesamtintensität des im Eingangs angegebenen Stand der Technik beschriebenen, modulierten SMI-Messsignals sein. Eine Änderung der Gesamtintensität kann bei Reflexion des Messlichts von Flächen unterschiedlicher Reflektivität auftreten, beispielsweise, wenn der SMI-Sensor sowohl das Transportmedium als auch auf dem Transportmedium befindliche Objekte erfasst, und das Reflexionsverhalten des Transportmediums sich derart von dem der zu erfassenden Objekte unterscheidet, dass eine signifikante, also eine über ein Signalrauschen hinausgehende Änderung der Gesamtintensität auftritt, wenn statt des Transportmediums ein Objekt erfasst wird.
Eine globale Änderung des Messsignals kann auch eine digitale Änderung umfassen, das heißt ein Vorhandensein oder nicht-Vorhandensein eines SMI-Messsignals. Dies kann beispielsweise dann auftreten, wenn sich das Transportmedium außerhalb eines Arbeitsbereichs des SMI-Sensors befindet. Das vom Transportmedium zurückreflektierte Messlicht reicht dann nicht aus, um im SMI-Sensor eine Interferenz zu erzeugen, wird also vom SMI-Sensor nicht erfasst. Ein Messsignal wird in diesem Fall erst dann erzeugt, wenn ein Objekt in den Arbeitsbereich des SMI-Sensors eintritt.
Zur Bestimmung einer Länge des Objektes ist die Steuer- und Auswerteeinheit dazu ausgebildet, unter Verwendung des ersten Zeitpunkts, des zweiten Zeitpunkts, des dritten Zeitpunkts, der ermittelten Objektgeschwindigkeit und der Messstreckenlänge eine Länge des Objekts entlang der Bewegungsachse zu bestimmen.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass mit der Vorrichtung sowohl die Geschwindigkeit als auch eine Länge des Objektes bestimmt werden kann, ohne dass ein weiterer Sensor oder spezielle Markierungen auf dem Objekt nötig sind.
Insbesondere bei einer gleichförmigen Bewegung des Objekts ist eine einmalige Geschwindigkeitsermittlung, beispielsweise in einem Zeitraum zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem dritten Zeitpunkt, zur Bestimmung der Länge des Objekts ausreichend. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann weiterhin dazu ausgebildet sein, die ermittelten Geschwindigkeiten über die Zeit zu speichern. Dadurch kann auch bei nicht gleichförmiger Geschwindigkeit eine exakte Längenbestimmung des Objekts erfolgen.
Im Falle einer gleichförmigen Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit kann die Steuer- und Auswerteeinheit dazu ausgebildet sein, aus einer ersten Zeitdifferenz zwischen dem dritten Zeitpunkt und dem ersten Zeitpunkt und der konstanten Geschwindigkeit einen Längenwert zu bestimmen, durch Addieren des Längenwerts und der Messstreckenlänge die Länge des Objekts entlang der Bewegungsachse zu ermitteln.
Zur exakteren Längenbestimmung kann die Steuer- und Auswerteeinheit zusätzlich oder alternativ dazu ausgebildet sein, bei variablen Geschwindigkeiten den Längenwert durch zeitliche Integration der zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem dritten Zeitpunkt bestimmten Geschwindigkeiten zu ermitteln und die Länge des Objekts entlang der Bewegungsachse durch Addieren des Längenwerts und der Messstreckenlänge zu ermitteln.
Die Steuer- und Auswerteeinheit kann als integraler Teil der Sensoranordnung, als externe Einheit oder als Teil eines der SMI-Sensoren ausgeführt sein.
Die Steuer und Auswerteeinheit kann eine Schnittstelle zur Ausgabe der empfangenen Daten und/oder zur Ausgabe der Objektlänge, beispielsweise an eine Anzeigeeinheit oder eine übergeordnete Steuerung, aufweisen.
Die Messachsen des ersten und des zweiten SMI-Sensors können bezüglich der senkrecht zur Bewegungsachse stehenden Ebene bevorzugt betragsmäßig gleiche Winkel aufweisen. Durch solch eine symmetrische Anordnung wird die Datenverarbeitung vereinfacht.
Die Messachsen des ersten und des zweiten SMI-Sensors können bevorzugt in einer gemeinsamen Messebene liegen. Die Bewegungsachse des Objekts kann bevorzugt in der gemeinsamen Messebene liegen. Durch diese geometrische Anordnung wird die Datenverarbeitung weiter vereinfacht. Der erste und der zweite SMI-Sensor können so angeordnet sein, dass sich ihre Messachsen in einem Schnittpunkt in der gemeinsamen Messebene schneiden. Der Schnittpunkt kann dabei in der Mitte der Arbeitsbereiche der SMI Sensoren liegen
In einer alternativen Ausführungsform können die Messachsen des ersten und des zweiten SMI-Sensors in parallelen Messebenen liegen. Durch diese geometrische Anordnung werden Störsignale durch Reflektion der Messstrahlen an Optiken des jeweils anderen SMI-Sensors verhindert. Die Bewegungsachse des Objekts kann bevorzugt zwischen den Messebenen liegen. Der erste und der zweite SMI-Sensor können so angeordnet sein, dass die Entfernung der Mitten der Arbeitsbereiche der SMI-Sensoren minimal ist.
In einer Ausführungsform kann das Transportmedium in wenigstens einem Arbeitsbereich der SMI-Sensoren liegen. Damit kann eine Geschwindigkeit des Transportmediums bestimmt werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann das Transportmedium außerhalb der Arbeitsbereiche der SMI-Sensoren liegen. Dies hat den Vorteil, dass eine zuverlässigere Objekterfassung erfolgen kann, da nur Messsignale von Objekten auf dem Transportmedium, aber nicht vom Transportmedium selbst erfasst werden.
Die Messstreckenlänge kann in einem Einlernprozess beispielsweise mit einem Messkörper definierter Länge bestimmt werden, wobei der Messkörper eine Reflektivität aufweist, die im Rahmen üblicher Toleranzen der Reflektivität der zu vermessenden Objekte entspricht. Sind die SMI Sensoren so angeordnet, dass ihre Arbeitsbereiche durch das Transportmedium begrenzt werden, ergibt sich die Messstreckenlänge aus dem Abstand der Schnittpunkte der Messlichtstrahlen mit dem Transportmedium.
Die Steuer- und Auswerteeinheit kann die Geschwindigkeit des Objekts entlang der Bewegungsachse unter Verwendung des ersten des zweiten Messsignals bestimmen, wobei ein Mittelwert der mit den beiden Sensoren gewonnenen Geschwindigkeit gebildet werden kann oder die Messsignale zur Geschwindigkeitsbestimmung wie in der EP 1 261 877 B1 beschrieben, subtrahiert werden. Dadurch wird eine genauere Geschwindigkeitsbestimmung ermöglicht.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann eine zweite Sensoranordnung vorgesehen sein, die einen dritten und einen vierten SMI Sensor aufweist, wobei die Messachsen des dritten und des vierten SMI-Sensors vorzugsweise parallel zu den Messachsen des ersten und des zweiten SMI-Sensors ausgerichtet sein können. Die Verwendung einer zweiten Sensoranordnung hat den Vorteil, dass nicht nur eine Dimension, sondern durch Vergleich zeitlicher Verläufe charakteristischer Signaländerungen in der ersten Sensoranordnung und der zweiten Sensoranordnung eine Ausrichtung des Objekts auf dem Transportmedium bestimmt werden kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Hierbei sind gleiche Teile in den Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Vermessung eines sich entlang einer Bewegungsachse bewegenden Objekts;
2 eine beispielhafte Abtastung eines Objekts mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verschiedenen Zeitpunkten bei außerhalb der Arbeitsbereiche der SMI-Sensoren liegendem Transportmedium;
3 eine Abtastung eines Objekts mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verschiedenen Zeitpunkten bei innerhalb der Arbeitsbereiche der SMI-Sensoren liegendem Transportmedium;
4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Vermessung eines sich entlang einer Bewegungsachse bewegenden Objekts mit zwei parallel angeordneten Sensoranordnungen;

1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Vermessung eines sich mit einer Geschwindigkeit v entlang einer Bewegungsachse 12 in einer Bewegungsrichtung 13 bewegenden Objekts 14. Die Vorrichtung 10 umfasst eine erste Sensoranordnung 16 mit einem ersten Selbstmischende-Interferenz-Sensor (SMI-Sensor) 18.1 und einem zweiten SMI-Sensor 18.2 sowie eine Steuer- und Auswerteeinrichtung 20 zur Steuerung der SMI-Sensoren 18.1, 18.2 und zum Empfangen und oder Auswerten von Messsignalen 44, 48 der SMI-Sensoren 18.1, 18.2. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 20 weist eine Schnittstelle 21 zur Weitergabe der Messsignale und/oder von Auswertungsergebnissen auf. Die Schnittstelle 21 kann auch zum Empfangen von Ansteuersignalen einer übergeordneten Steuerung eingerichtet sein. Der erste SMI-Sensor 18.1 sendet aus einer Apertur 36.1 Messlichtstrahlen entlang einer ersten Messachse 22.1 aus, die einen ersten Winkel α₁ bezüglich einer senkrecht zur Bewegungsachse 12 stehenden Ebene 24 aufweist. Der zweite SMI-Sensor 18.2 sendet aus einer Apertur 36.2 Messlicht entlang einer zweiten Messachse 22.2 aus, die einen zweiten Winkel α₂ bezüglich einer senkrecht zur Bewegungsachse 12 stehenden Ebene 24 aufweist.
Die Winkel α₁, α₂ sind gerichtete Winkel mit einer Orientierung, die über ein Vorzeichen vor der Größe des Winkels angegeben wird. Im Ausführungsbeispiel weisen die Winkel den gleichen Betrag auf, es gilt α₂ = -α₁. Die Messachsen 22.1, 22.2 können weiterhin in einer gemeinsamen Messebene, im Ausführungsbeispiel die Zeichnungsebene, liegen. Liegt wie im Ausführungsbeispiel die Bewegungsachse 12 in oder parallel zur Messebene, so ergibt sich die Geschwindigkeit v des Objektes 14 aus den von den SMI-Sensoren 18.1, 18.2 bestimmten Geschwindigkeiten V_Sensor1, vsensor2 gemäß den Formeln $v = v_{S e n s o r_{1}} cos (90 - α_{1})$
beziehungsweise $v = v_{S e n s o r_{2}} cos (90 - α_{2})$
Der erste SMI-Sensor 18.1 und der zweite SMI-Sensor 18.2 weisen jeweils einen ersten Arbeitsbereich 26.1 und einen zweiten Arbeitsbereich 26.2 entlang den Messachsen 22.1, 22.2 auf, wobei lediglich aus den Arbeitsbereichen 26.1, 26.2 zurück reflektierte Messlichtstrahlen Messsignale 44, 48 erzeugen, die einer Weiterverarbeitung zugeführt werden. Das dem ersten SMI-Sensor 18.1 abgewandte Ende 28.1 des ersten Arbeitsbereichs 26.1 und das dem zweiten SMI-Sensor 18.2 abgewandte Ende 28.2 des zweiten Arbeitsbereichs 26.2 definieren eine Messstrecke parallel zur Bewegungsachse 12 des Objekts 14 mit einer Messstreckenlänge I_M. Da im Ausführungsbeispiel das dem ersten SMI-Sensor 18.1 abgewandte Ende 28.1 des ersten Arbeitsbereichs 26.1 dem dem zweiten SMI-18.2 abgewandten Ende 28.2 des zweiten Arbeitsbereichs 26.2 in Bewegungsrichtung 13 des Objekts 14 nachgeordnet ist, fließt die Messstreckenlänge I_M mit einem negativen Betrag in eine Bestimmung der Objektlänge l_Obj ein
Die erste Sensoranordnung 16 ist in einer Höhe h_Sensor gemessen von den Aperturen 36.1, 36.2 der SMI-Sensoren 18.1, 18.2, über einem Transportmedium 34 angeordnet, auf oder mit dem sich das Objekt 14 bewegt. Im Ausführungsbeispiel liegen die den SMI-Sensoren 18.1, 18.2 abgewandten Enden 28.1, 28.2 der Arbeitsbereiche 26.1, 26.2 in einem Abstand h_offset oberhalb des Transportmediums 34, so dass das Transportmedium 34 nicht von den SMI-Sensoren 18.1, 18.2 erfasst wird. Der vertikale Abstand 38 der Aperturen 36.1, 36.2 der SMI-Sensoren 18.1, 18.2 zum Schnittpunkt der Messachsen 22.1, 22.2 wird als Standoff Distance (SD) bezeichnet.
2 zeigt schematisch ein erstes Beispiel des Funktionsprinzips der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Sensoranordnung 16 ist so in einer ersten Höhe h_Sensor1 über dem Transportmedium 34, beispielsweise einem Förderband, angeordnet, dass das Transportmedium 34 nicht in den Arbeitsbereichen 26.1, 26.2 der SMI-Sensoren 18.1, 18.2 liegt. Dadurch erzeugt das Transportmedium 34 in den SMI-Sensoren 18.1, 18.2 wie im Intensitäts-Zeit-Diagramm 40 in der linken unteren Ecke der 2 gezeigt, kein Intensitätssignal. Die SMI-Sensoren 18.1, 18.2 der Sensoreinheit 16 liefern somit auch keine Geschwindigkeitssignale, wie im Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm 42 in der rechten unteren Ecke der 2 gezeigt.
Zu einem ersten Zeitpunkt T₁ tritt das Objekt 14, das sich entlang der Bewegungsachse 12 auf dem Transportmedium 34 bewegt, in die zweite Messachse 22.2 des zweiten SMI-Sensors 18.2 ein. Messlichtstrahlen, die vom zweiten SMI-Sensor 18.2 ausgesendet wurden, werden vom Objekt 14 reflektiert, gelangen zumindest teilweise entlang der zweiten Messachse 22.2 zurück zum zweiten SMI-Sensor 18.2 und erzeugen dort ein zweites Messsignal 44 mit einer Intensität I (gestrichelte Linie im Intensität-Zeit-Diagramm 40). Zum Zeitpunkt T₁ erfolgt also eine erste charakteristische Änderung des zweiten Messsignals 44, nämlich eine plötzliche Änderung der Intensität von einem Wert unter einer Nachweisgrenze zu einem Wert, bei dem der zweite SMI-Sensor 18.2 eine Geschwindigkeit v bestimmen kann, so dass auch das Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm 42 ab dem Zeitpunkt T₁ ein von Null verschiedenes zweites Geschwindigkeitssignal 46 zeigt (gestrichelte Linie im Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm 42).
Zu einem zweiten Zeitpunkt T₂ werden auch vom ersten SMI-Sensor 18.1 ausgesendete Messlichtstrahlen vom Objekt 14 reflektiert, gelangen zumindest teilweise entlang der ersten Messachse 22.1 zurück zum ersten SMI-Sensor 18.1 und erzeugen dort ein erstes Messsignal 48 mit einer Intensität I (Strichpunkt-Linie im Intensitäts-Zeit-Diagramm 40). Zum Zeitpunkt T₂ erfolgt also eine erste charakteristische Änderung des ersten Messsignals 48 analog zur Änderung des zweiten Messsignals 44 zum Zeitpunkt T₁. Dementsprechend liefert nun auch der erste SMI-Sensor 18.1 ein von Null verschiedenes zweites Geschwindigkeitssignal 50 (Strichpunkt-Linie im Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm 42).
Zu einem dritten Zeitpunkt T₃ tritt das Objekt 14 aus der ersten Messachse 22.1 des ersten SMI-Sensors 18.1 aus. Damit erfolgt eine zweite charakteristische Änderung des ersten Messsignals 48, dessen Intensität ebenfalls wieder auf einen Wert unter der Nachweisgrenze fällt, womit auch kein erstes Geschwindigkeitssignal 50 mehr vorliegt.
Bei konstanter Objektgeschwindigkeit V_konst ergibt sich aus geometrischen Überlegungen die Objektlänge I_Obj zu $l_{O b j} = (T_{3} - T_{1}) \cdot v_{k o n s t} + l_{M}$
wobei I_M die Messstreckenlänge der Sensoranordnung 16 bezeichnet. Da im Ausführungsbeispiel das dem ersten SMI-Sensor 18.1 abgewandte Ende 28.1 des ersten Arbeitsbereichs 26.1 dem dem zweiten SMI-Sensor 18.2 abgewandten Ende 28.1 des zweiten Arbeitsbereichs 26,2 in Bewegungsrichtung 13 des Objekts 14 nachgeordnet ist, fließt die Messstreckenlänge I_M mit einem negativen Betrag in eine Bestimmung der Objektlänge l_Obj ein, wird also von der Länge, die sich aus der Differenz der Zeitpunkt T₃ und T₁ ergibt, abgezogen.
Bei variabler Objektgeschwindigkeit v_var kann die Objektlänge I_Obj unter Verwendung von über die Zeit in den SMI-Sensoren 18.1, 18.2 oder der Auswerteeinheit 20 gespeicherten, zeitabhängigen variablen Objektgeschwindigkeit v_var(t) bestimmt werden. Es gilt dann: $l_{O b j} = \int_{T_{1}}^{T_{3}} v_{v a r} (t) d t + l_{M}$
3 zeigt schematisch ein zweites Beispiel des Funktionsprinzips der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Sensoranordnung 16 ist so in einer zweiten Höhe h_Sensor2 über dem Transportmedium 34, angeordnet, dass das Transportmedium 34 in den Arbeitsbereichen 26.1, 26.2 der SMI-Sensoren 18.1, 18.2 liegt. Dadurch erzeugt das Transportmedium 34 in den SMI-Sensoren 18.1, 18.2 wie im Intensitäts-Zeit-Diagramm 60 in der linken unteren Ecke der 3 gezeigt, Intensitätssignale 64, 68. Die SMI-Sensoren 18.1, 18.2 der Sensoreinheit 16 liefern somit auch Geschwindigkeitssignale, wie im Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm 62 in der rechten unteren Ecke der 3 gezeigt.
Zu einem ersten Zeitpunkt T₁ tritt das Objekt 14, das sich in einer Bewegungsrichtung 13 entlang der Bewegungsachse 12 auf dem Transportmedium 34 bewegt, in die zweite Messachse 22.2 des zweiten SMI-Sensors 18.2 ein. Messlichtstrahlen, die vom zweiten SMI-Sensor 18.2 ausgesendet wurden, werden vom Objekt 14 reflektiert, gelangen zumindest teilweise entlang der zweiten Messachse 22.2 zurück zum zweiten SMI-Sensor 18.2. Aufgrund unterschiedlicher Reflektivität des Transportmediums 34 und des Objekts 14 (im Beispiel eine höhere Reflektivität des Objekts 14 im Vergleich zum Transportmedium 34) ändert sich die Intensität des zweiten Messsignals 64 (gestrichelte Linie im Intensität-Zeit-Diagramm 60). Zum Zeitpunkt T₁ erfolgt also eine erste charakteristische Änderung des zweiten Messsignals 64, nämlich eine plötzliche Erhöhung der Intensität, die vom zweiten SMI-Sensor 18.2 erfasst werden kann. Da sich das Objekt 14 mit derselben Geschwindigkeit v bewegt, wie das Transportmedium 34, ändert sich die vom zweiten SMI-Sensor 18.2 bestimmte Geschwindigkeit v und das entsprechende erste Geschwindigkeitssignal 66 (gestrichelte Linie im Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm 62) nicht.
Zu einem zweiten Zeitpunkt T₂ werden auch vom ersten SMI-Sensor 18.1 ausgesendete Messlichtstrahlen vom Objekt 14 reflektiert und gelangen zumindest teilweise entlang der ersten Messachse 22.1 zurück zum ersten SMI-Sensor 18.1. Aufgrund unterschiedlicher Reflektivität des Transportmediums 34 und des Objekts 14 ändert sich auch hier wie beim Zeitpunkt T₁ die Intensität des ersten Messsignals 68 (Strichpunkt-Linie im Intensitäts-Zeit-Diagramm 60). Zum Zeitpunkt T₂ erfolgt also eine erste charakteristische Änderung des ersten Messsignals 68, nämlich eine plötzliche Erhöhung der Intensität, die vom ersten SMI-Sensor 18.1 erfasst werden kann. Da sich das Objekt 14 mit derselben Geschwindigkeit v bewegt, wie das Transportmedium 34, ändert sich auch die vom ersten SMI-Sensor 18.1 bestimmte Geschwindigkeit und das entsprechende erste Geschwindigkeitssignal 70 (Strichpunkt-Linie im Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm 62) nicht.
Zu einem dritten Zeitpunkt T₃ tritt das Objekt 14 aus der ersten Messachse 22.1 des ersten SMI-Sensors 18.1 aus. Damit erfolgt eine zweite charakteristische Änderung des ersten Messsignals 68, dessen Intensität wieder auf den Wert vor dem zweiten Zeitpunkt T₂ fällt.
In dem in 3 beschriebenen Beispiel ist es also möglich, neben der Objektgeschwindigkeit v auch die Geschwindigkeit des Transportmediums zu bestimmen. Zur Längenbestimmung ist jedoch ein ausreichender Unterschied der Reflektivität von Transportmedium 34 und zu vermessendem Objekt 14 nötig, damit eine charakteristische Änderung der Intensität des Messsignals von den SMI-Sensoren 18.1, 18.2 erfasst und somit die Zeitpunkte T₁ bis T₃ zuverlässig bestimmt werden können. Die Längenbestimmung des Objekts 14 erfolgt wie im in 2 beschriebenen Beispiel.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 80, die eine wie in 1 beschriebene erste Sensoranordnung 16 und eine zweite Sensoranordnung 16b aufweist. Die zweite Sensoranordnung 16b kann wie die erste Sensoranordnung 16 aufgebaut sein, wobei die Messachsen der SMI-Sensoren der ersten und zweiten Sensoranordnungen 16, 16b so ausgerichtet sind, dass die Messachsen in parallelen Messebenen 88a, 88b liegen.
Bewegen sich rechteckige Objekte 84, 94 auf einem Transportmedium 81 entlang einer Bewegungsachse 82 (beispielsweise Pakete auf einem Förderband) durch die Arbeitsbereiche der Sensoranordnungen 16, 16b, kann durch Bestimmen der Objektlängen L_1a, L_1b, L_2a, L_2b sowie das Eintreten der Objekte in die Arbeitsbereiche beziehungsweise das Austreten der Objekte aus den Arbeitsbereichen der SMI-Sensoren der Sensoranordnungen 16, 16b, also durch Vergleich zeitlicher Verläufe charakteristischer Signaländerungen, die Ausrichtung der Objekte 84, 94 auf dem Transportmedium 81 bestimmt werden.
Sind beispielsweise wie beim ersten Objekt 84 die Seitenflächen des ersten Objekts parallel beziehungsweise senkrecht zu den Messebenen 88a, 88b der Sensoranordnungen 16, 16b ausgerichtet, ermitteln diese zum einen identische Längen L_1a, L_1b des ersten Objekt 84, zum anderen wird das erste Objekt 84 im Rahmen üblicher Toleranzen gleichzeitig in die Arbeitsbereiche der SMI-Sensoren der Sensoranordnungen 16, 16b eintreten.
Sind wie beim zweiten Objekt 94 die Seitenflächen nicht parallel zu den Messebenen 88a, 88b der Sensoranordnungen 86a, 86b ausgerichtet, wird das zweite Objekt 94 zum einen zu unterschiedlichen Zeitpunkten in die Arbeitsbereiche der SMI-Sensoren der Sensoranordnungen 86a, 86b eintreten, zum anderen werden sich die ermittelten Längen L_2a, L_2b des zweiten Objekt 94 unterscheiden. Sind die Dimensionen des Objekts bekannt, lässt sich so die Lage des Objekts 94 auf dem Transportmedium 81 bestimmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1261877 B1 [0003, 0032]
EP 3035001 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung (10) zur Vermessung eines Objekts (14), das sich in einer Bewegungsrichtung (13) entlang einer Bewegungsachse (12) bewegt, aufweisend: - eine erste Sensoranordnung (16) mit, - einem ersten Selbstmischende-Interferenz-Sensor (SMI-Sensor) (18.1), zum Aussenden von ersten Messlichtstrahlen entlang einer ersten Messachse (22.1), zum Empfangen von aus einem ersten Arbeitsbereich (26.1) des ersten SMI-Sensor (18.1) zurückreflektierten ersten Messlichtstrahlen und zum Erzeugen eines ersten Messsignals (48) aus den zurückreflektierten ersten Messlichtstrahlen, wobei der erste SMI-Sensor (18.1) derart ausgerichtet ist, dass die ausgesendeten ersten Messlichtstrahlen zumindest teilweise in der Bewegungsrichtung (13) des Objekts (14) verlaufen, - einem zweiten SMI-Sensor (18.2) zum Aussenden von zweiten Messlichtstrahlen entlang einer zweiten Messachse (22.2), zum Empfangen von aus einem zweiten Arbeitsbereich (26.2) des zweiten SMI-Sensors (18.2) zurückreflektierten zweiten Messlichtstrahlen und zum Erzeugen eines zweiten Messsignals (44) aus den zurückreflektierten zweiten Messlichtstrahlen, wobei der zweite SMI-Sensor (18.2) derart ausgerichtet ist, dass die ausgesendeten zweiten Messlichtstrahlen zumindest teilweise entgegen der Bewegungsrichtung (13) des Objekts (14) verlaufen, wobei der erste Arbeitsbereich (26.1) ein dem ersten SMI Sensor (18.1) abgewandtes Ende (28.1) und der zweite Arbeitsbereich (26.2) ein dem zweiten SMI Sensor (18.2) abgewandtes Ende (28.2) aufweist, und die Enden (28.1, 28.2) eine Messstrecke mit einer Messstreckenlänge (I_M) parallel zur Bewegungsachse (12) definieren; - eine Steuer- und Auswerteeinheit (20) zum Empfangen des ersten Messsignals (48) und des zweiten Messsignals (44) und zum Bestimmen einer Geschwindigkeit (v) des Objekts entlang der Bewegungsachse (12) aus wenigstens einem der Messsignale (44, 48), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (20) dazu ausgebildet ist, - eine erste charakteristische Änderung des zweiten Messsignals (44) zu einem ersten Zeitpunkt (T₁) zu erfassen, - eine erste charakteristische Änderung des ersten Messsignals (48) zu einem zweiten Zeitpunkt (T₂) zu erfassen, - eine zweite charakteristische Änderung des ersten Messsignals (48) zu einem dritten Zeitpunkt (T₃) zu erfassen, und unter Verwendung des ersten Zeitpunkts (T₁), des dritten Zeitpunkts (T₃), der Geschwindigkeit (v) und der Messstreckenlänge (I_M) eine Objektlänge (I_Obj) des Objekts (14) entlang der Bewegungsachse (12) zu bestimmen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (20) dazu ausgebildet ist, die Geschwindigkeit (v) über die Zeit zu speichern
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (20) dazu ausgebildet ist, bei einer konstanten Geschwindigkeit (v_const) des Objekts (14) aus einer Zeitdifferenz zwischen dem dritten Zeitpunkt (T₃) und dem ersten Zeitpunkt (T₁) und der konstanten Geschwindigkeit (v_const) einen Längenwert zu ermitteln, und aus dem Längenwert und der Messstreckenlänge (I_M) die Länge des Objekts (14) entlang der Bewegungsachse (12) zu ermitteln.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (20) dazu ausgebildet ist, bei einer variablen Geschwindigkeit (v_var) einen Längenwert durch zeitliche Integration der variablen Geschwindigkeiten (v_var) zwischen dem ersten Zeitpunkt (T₁) und dem dritten Zeitpunkt (T₃) zu ermitteln, und aus dem Längenwert und der Messstreckenlänge (I_M) die Länge des Objekts (14) entlang der Bewegungsachse (12) zu ermitteln.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstreckenlänge (I_M) positiv ist, wenn das dem ersten SMI-Sensor (18.1) abgewandte Ende (28.1) des ersten Arbeitsbereichs (26.2) dem dem zweiten SMI-Sensor (18.2) abgewandten Ende (28.2) des zweiten Arbeitsbereichs (26.2) in Bewegungsrichtung (13) vorgeordnet ist, die Messstreckenlänge (I_M) negativ ist, wenn das dem ersten Sensor (18.1) abgewandte Ende (28.1) des ersten Arbeitsbereichs (26.2) dem dem zweiten SMI-Sensor (18.2) abgewandten Ende (28.2) des zweiten Arbeitsbereichs (26.2) in Bewegungsrichtung (13) nachgeordnet ist und die Steuer- und Auswerteeinheit (20) dazu ausgebildet ist, die Länge (l_Obj) des Objekts (14) durch Addition des Längenwerts und der Messstreckenlänge (I_M) zu bestimmen.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messachse (22.1) einen ersten Winkel (α₁) bezüglich einer senkrecht zur Bewegungsachse (12) stehenden Ebene (24) und die zweite Messachse (22.2) einen zweiten Winkel (α₂) bezüglich der senkrecht zur Bewegungsachse (12) stehenden Ebene (24) aufweist, wobei die Winkel (α₁, α₂) unterschiedliche Vorzeichen aufweisen und die Beträge der Winkel (α₁, α₂) gleich sind.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messachse (22.1) und die zweite Messachse (22.2) in einer gemeinsamen Messebene liegen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsachse (12) des Objekts (14) in der gemeinsamen Messebene liegt.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messachse (22.1) und die zweite Messachse (22.2) in parallelen Messebenen liegen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsachse (12) des Objekts (14) zwischen den parallelen Messebenen liegt
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (14) von einem Transportmedium (34) bewegt wird, wobei das Transportmedium (34) in wenigstens einem Arbeitsbereich (26.1, 26.2) der SMI-Sensoren (18.1, 18.2) liegt.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (14) von einem Transportmedium (34) bewegt wird, wobei das Transportmedium (34) außerhalb der Arbeitsbereiche (26.1, 26.2) der SMI-Sensoren (18.1, 18.2) liegt.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (20) dazu ausgebildet ist, die Geschwindigkeit (v) entlang der Bewegungsachse (12) unter Verwendung des ersten und des zweiten Messsignals (44, 48) zu bestimmen.
Vorrichtung (80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (80) eine zweite Sensoranordnung (16b) mit einem dritten SMI-Sensor und einen vierten SMI-Sensor aufweist, wobei die Messachsen des dritten und des vierten SMI-Sensors parallel zu den Messachsen (22.1, 22.2) des ersten und des zweiten SMI-Sensors (18.1, 18.2) der ersten Sensoranordnung (16) ausgerichtet sind.