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Dokumentenidentifikation DE102004014245A1 13.10.2005
Titel Vorrichtung und Verfahren zum optischen Detektieren einer Oberfläche
Anmelder Reime GmbH, 77830 Bühlertal, DE
Erfinder Reime, Gerd, 75328 Schömberg, DE
Vertreter Patentanwälte Reinhardt & Pohlmann Partnerschaft, 75172 Pforzheim
DE-Anmeldedatum 24.03.2004
DE-Aktenzeichen 102004014245
Offenlegungstag 13.10.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.10.2005
IPC-Hauptklasse G01N 21/88
IPC-Nebenklasse G01N 21/47   G01B 11/30   G01B 11/245   G01B 11/24   
Zusammenfassung Eine Vorrichtung und ein Verfahren sind zum optischen Detektieren einer Oberfläche bestimmt. Dazu ist wenigstens eine relativ zur Oberfläche bewegbare Sensoreinheit mit mehreren Lichtquellen (A, C, G, I) zur Aussendung von Licht und wenigstens ein Empfänger (B, H) zum Empfang des von der Lichtquelle ausgesandten Lichts nach Reflektion unter Bildung von wenigstens zwei Strahlungsstrecken (50) zwischen Lichtquelle und Empfänger vorgesehen. Eine Auswerteeinheit setzt die vom Empfänger (B, H) für die Strahlungsstrecke (50) empfangenen Signale zur Erfassung von Erhebungen (17) oder Vertiefungen durch Vergleich mit Referenzwerten um. Dadurch, dass mehrere für verschiedene Strahlungsstrecken (50) getaktet betriebene Lichtquellen (A, C, G, I) vorgesehen sind und dass zur Bestimmung der Lage der Erhebungen, Vertiefungen oder optisch erfassbaren Oberflächendetails die aus den Strahlungsstrecken kommenden Signalwerte miteinander verrechnet werden, werden eine Vorrichtung und ein Verfahren geschaffen, die eine Überwachung bzw. Detektion der Anbringung der Erhebungen oder Vertiefungen auf kostengünstige Weise erlauben.

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum optischen Detektieren einer Oberfläche, wie z.B. beim zwei- oder dreidimensionalen Auftrag eines Materials auf einem Untergrund oder allgemein beim Detektieren von Erhebungen, Vertiefungen oder sonstiger optisch erfassbarer Oberflächendetails an einer Oberfläche nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 19.

Eine derartige Vorrichtung ist z.B. aus der DE 38 09 221 A1 bekannt und dient dort zum Feststellen von Fehlstellen vorzugsweise von Rissen und/oder Einschnürungen an Pressteilen oder anderen Werkstücken. Für diesen Zweck wird eine optische Abtastung vorgenommen, wobei die beleuchtete Oberfläche mit einer Kamera aufgenommen wird, deren Bild dann bildpunktweise mit einem Referenzbild verglichen wird. Dabei ermittelte Unterschiede werden als Unzulänglichkeiten ausgegeben. Dieses Verfahren ist allerdings schon allein auf Grund des Kameraeinsatzes recht aufwändig und erlaubt nicht immer eine Online-Prüfung bei einer taktzeitgesteuerten Serienfertigung. In der Nähe von Schweißrobotern kann es zudem zu einem Blenden der Kamera kommen.

Ein bevorzugter Einsatzbereich der Erfindung ist der Auftrag von Klebe- und Schweißraupen, also ein dreidimensionaler Auftrag, wenngleich das Verfahren auch zum zweidimensionalen Auftragen z.B. einer Farbschicht oder Klebeschicht oder zum Detektieren von optisch erfassbaren Oberflächendetails wie z.B. Bohrlöcher oder Markierungen geeignet ist und auch andere Einsatzzwecke möglich sind. Im Rahmen des Aufbringens eines Kunststoff- oder Klebstoffstrangs ist aus der DE 199 36 730 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt, das beispielsweise in der Automobilindustrie zum Versiegeln von Bördelnähten an Blechteilen bestimmt ist. Eine Roboteranordnung besitzt eine relativ zur Unterlage entlang einer vorgegebenen Bahn bewegbare Detektionsvorrichtung. Damit wird ein aushärtbarer flüssiger oder pastöser Kunststoff unter Druck aufgetragen, wobei zur blasenfreien Aushärtung eine UV-Lichtquelle parallel mitgeführt wird. Eine Qualitätsprüfung der ausgetretenen pastösen Masse auf Lage und/oder Breite des Materialauftrags erfolgt jedoch nicht.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 706 648 A1 ist ein optisches System zur Detektion einer Änderung in der Reflexion an einem Gegenstand bekannt, bei dem Fremdlichtänderungen keinen Einfluss auf den gemessenen Wert ausüben. Das dortige System wird im Wesentlichen als Scheibenwischersensor zur Erfassung der auf einer Windschutzscheibe auftreffenden Regentropfen verwendet, kann jedoch ebenso als Positionssensor benutzt werden. Werden dabei die optoelektronischen Messstrecken flächig aufgebaut, lassen sich zweidimensionale Werte für die Bestimmung der Position eines Objekts bestimmen. Eine Fremdlichtkompensation wird dadurch erreicht, dass die aus getaktet betriebenen Strahlungsstrecken am Empfänger eingehenden Signale miteinander verglichen werden. Ein eventueller Differenzwert an der Photodiode wird zeitabhängig dadurch zu Null zurückgeregelt, dass die in die Strahlungsstrecken eingebrachte Strahlungsleistung nachgeregelt wird. In der EP 706 648 A1 werden nur dynamische Änderungen der Regelspannung ausgewertet.

Dieses System wird nach der WO 03/009476 A1 dadurch weiterentwickelt, dass in einem weiteren Takt zur dreidimensionalen Positionsbestimmung mehrere Lichtquellen den Raum vor der Sensoreinheit gleichmäßig ausleuchten und aufgrund der Reflektion eines in diesem Raum bewegten Objekts dessen Position und ggf. Entfernung zur Sensoreinheit bestimmen.

Offenbarung der Erfindung

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die eine Überwachung der Anbringung oder Detektion von Erhebungen oder Vertiefungen auf kostengünstige Weise erlauben.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 19 gelöst.

Durch den Einsatz einer Sensoreinheit, die aus mehreren Lichtquellen wie z. B. Leuchtdioden in Verbindung mit wenigstens einem Empfänger besteht, kann auf Grund der aus den verschiedenen Strahlungsstrecken anstehenden Positionsmesswerte auch mehrdimensional zumindest die Lage und Breite von Erhebungen oder Vertiefungen oder eines Auftrags bestimmt werden. Grundsätzlich lassen sich alle Arten von optisch erfassbaren Oberflächendetails detektieren wie z.B. Bohrlöcher oder Markierungen, an denen z.B. derartige Bohrlöcher angebracht werden sollen. Ein aufwendiges Kamerasystem mit entsprechenden Bearbeitungszeiten zur bildpunktweisen Überprüfung der erfassten Werte ist nicht erforderlich. Trotzdem lässt sich selbst ein dreidimensionaler schwarzer Auftrag auf schwarzen Untergrund erkennen. Damit wird eine Online-Dokumentation möglich, die den Anforderungen eines Qualitätsmanagements entspricht. Deutlich lässt sich bereits während des Anbringens erkennen, ob der Auftrag zufriedenstellend ausgeführt ist oder nicht.

Bedarfsweise kann eine dynamische Fremdlichtkompensation eingesetzt werden, die den erwünschten Nebeneffekt hat, dass trotz stark wechselnde Lichtverhältnisse z.B. in der Nähe von Schweißrobotern ein störungsfreier Betrieb möglich ist.

Die ermittelten Ergebnisse lassen sich noch dadurch steigern, dass mehrere Lichtquellen und Empfänger auf beiden Seiten der Detektionsvorrichtung zum Detektieren von optisch erfassbaren Oberfächendetails wie z.B. Bohrlöcher oder Markierungen angeordnet werden. Dadurch können einerseits die Werte links und rechts miteinander verglichen werden, es ist aber auch eine Interaktion zwischen den verschiedenen Lichtquellen auf einer Seite und dem oder den Empfängern auf der anderen Seite möglich, so dass diese Ergebnisse für eine weitere genauere Betrachtung benutzt werden können. Dadurch fassen sich insbesondere die Höhe und damit das Volumen des aufgetragenen Materials bestimmen.

Wird eine Sensoreinheit auf der Mittellinie oder über der Mitte der Erhebungen, Vertiefungen oder sonstigen Oberflächendetails angeordnet, ist es möglich, die Lage der Mitte zu bestimmen und auch nach Vergleich mit entsprechenden Sollwerten ihre Position gegebenenfalls nachzuregeln. Damit kann allerdings noch nicht die Lage der Flanken eines Materialauftrags beurteilt werden. Für die Flankenüberwachung auf Unebenheiten, Krümmung der Flanken und Asymmetrie können jedoch die beidseits der Mittellage angeordneten Strahlungsstrecken bzw. die aus diesen Strecken gewonnenen Werte der Kompensationsregelung zu Null herangezogen und zur Bestimmung der Lage und Position der Flanken miteinander verrechnet werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird vor und nach der Detektionsvorrichtung eine Erfassung durchgeführt und die so ermittelten Werte werden voneinander abgezogen. Wird der von der Arbeitsgeschwindigkeit der Detektionsvorrichtung abhängige Zeitversatz entsprechend berücksichtigt, ergibt sich ein klares Differenzbild. Die ermittelte Differenz darf lediglich um einen festen Wert, der dem Anbringen der Erhebungen entspricht, voneinander abweichen. Diese Abweichung sollte unabhängig von der Oberfläche, auf die das Material aufgetragen wird, immer gleich bleibende Werte haben, so dass unter Einsatz eines Toleranzbandes zu große Abweichungen bestimmbar werden.

Die Anordnung kann entweder rotierbar angeordnet werden, so dass sie auch der Auftragsrichtung rotatorisch folgen kann, es ist aber ebenso möglich, zusätzlich Empfänger auch seitlich vorzusehen und durch entsprechende Verrechnungen verschiedener Strahlungsstrecken eine weitere Überwachung in beliebigen Koordinatenrichtungen zu ermöglichen.

Wird mit polarisiertem Licht bzw. mit entsprechenden Polarisationsfiltern gearbeitet, wird ein besseres Signal erhalten, da z.B. die Reflektion auf dem Untergrund verringert wird. Damit ist es möglich, die Rauhigkeit und damit die Oberflächenbeschaffenheit des Materialauftrages zu überwachen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.

Kurzbeschreibung der Figuren

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 ein beispielhaftes schematisches Schaltbild für eine Sensoreinheit,

2 die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Empfängern und Lichtquellen beiderseits eines Materialauftrages,

3 eine Vorrichtung gemäß 2 mit einer weiteren mittig angeordneten Einheit aus Empfängern und Lichtquellen,

4 eine Vorrichtung mit nur einem mittigen Empfänger bei außermittiger Lage der Mitte des Materialauftrages,

5 eine Darstellung gemäß 4 mit einem mittigen Materialauftrag bei unterschiedlichen Flankenkrümmungen,

6 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung mit Sensoreinheiten vor und hinter der Detektionsvorrichtung,

6a eine alternative Sensoreinheit gemäß 6,

7 ein vor der Detektionsvorrichtung von 6 ermitteltes Signal,

8 ein nach der Detektionsvorrichtung von 6 ermitteltes Signal,

9 das aus 7 und 8 ermittelte Differenzsignal.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele

Die Vorrichtung gemäß den 2 bis 6 dient zum optischen Detektieren eines Materialauftrags oder von optisch erfassbaren Oberflächendetails wie z.B. Bohrlöcher oder Markierungen auf einer Oberfläche 12. Es handelt sich vorzugsweise um einen mehrdimensionalen Materialauftrag, d.h. es kann entweder z.B. eine Farb- oder Klebeschicht zweidimensional – auch dies sind im weitesten Sinne optisch erfassbare Veränderungen an der Oberfläche – oder eine Masse, wie z.B. eine pastöse Masse zum Kleberaupen- oder Schweißraupenauftrag dreidimensional auf die Oberfläche aufgetragen werden. Vertiefungen können z.B. bestehende oder optisch markierte, noch anzufahrende Bohrlöcher in einer Oberfläche sein. Um den Qualitätsanforderungen zu genügen, sollen derartige Erhebungen 17 oder Vertiefungen unabhängig davon, ob sie singulär wie Bohrlöcher oder punktförmige Aufträge oder kontinuierlich wie ein Klebestreifen aufgebracht werden, gleichmäßig mit entsprechender Güte und Qualität erfolgen. Hierzu muss die Vorrichtung die Oberfläche bzw. die Erhebungen, Vertiefungen oder optisch erfassbaren Oberflächendetails z.B. auf Unzulänglichkeiten überprüfen, die von vorgegebenen Sollwerten über ein zulässiges Toleranzband hinaus abweichen.

Für diese Überwachung ist wenigstens eine relativ zur Oberfläche des Untergrundes 12 bewegbare Sensoreinheit S vorgesehen. Diese Sensoreinheit besitzt mehrere Lichtquellen, die in den 2 bis 5 mit A, C, D, F, G, I bezeichnet sind. Im Ausführungsbeispiel jeweils zwischen zwei Lichtquellen ist wenigstens ein Empfänger B, E, H, vorgesehen, der zum Empfang des von den Lichtquellen ausgesandten Lichts nach Reflektion an der Oberfläche unter Bildung wenigstens einer Strahlungstrecke zwischen Lichtquelle und Empfänger vorgesehen ist. Der oder die Empfänger können aber grundsätzlich an jeder beliebigen Stelle angeordnet werden oder es kann auch ein Empfänger mehreren Lichtquellen zugeordnet sein, solange sicher gestellt ist, dass das Licht aus den Lichtquellen zum Empfänger gelangen kann. Mit anderen Worten bilden sich, wie z.B. in 2 dargestellt, verschiedene Strahlungsstrecken 50 aus. So sendet z.B. die Lichtquelle A Licht aus, das vom Empfänger B empfangen wird, und wechselweise im Takt dazu sendet z.B. die Lichtquelle C Licht aus, das ebenfalls vom Empfänger B empfangen wird. Die vom Empfänger ermittelten Werte werden in Signale umgesetzt, die in einer Auswerteeinheit 11 zur Bestimmung der Erhebungen, Vertiefungen oder der sonstigen Oberflächendetails verwendet werden. Die Auswerteeinheit setzt dazu die vom Empfänger B, E, N für die Strahlungsstrecken 50 empfangenen Signale in Werte zur Erfassung der Erhebungen oder Vertiefungen oder auch Veränderungen durch Vergleich mit Referenzwerten um. Diese Werte ergeben sich aus den ermittelten Positionsabweichungen der Erhebungen oder Vertiefungen bzw. vorzugsweise aus dem Wert, der von der Sensoreinheit zur Kompensation der ermittelten Abweichung zu Null bestimmt wird.

Die Sensoreinheit S ist gemeinsam mit der Detektionsvorrichtung 60 gemäß 6, aber auch in der vereinfachten Ausführungsform gemäß den 2 bis 5 gemeinsam mit dieser Detektionsvorrichtung bewegbar, zumindest ist sie ihr zugeordnet. Während die Detektionsvorrichtung zum Detektieren von Erhebungen 17 oder Vertiefungen z.B. einen mehrdimensionalen, also zwei- oder dreidimensionalen Auftrag des Materials auf der Oberfläche 12 vornimmt, wird von der Sensoreinheit erfasst, ob dieser Auftrag entsprechenden Gütevorstellungen genügt. Dazu werden die Lichtquellen A, C, D, F, G, I mittels einer Taktschaltung, die durch den Oszillator 10 getaktet wird, taktweise wirksam geschalten. Dadurch ergeben sich verschiedene Strahlungsstrecken 50. Wie im folgenden noch ausgeführt wird, kompensiert die Auswerteeinheit 11 zugleich aber auch Fremdlicht durch Regelung der Leistung der Lichtquellen mittels einer Regelschaltung, wobei die Kompensation über die in den 2 bis 5 dargestellten weiteren Lichtquellen 20 erfolgen kann, es ist aber durchaus möglich, eine der anderen Lichtquellen zur Kompensation einzusetzen.

Die Kompensation kann aber auch, wie in der älteren deutschen Patentanmeldung DE 103 00 223.5 beschrieben, dadurch erfolgen, dass die für die Regelung eingesetzte, wenigstens eine weitere Lichtquelle 20 eine von den anderen Lichtquellen unabhängige Lichtquelle ist, die dem Empfänger zugeordnet ist und die in ihrer Lichtintensität in Amplitude und Vorzeichen regelbar ist. Wenn eine Lichtquelle Licht aussendet, wird in einem Empfänger, der dieses Licht z.B. nach Reflexion erhält, ein taktsynchrones elektrisches Signal erzeugt. Sendet z.B. die Leuchtdiode Licht mit einer Taktfrequenz von 40 KHz aus, wird die Photodiode ein entsprechendes Signal mit der gleichen Frequenz und nahezu gleicher Phase erzeugen. Betrachtet man bei zwei getaktet betriebenen Leuchtdioden den hier relevanten Wechsellichtanteil bezüglich der Sendephase von 0°, so kann dieser Wechsellichtanteil positiv oder negativ sein, d.h. eine Phase von 0° oder 180° aufweisen, da eine Leuchtdiode bei einer Phase von 0° und die andere bei einer Phase von 180° abstrahlt. Dabei wird 0° mit positivem Vorzeichen identifiziert und 180° mit negativem Vorzeichen. Wird nun eine weitere Lichtquelle zugeschaltet, die unabhängig von den das Licht aussendenden Lichtquellen arbeitet, kann diese Licht in Amplitude und Vorzeichen vorzugsweise phasenversetzt einstrahlen. Mit anderen Worten kann also die weitere Lichtquelle durch zusätzliche Lichteinstrahlung die Kompensation im Wesentlichen oder sogar alleine übernehmen. Dadurch wird über die Lichtleistung der weiteren Lichtquelle das taktsynchrone Empfangssignal in seiner Amplitude so beeinflusst, dass das Empfangssignal zu Null wird.

Durch diese Kompensation steht an den Empfängern B, E, H jeweils ein Gleichlichtanteil ohne taktsynchronen Wechsellichtanteil an. Zur Bestimmung zumindest der Lage und Breite des Auftrages werden nun die aus den Strahlungsstrecken kommenden Signalwerte der Kompensationsregelung zu Null, also die Positionsmesswerte am Empfänger B, E, N oder der zur Kompensation erforderliche Signalwert miteinander verrechnet, um eine Istwerterfassung der angebrachten Erhebungen 17 oder Vertiefungen zu erhalten. Die Vorrichtung kann aber bedarfsweise auch ohne eine derartige Fremdlichtkompensation betrieben werden.

Die Schaltung der Sensoreinheit ist beispielhaft in 1 erläutert.

Die Position z.B. eines Objekts auf einer gegebenen Oberfläche lässt sich am einfachsten durch wenigstens zwei getrennte Sensorelemente bestimmen. Ein Sensorelement bestimmt mit Lichtquellen die Position in x-Richtung, das andere Elemente mit Lichtquellen die Position in y-Richtung. Das folgende Ausführungsbeispiel beschreibt die Anbringung und Detektion eines kontinuierlichen Klebestreifenauftrags, diskontinuierliche Aufträge und ihre Detektion oder die Detektion von optisch erfassbaren Oberflächendetails wie z.B. Bohrlöcher oder Markierungen kann jedoch in analoger Weise erfasst werden. Für die vorliegende Ausführung genügt die Bestimmung in einer Koordinatenrichtung, da ein fortlaufender Materialauftrag in der zweiten Koordinatenrichtung erfolgt. Auf die dritte Dimension wird unten eingegangen. Die aus dem an den Erhebungen 17 und/oder an der Oberfläche 12 reflektierten Licht ermittelten Messwerte ergeben jeweils die Position des Materials.

Im Folgenden wird für eine mehrdimensionale Positionserfassung das Prinzip erläutert. Die Lichtquellen A,C,D,F,G,I sind z.B. LEDs, der Empfänger E ist z. B. eine Photodiode oder eine entsprechend beschaltete Leuchtdiode. Die Lichtquellen werden über eine Taktschaltung invertiert angesteuert. Sie werden dabei so in ihrer Leistung über Regelschaltungen geregelt, dass am ebenfalls über die Taktschaltung angesteuerten jeweiligen Empfänger B,E,H ein Gleichlichtanteil ohne taktsynchronen Wechselanteil ansteht. Die Taktschaltung besitzt einen Taktverteiler 25, der nicht nur die jeweiligen Lichtquellen und Empfänger, sondern zugleich auch die Leistungsregelungen 36 entsprechend ansteuert. Ist die Reflektion an den miteinander verglichenen Strahlungsstrecken gleich, steht am Ende des Vergleichers 24 ein Messwert von Null an, kommt es jedoch zu einer Asymmetrie des Auftrags, ergeben sich die entsprechenden Messwerte Mwx, Mwy oder Mwz. Im Gegensatz zur EP 706 648 A1 wird jedoch das Leistungsverhältnis der Sendeelemente nicht bewusst zeitverzögert, sondern so schnell wie möglich nachgeregelt. Dadurch wird eine sofortige Reaktion der Regelspannungskorrektur für die Sendeleistung der Lichtquellen bei einer Positionsänderung des Materials erreicht. Der über den Vergleicher 24 ermittelte Wert stellt den elektrischen Wert der mechanischen Position des Materials in x-Richtung dar. Das vom Empfänger E ermittelte Signal wird einem Hochpass 23 zugeführt und mittels eines Synchrondemodulators 22 und anschließendem Vergleichen im Vergleicher 24 taktweise verglichen. Daraus ergibt sich ein Wert für die Regelspannung, die den Regeleinheiten zugeführt wird, wodurch gewährleistet wird, dass das Signal am Empfänger zu Null wird.

Die Ansteuerung der weiteren Lichtquellen 20 wurde in 1 nur gestrichelt angedeutet, da durch die beschriebene Regelung der von den Lichtquellen ausgesandten Strahlung eine gesonderte Kompensation nicht erforderlich ist, die Kompensation, die jeweils dem Empfänger zugeordnet ist, kann jedoch wie in der älteren deutschen Patentanmeldung DE 103 00 223.5 bzw. wie oben beschrieben vorgenommen werden.

Ohne die Anwesenheit des die Erhebungen 17 bildenden Materials wird parasitäre Reflektion bei entsprechendem Aufbau ungefähr gleiche Anteile der Sendeleistung der getaktet betriebenen Lichtquellen A,C,D,F,G,I wechselseitig zum Empfänger B,E,H streuen. Dabei bleibt die Regelspannung nahezu unbeeinflusst, also bei Null. Bei asymmetrischem Auftrag versucht die Regelschleife die Lichtleistung so einzustellen, dass am Empfänger E wieder ein Gleichlichtsignal ohne Wechsellichtanteile ansteht. Dies führt zu einer Verschiebung der Regelspannungssymmetrie an den Regeleinheiten und somit auch zu einem Ausgangssignal am Vergleicher 24 je nach Position nach rechts oder links vom Mittelpunkt der mechanischen Anordnung. Das Ausgangssignal nimmt mehr oder weniger positive bzw. negative Werte gegenüber einer symmetrischen Leistungsansteuerung der Lichtquellen an.

Zur Erfassung der dritten Dimension ist bei flacher Anordnung der Fläche 12 die Position des Materials im Verhältnis zur Fläche 12 zu bestimmen. Geht man von einer nahezu flachen Anordnung der optischen Elemente aus, kann die Bestimmung der Position des Materials im Wesentlichen nur durch Reflexion erfolgen. Da zumindest aber die Reflexionseigenschaften des Materials die Messwerte beeinflussen, würden verschieden reflektierende Gegenstände in verschiedenen Abständen von der Fläche 12 gleiche Reflexionswerte ergeben, so dass eine genaue Positionsbestimmung in der dritten Dimension nicht eindeutig wäre. Grundsätzlich ist die Bestimmung einer Funktion der dritten Dimension sinnvoll, ausgehend von der mechanischen Ebene der Sensoreinheit, und diese Funktion sollte dann nahezu unabhängig von Größe, Farbe oder Art des Materials sein.

Zur Bestimmung der Positionserfassung in der dritten Dimension wird zu den beiden Taktzyklen zur Bestimmung des x-Wertes und ggf. des y-Wertes der Lage des Materials auf der Oberfläche 12 noch mindestens ein weiterer Taktzyklus hinzugefügt. In diesem Taktzyklus werden die Lichtquellen A,C,D,F,G,I so angesteuert, dass sie alle oder zumindest ein Teil davon das gleiche Taktsignal erhalten, also gleichzeitig leuchten. Hierbei ist es nicht erforderlich, dass sie einzeln geregelt werden, wie es zur Positionsbestimmung in x- und y-Richtung notwendig ist. Weiterhin kann eine weitere Lichtquelle 20 als Kompensationsmittel in der Nähe des oder der Empfänger E so angeordnet, dass das von dieser weiteren Lichtquelle abgestrahlte Licht nahezu ausschließlich in den oder die Empfänger einstrahlt. Spielt Fremdlicht keine Rolle, kann jedoch auf dieses Kompensationsmittel verzichtet werden. Ziel ist eine möglichst gleichmäßige Ausleuchtung des Raums oberhalb der Fläche 12.

In der einfachsten Ausführungsform sind lediglich gemäß 3 zwei Lichtquellen D, F und ein Empfänger E, also die mittig über der Erhebung 17 angeordnete Sensoreinheit S vorgesehen. Ergänzend kann bei einer Ausgestaltung nach der älteren deutschen Patentanmeldung DE 103 00 223.5 die weitere Lichtquelle 20 zur Kompensation vorhanden sein. Will man die Lage des Auftrages bestimmen, müssen die Signalwerte aus den Strahlungsstrecken 50, die von den Lichtquellen A und B kommen, miteinander verrechnet werden, d. h. D/F = 0 am Empfänger E sein. Ist diese Bedingung gegeben, liegt die Erhebung 17 symmetrisch zur Mittellinie m-m, entlang der der Empfänger E relativ zur Oberfläche bewegbar ist.

Um die Breite bzw. Größe zu bestimmen, müssen die Werte aus den Strahlungsstrecken beider Lichtquellen D, F mit der Kompensation oder der weiteren Lichtquelle 20 ins Verhältnis gesetzt werden, also (A + B)/K = 0, wobei K der Signalwert der Kompensation ist.

Vorzugsweise sind jedoch z. B. gemäß 2 um den Bearbeitungsbereich 61 herum zumindest beidseits einer Mittellinie m-m mehrere Lichtquellen und wenigstens je ein Empfänger B, N angeordnet. Bei dieser Version können Lage und Position der Flanken 19 überwacht werden. Bleibt die Erhebung – oder Vertiefung – vor allem bei einem dreidimensionalen Auftrag in der gewünschten mittigen Form sollten die Signale aus den Lichtstrecken 50, die von den Lichtquellen A und C am Empfänger B eingehen, gleich bleibend bei Null bleiben und die Signale von den Lichtquellen G und I, die am Empfänger H eingehen, ebenfalls Null bleiben. Kommt es zu einer Abweichung, regelt das System diese aus. Die Regelabweichung zeigt den Fehler an.

Damit kann noch nicht die Lage der Mitte 18 der Erhebung 17 festgestellt werden. Über der Mitte 18 sollte daher entweder ein Empfänger E allein (4) oder aber ein Empfänger einer Sensoreinheit S (3) vorzugsweise symmetrisch zur Mittellinie m-m des Bearbeitungsbereichs 61 angeordnet sein. Wird beidseitig, vorzugsweise symmetrisch zur Mittellinie m-m des Bearbeitungsbereichs 61 je eine Sensoreinheit S vorgesehen, können die Signalwerte der Kompensationsregelung zu Null von beiden Seiten miteinander verglichen werden. Diese Sensoreinheiten sind wie in den Figuren vorzugsweise so angeordnet, dass sie etwa in einem Winkel zur Oberfläche 12 angeordnet sind, der dem Winkel der Flanke 19 des aufgetragenen Materials 17 zur Oberfläche 12 entspricht. Zumindest sollte aber eine Sensoreinheit links und eine rechts vom Mittelbereich der Erhebung 17 angeordnet sein, so dass die Messstrecken den Mittelbereich überbrücken. Denkbar ist auch auf beiden Seiten mit in gleichem Maße asymmetrischen, aber z.B. spiegelsymmetrisch zueinander verlaufenden Strahlungsstrecken und damit Anordnungen der Lichtquellen und Empfänger zu arbeiten.

Grundsätzlich besteht das Ziel, die Flanken auf Unebenheiten zu überwachen, die Mittenlage zu bestimmen und Krümmung und Asymmetrie der Erhebungen, Vertiefungen oder Oberflächendetails zu detektieren, wobei gegenüber einem Sollzustand Toleranzbereiche durchaus zulässig sind. Werden diese Toleranzbereiche jedoch überschritten, sollte die Vorrichtung ein Signal abgeben, das z.B. eine Qualitätsüberwachung des herzustellenden Auftrages erlaubt, oder selbsttätig den gewünschten Sollzustand nachregeln. Hierzu können auch verschiedene Empfänger und Lichtquellen auf beiden Seiten und auch über der Erhebung 17 hinsichtlich des Aussendens des Lichts und des Empfangens des Lichts miteinander gekoppelt sein. Lichtquellen und Empfänger können auch aus verschiedenen Sensoreinheiten stammen, um z.B. Strahlungsstrecken zu bilden, die von der Lichtquelle A zum Empfänger H oder von der Lichtquelle I zum Empfänger B laufen.

Bei den Lichtquellen handelt es sich grundsätzlich um Leuchtdioden und auch die Empfänger können als Empfänger angeschlossene Leuchtdioden sein. So kann aufgrund des Halbleitermaterials der Leuchtdioden jeder Empfänger gleichzeitig eine Lichtquelle sein und umgekehrt. Kommt es zu einer Krümmung der Flanken 19 gemäß 5 wird dies durch einen Unterschied im Wert der Signale auf beiden Seiten der Erhebung 17 deutlich. Ein entsprechendes Verhältnis wäre z.B. im Hinblick auf die Signale (A + C)/(G + I) = 0 am Empfänger E.

Eine verbesserte Überwachungsmöglichkeit lässt sich in einer Version gemäß den 6, 6a und 7 erreichen. Die Vorrichtung weist wenigstens je eine Sensoreneinheit in Arbeitsrichtung der Detektionsvorrichtung 60 vor und hinter der Detektionsvorrichtung auf. Dies wird in 6 dadurch verdeutlicht, das im Bereich des aufgetragenen Materials im oberen Bereich die Lichtquellen D, F mit dem Empfänger E zusammenarbeiten, während vor dem Auftrag, also im unteren Bereich die Lichtquellen D', F' mit dem Empfänger E' zusammenarbeiten. Gemäß 7 ergibt sich damit beim ersten Überfahren des Bearbeitungsbereichs 61 mit den Lichtquellen D', F' und Empfänger E' z.B. ein Signalverlauf gemäß 7. Um die Zeit t1 versetzt liefert die Sensoreinheit aus den Lichtquellen D, F und dem Empfänger E ein Signal gemäß 8. Diese beiden Signale sollten sich eigentlich nur dadurch unterscheiden, dass hinter der Detektionsvorrichtung 60 jetzt die Erhebung 17 aufgebracht ist. Das um die Zeit t1 versetzte Signal des ersten Überfahrens ist zum Vergleich in 8 gestrichelt eingetragen. Diese Differenz sollte gleichmäßig sein. Wird nun jedoch eine Differenz gemäß 9 aus den beiden Verläufen gebildet, in der die Verzögerung der Zeit t1 herausgerechnet wird, lässt sich feststellen, ob eine konstante Differenz gegebenenfalls mit einem Toleranzband eingehalten wird oder überschritten wird.

Eine derartige Vorrichtung kann, wie in 6 dargestellt, um eine vorzugsweise im rechten Winkel zur Fläche 12 stehende Achse 62 drehbar angeordnet sein, es besteht aber auch die Möglichkeit, diese Vorrichtung noch weiter zu optimieren. Unabhängig von der Drehbarkeit können nämlich zwischen der vorderen Sensoreinheit (Lichtquellen D', F' und Empfänger E') und der hinteren Sensoreinheit (Lichtquellen D, F, und Empfänger E) weitere Lichtquellen und/oder Empfänger vorgesehen sein, die im Ausführungsbeispiel durch zwei Empfänger M, N gebildet sind. Dadurch lassen sich wiederum Sensoreinheiten bilden, die in einer anderen Koordinatenrichtung Werte liefern. Zum Beispiel können die Lichtquellen D, F Strahlungsstrecken im Hinblick auf den Empfänger E bilden, während die Lichtquellen F und F' Strahlungsstrecken im Hinblick auf dem Empfänger N bilden. Damit lässt sich eine mehrdimensionale Überwachung erreichen, die auch über die Diagonalen, also z.B. von D und F' erfolgen kann. Eine Drehbarkeit ist dann nicht mehr erforderlich. Dies lässt sich dahin gehend optimieren, dass die Lichtquellen und Empfänger z.B. im Kreis angeordnet sind, so dass eventuelle unterschiedliche Abstände zur vorzugsweise mittig angeordneten Detektionsvorrichtung nicht mehr ins Gewicht fallen.

In beiden Fällen kann eine Messung reihum erfolgen, wobei die Halbleiterelemente wechselweise als Lichtquelle oder Empfänger beschaltet werden. So könnten z.B. nacheinander Strahlungsstrecken gebildet werden, die D/F = Null am Empfänger E, E/N = Null am Empfänger F, F/N = Null am Empfänger F' usw. geregelt werden.

Die über einen Differenzwertbildner gebildete Differenz der Werte vor und hinter der Detektionsvorrichtung kann gleichzeitig zur Nachführung der Detektionsvorrichtung 60 und des Auftrags an Material verwendet werden.

Vorzugsweise strahlen die Lichtquellen infolge von Polarisationsfiltern polarisiertes Licht aus, um z.B. Reflektionen auf dem Untergrund zu vermeiden. Dadurch lässt sich das aufgetragene Material noch deutlicher vom Untergrund unterscheiden. Durch den Einsatz von Polarisationsfiltern kann die Rauhigkeit und damit die Oberflächenbeschaffenheit des aufgetragenen Materials besser überwacht werden.

10Oszillator 11Auswerteeinrichtung 12Oberfläche 17Material 18Mitte 19Flanke 20weitere Lichtquelle zur Kompensation 22Synchrondemodulator 23Hochpass 24Vergleicher 25Taktverteiler A,C,D,F,G,I,Lichtquelle D',F'Lichtquelle B,E,E',HEmpfänger 50Strahlungsstrecke 60Detektionsvorrichtung 61Bearbeitungsbereich 62Achse MwxMesswert x MwyMesswert y S, S'Sensoreinheit

Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zum optischen Detektieren einer Oberfläche mit

    – wenigstens einer relativ zur Oberfläche bewegbaren Sensoreinheit (S) mit wenigstens zwei Lichtquellen (A,C,D,F,G,I) zur Aussendung von Licht und wenigstens einem Empfänger (B,E,H) zum Empfang des von den Lichtquellen ausgesandten Lichts nach Reflektion an der Oberfläche unter Bildung von wenigstens zwei Strahlungsstrecken (50) zwischen Lichtquellen und Empfänger,

    – einer Auswerteeinheit (11), die die vom Empfänger (B,E,H) für die Strahlungsstrecke (50) empfangenen Signale im Wert zur Erfassung der Oberfläche durch Vergleich mit Referenzwerten umsetzt,

    dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (S) einer Detektionsvorrichtung (60) zum Detektieren mehrdimensionaler optisch erfassbarer Oberflächendetails wie singulärer oder kontinuierlicher Erhebungen (17), Vertiefungen oder Markierungen eines Bearbeitungsbereichs auf der Oberfläche (12) zugeordnet ist, dass mehrere Lichtquellen (A,C,D,F,G,I) vorgesehen sind, die mittels einer Taktschaltung zum taktweisen Schalten verschiedener Strahlungsstrecken (50) getaktet sind, und

    dass zur Bestimmung der Lage, Größe und ggf. Form der Oberflächendetails Rechenmittel vorgesehen sind, die die aus den verschiedenen Strahlungsstrecken kommenden Signalwerte miteinander verrechnen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit zur Kompensation (11) der Leistung der Lichtquellen mittels einer Regelschaltung vorgesehen ist, so dass infolge der Kompensation am Empfänger (B,E,H) ein Gleichlichtanteil ohne taktsynchronen Wechsellichtanteil ansteht, und dass die Rechenmittel vorgesehen sind, um die aus den verschiedenen Strahlungsstrecken kommenden, zur Kompensation erforderlichen Signalwerte miteinander zu verrechnen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechenmittel zur Bestimmung der Breite oder Größe der optisch erfassbarer Oberflächendetails die Werte aus den wenigstens zwei symmetrisch zur Mitte eines Bearbeitungsbereichs (61) angeordneten oder zumindest den Mittelbereich des Bearbeitungsbereichs übergreifenden Strahlungsstrecken (50) mit dem Signalwert der Kompensation ins Verhältnis setzen.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bearbeitungsbereich (61) zumindest beidseits einer Mittellinie (m-m) des Bearbeitungsbereichs mehrere Lichtquellen und wenigstens je ein Empfänger (B,H) angeordnet sind.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (17) eine pastöse Masse zum Auftrag einer dreidimensionalen Materialraupe sind.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen oder optisch erfassbaren Oberflächendetails Bohrlöcher oder Markierungen für Bohrlöcher sind.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktschaltung mehrere, wenigstens jedoch einen Teil der Lichtquellen (A,C,D,F,G,I) und/oder Empfänger (B,E,H) in wenigstens einem weiteren Takt so schaltet, dass der Raum, in den die Lichtquellen einstrahlen, weitestgehend gleichmäßig ausgeleuchtet ist, und dass die Auswerteeinheit auf Grund der von den optisch erfassbaren Oberflächendetails und/oder der Oberfläche (12) während des weiteren Takts zurück- bzw. abgestrahlten Strahlung einen Wert zur Bestimmung des Verhältnisses der Oberfläche (12) zu den optisch erfassbaren Oberflächendetails im ausgeleuchteten Bereich von der Sensoreinheit (S) bestimmt.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest beidseits, vorzugsweise symmetrisch zu einer Mittellinie (m-m) des Bearbeitungsbereichs (61) je eine Sensoreinheit (S) vorgesehen ist, deren Signalwerte miteinander verglichen werden.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Sensoreinheiten (S) vorgesehen sind, die etwa in einem Winkel zur Oberfläche (12) angeordnet sind, der dem Winkel der Flanke (19) der Erhebungen (17) oder Vertiefungen zur Oberfläche entspricht.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über der Mitte (18) der optisch erfassbaren Oberflächendetails wenigstens ein Empfänger (E) allein oder ein Empfänger einer Sensoreinheit (S) vorzugsweise symmetrisch zur Mittellinie (m-m) des Bearbeitungsbereichs (61) angeordnet ist.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsstrecken (50) zwischen Lichtquellen (A,C,D,F,G,I) und Empfängern (B,E,H) aus verschiedenen Sensoreinheiten gebildet sind.
  12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens zwei Sensoreinheiten (S) aufweist, die in Arbeitsrichtung der Detektionsvorrichtung (60) vor und hinter der Detektionsvorrichtung angeordnet sind.
  13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Sensoreinheiten wenigstens je ein Empfänger (M,N) vorgesehen ist.
  14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vier Lichtquellen (D,F,D',F') an den Ecken eines die Detektionsvorrichtung (60) einschließenden Rechtecks angeordnet sind und dass die Empfänger (E,E',M,N) zwischen den Lichtquellen angeordnet sind.
  15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen und die Empfänger Halbleiterelemente sind, die wechselweise als Lichtquelle oder Empfänger beschaltet werden und so reihum verschiedene Strahlungsstrecken bilden.
  16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (S) vorzugsweise gemeinsam mit der Detektionsvorrichtung (60) um eine vorzugsweise im rechten Winkel zur Oberfläche (12) stehende Achse (62) drehbar angeordnet ist.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Differenzwertbildner vorgesehen ist, der eine Differenz aus den Werten vor und hinter der in Arbeitsrichtung relativ zur Oberfläche bewegten Detektionsvorrichtung (60) bestimmt, und die so ermittelte Differenz zur Auswertung und ggf. Nachführung der Detektionsvorrichtung (60) verwendet.
  18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht der Lichtquellen polarisiert ist.
  19. Verfahren zum optischen Detektieren einer Oberfläche, wobei

    – wenigstens eine Sensoreinheit (S) mit wenigstens zwei Lichtquellen (A,C,D,F,G,I) zur Aussendung von Licht und wenigstens einem Empfänger (B,E,H) zum Empfang des von der Lichtquelle ausgesandten Lichts nach Reflektion an der Oberfläche (12) unter Bildung von wenigstens zwei Strahlungsstrecken (50) zwischen Lichtquelle und Empfänger relativ zur Oberfläche bewegt wird,

    – die vom Empfänger (B,E,H) für die Strahlungsstrecke (50) empfangenen Signale im Wert zur Erfassung der Oberfläche durch Vergleich mit Referenzwerten ausgewertet werden,

    dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (S) zugeordnet zu einer Detektionsvorrichtung (60) zum Detektieren von optisch erfassbaren Oberflächendetails wie singulären oder kontinuierlichen Erhebungen (17), Markierungen oder Vertiefungen in einem Bearbeitungsbereich (61) der Oberfläche (12) bewegt wird, dass mehrere Lichtquellen (A,C,D,F,G,I) mittels einer Taktschaltung zum taktweisen Schalten verschiedener Strahlungsstrecken (50) getaktet werden, und

    dass zur Bestimmung der Lage, Größe und ggf. Form der Oberflächendetails die aus den verschiedenen Strahlungsstrecken kommenden zur Kompensation erforderlichen Signalwerte miteinander verrechnet werden.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (11) die Leistung der Lichtquellen mittels einer Regelschaltung so kompensiert, dass am Empfänger (B,E,H) ein Gleichlichtanteil ohne taktsynchronen Wechsellichtanteil ansteht, und dass die Rechenmittel die aus den verschiedenen Strahlungsstrecken kommenden, zur Kompensation erforderlichen Signalwerte miteinander verrechnen.
  21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Größe der Erhebungen oder Vertiefungen die Werte aus den wenigstens zwei symmetrisch zur Mitte des Bearbeitungsbereich (61) angeordneten oder zumindest den Mittelbereich des Bearbeitungsbereichs übergreifenden Strahlungsstrecken (50) mit dem Signalwert der Kompensation ins Verhältnis gesetzt werden.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktschaltung mehrere, wenigstens jedoch einen Teil der Lichtquellen (A,C,D,F,G,I) und/oder Empfänger (B,E,H) in wenigstens einem weiteren Takt so schaltet, dass der Raum, in den die Lichtquellen einstrahlen, weitestgehend gleichmäßig ausgeleuchtet wird, und dass die Auswerteeinheit auf Grund der von den Erhebungen (17) oder den Vertiefungen und/oder der Oberfläche (12) während des weiteren Takts zurück- bzw. abgestrahlten Strahlung einen Wert zur Bestimmung des Verhältnisses der Oberfläche (12) zu den Erhebungen (17) oder den Vertiefungen im ausgeleuchteten Bereich bestimmt.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalwerte von zumindest beidseits, vorzugsweise symmetrisch zu einer Mittellinie (m-m) des Bearbeitungsbereichs (61) angeordneten Sensoreinheiten (S) miteinander verglichen werden.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsstrecken (50) zwischen Lichtquellen (A,C,D,F,G,I) und Empfängern (B,E,H) aus verschiedenen Sensoreinheiten gebildet werden.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24 dadurch gekennzeichnet, dass die Signalwerte von wenigstens zwei Sensoreinheiten (S), die in Arbeitsrichtung der Detektionsvorrichtung (60) vor und hinter der Detektionsvorrichtung angeordnet sind, um die Bewegungsgeschwindigkeit zeitversetzt miteinander verglichen werden.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die als Halbleiterelemente ausgebildete Lichtquellen und Empfänger wechselweise als Lichtquelle oder Empfänger beschaltet werden und so reihum verschiedene Strahlungsstrecken bilden.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (S) vorzugsweise gemeinsam mit der Detektionsvorrichtung (60) um eine vorzugsweise im rechten Winkel zur Oberfläche (12) stehende Achse (62) drehbar ist.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass eine Differenz aus den Werten vor und hinter der Detektionsvorrichtung (60) bestimmt wird, und die so ermittelte Differenz zur Auswertung und ggf. Nachführung der Detektionsvorrichtung (60) verwendet wird.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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