EP0626663A1

EP0626663A1 - Berührungsloser Detektor

Info

Publication number: EP0626663A1
Application number: EP93106949A
Authority: EP
Inventors: Georg Prof. Dr. Bucher
Original assignee: Copaco Gesellschaft fur Verpackungen Mbh & Co KG
Current assignee: Copaco Gesellschaft fur Verpackungen Mbh & Co KG
Priority date: 1993-04-29
Filing date: 1993-04-29
Publication date: 1994-11-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen von Objekten oder Kanten an Objekten, insbesondere von Kanten, die an oder in den Objekten in Form von Stirn- oder Schnittflächen ausgebildet sind, welche in einem bestimmten Winkelbereich in Bezug auf eine vorbestimmte Hauptfläche der Objekte liegen, mittels von den Objekten reflektierten Lichtes, wobei von einer Lichtquelle (L) ein Lichtstrahl (E) auf das Objekt (S) in einem bestimmten Einfallswinkelbereich (δ) auf eine jeweilige Stirn- oder Schnittfläche (K1, K2, K3) eingestrahlt, eine Relativbewegung zwischen Lichtquelle (L) und den Objekten (S) bzw. den Kanten (K1, K2, K3) bewirkt, ein davon reflektierter Anteil (AI) des eingestrahlten Lichtes (E) von einem in einem Ausfallswinkelbereich angeordneten Lichtdetektor (R) erfaßt und davon ein das Vorhandensein des Objektes (S) und/oder einer oder mehrerer Stirn- bzw. Schnittfläche (n) (K1, K2, K3) angebendes Signal (U) erzeugt wird. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen und/oder Zählen von Objekten oder Kanten an Objekten mittels von den Objekten reflektierten Lichtes.
Im Stand der Technik sind zur Erfassung von Objekten außer den Verfahren, die einen Lichtstrahl durch das jeweilige zu erfassende Objekt unterbrechen oder abschirmen (Lichtschranke), Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die mittels von der Oberfläche des jeweiligen Objekts refklektierten Lichts eine Objekterfassung ermöglichen. Zu den letzteren Verfahren sind insbesondere die Verfahren zum Lesen von Strichcodes und zum Identifizieren eines jeweiligen Objekts durch das Lesen eines daran angebrachten Strichcodes zu zählen.
Bei diesen bekannten Verfahren wird ein Lichtstrahl schnell über die Oberfläche des den Strichcode tragenden Objekts (Strichcodeträger) hinwegbewegt, um dadurch den Strichcode abzutasten und das von der Oberfläche reflektierte und entsprechend der Striche des Strichcodes stark oder schwach reflektierte Licht von einem Lichtdetektor erfaßt und das vom Lichtdetektor erzeugte Signal von einer Auswerteeinrichtung ausgewertet. Ein anderes bekanntes Verfahren sieht vor, daß das den Strichcode tragende Objekt (Strichcodeträger) relativ zu einem darauf gerichteten Lichtstrahl bewegt wird, wobei hier ebenfalls das reflektierte Licht von einem Lichtdetektor erfaßt wird.
Alle diese bekannten Verfahren und Vorrichtungen verwenden einen reflektierten Lichtanteil nach dem Reflexionsgesetz: "Winkel des einfallenden Lichtstrahls zum Lot am Auftreffpunkt = Ausfallswinkel" des reflektierten Lichtstrahls. Bei solchen Strichcodelesern mißt man das reflektierte Licht also im Bereich hoher Intensität, entsprechend dem Gesetz von Lambert.
Bei Objekten mit unregelmäßiger, z.B. rauher Oberfläche oder Objekten, die Kanten oder Rillen aufweisen, kann eine solcherart arbeitende Objekterfassung durch die Oberflächenunregelmäßigkeit, die Kanten oder Rillen erheblich gestört werden, weil immer dann, wenn der eingestrahlte Lichtstrahl auf eine Kante oder Rille trifft oder aufgrund der Oberflächenrauhigkeit die Intensität des nach dem Reflexionsgesetz reflektierten Anteils, welcher zum Detektor gelangt, zu gering ist, ein Fehler bei der Erfassung auftreten kann.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen und/oder Zählen von insbesondere solchen Objekten, die Kanten oder Rillen aufweisen, so zu verbessern, daß eine hohe Erfassungssicherheit auch bei sehr dicht aufeinander folgenden Objekten gewährleistet ist.
Insbesondere soll das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen und/oder Zählen von in Form eines Schuppenstroms (also eines Stroms von sich teilweise überlappenden Objekten) an der Erfassungsvorrichtung vorbeitransportierten Faltschachteln oder Faltschachtelzuschnitten geeignet sein.
Die obige Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Erfassen von Objekten oder Kanten an Objekten, insbesondere von Kanten, die an oder in den Objekten in Form von Stirn- oder Schnittflächen ausgebildet sind, welche in einem bestimmten Winkelbereich in Bezug auf eine vorbestimmte Hauptfläche der Objekte liegen, mittels von den Objekten reflektierten Lichtes dadurch gelöst, daß von einer Lichtquelle ein Lichtstrahl auf das Objekt in einem bestimmten Einfallswinkelbereich auf eine jeweilige Stirn- oder Schnittfläche eingestrahlt, eine Relativbewegung zwischen Lichtquelle und den Objekten bzw. den Kanten bewirkt und ein davon reflektierter Anteil des eingestrahlten Lichts von einem in einem Ausfallswinkelbereich in Bezug auf die Stirn- oder Schnittfläche angeordneten Lichtdetektor erfaßt wird, der in Abhängigkeit davon ein das Vorhandensein des Objekts und/oder einer oder mehrerer Stirn/Schnittflächen angebendes Signal erzeugt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein wesentlicher Aspekt, daß die Lichtquelle und der Lichtdetektor raumfest angeordnet und daß die Objekte in einer vorbestimmten Förderrichtung relativ zu dem Lichtdetektor und der Lichtquelle bewegt sind, wobei die zu erfassenden Stirn- oder Schnittflächen bezüglich der Förderrichtung Vorderkanten oder nach vorn, in die Förderrichtung weisende Schnittkanten bilden, wobei der vorgegebene Einfallswinkel des eingestrahlten Lichts so gewählt ist, daß der von diesen Vorderkanten oder Schnittkanten reflektierte Strahlanteil im wesentlichen in dieFörderrichtung abgestrahlt wird.
Wenn, wie bei in Form eines Schuppenstroms geförderten Faltschachteln oder Faltschachtelzuschnitten, diese eine horizontal oder mit einem kleinen Winkel zur Horizontalen liegende, ebene Hauptfläche haben und die Stirn- und Schnittflächen der Vorderkanten etwa rechtwinklig zur Hauptfläche ausgebildet sind, wird der Lichtstrahl schräg von oben und vorn auf diese Vorderkante so fokussiert, daß der Einfallswinkel des einfallenden Lichtstrahls etwa 60° zur Horizontalen beträgt. Da die im Schuppenstrom transportierten Faltschachteln oder die Faltschachtelzuschnitte nicht exakt horizontal sondern unter einem gewissen Winkel zur Horizontalen liegen, ist der Einfallswinkel des einfallenden Lichtstrahls bezogen auf die Hauptfläche der Faltschachteln noch geringer als 60°, sodaß der einfallende Lichtstrahl sehr steil auf die Vorderkanten auftrifft.
Um eine Erfassung oder Zählung von unterschiedlichen Objekten, d.h. Objekten mit unterschiedlich ausgebildeten Schnitt- oder Stirnflächen zu ermöglichen, ist der Einfallswinkel des eingestrahlten Lichtstrahls vorzugsweise justierbar.
Die Fokussierung des einfallenden Lichtstrahls wird vorzugsweise mittels einer Kollimatoroptik so durchgeführt, daß sich ein Strahldurchmesser im Bereich von etwa 0,1-1 mm ergibt.
Bei der Wahl des Fokusdurchmessers muß ein Kompromiß zwischen einer wünschenswert hohen Auflösung einerseits und der Wahrscheinlichkeit einer durch eine Zitterbewegung der Objekte bzw. von deren Stirn- oder Vorderkanten ausgelösten Fehlerfassungen andererseits gefunden werden. Als ein solcher Kompromiß hat sich ein Fokusdurchmesser von bevorzugt 0,5 mm erwiesen.
Bevorzugt weist die Lichtquelle einen Halbleiterlaser auf, welcher sichtbares Licht mit einer Wellenlänge von 680 nm und konstanter Ausgangsleistung emittiert.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese Wellenlänge begrenzt. Statt eines Halbleiterlasers mit der bevorzugten Wellenlänge kann auch eine andere Laserdiode eingesetzt werden, die eine Frequenz emittiert, die für die gewünschte Objekterfassung bzw. -zählung geeignet ist. Wesentlich ist jedoch, daß die Lichtausgangsleistung der Laserdiode nicht nachgeregelt sondern konstant gehalten wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist zur gepulsten Ansteuerung des Halbleiters ein Hochfrequenzgenerator vorgesehen, sodaß die Laserdiode Lichtimpulse mit einer Folgefrequenz von bevorzugt 80 kHz emittiert.
Selbstverständlich ist die bevorzugt verwendete Frequenz von 80 kHz nicht als die Erfindung einschränkend anzusehen. Die Pulsfrequenz des Laserlichtstrahls sollte jedoch so hoch sein, daß durch nachfolgende Gleichrichtung und Hüllkurvendetektion des vom Lichtdetektor abgegebenen Signals eine Ausschaltung von störenden Umgebungslichteinflüssen möglich ist.
Eine Halbleiterlaserdiode sendet üblicherweise polarisiertes Licht aus. Die Polarisationsebene des von der Laserdiode emittierten Lichts ist bevorzugt so gewählt, daß sie senkrecht zur Horizontalen, also senkrecht zur Hauptfläche der Faltschachtelzuschnitte, steht.
Der Laserlichtstrahl wird zunächst von der Laserdiode horizontal abgegeben und von einem entsprechend eingebauten Prisma auf den gewünschten Einfallswinkel von 60° zur Horizontalen abgelenkt. Danach gelangt der Lichtstrahl durch eine Fokussieroptik (Kollimator), die den Lichtstrahl auf den gewünschten Strahldurchmesser im Bereich von 0,1-1 mm, insbesondere bevorzugt 0,5 mm fokussiert und auf die genannte Vorderkante oder Schnittkante des Objekts richtet.
Der Lichtdetektor weist bevorzugt eine Fotodiode auf, der ein breitbandiger HF-Verstärker nachgeschaltet ist, um das vom Lichtdetektor gegebene hochfrequente Signal zur Signalübertragung zu verstärken. Dem genannten HF-Vorverstärker folgt eine Übertragungsstrecke, über die das vom HF-Vorverstärker verstärkte Signal zu einem zweiten HF-Verstärker übertragen wird. Dem zweiten HF-Verstärker ist bevorzugt eine Gleichrichterstufe zum Gleichrichten des vom zweiten HF-Verstärkers abgegebenen Signals nachgeschaltet. Der Gleichrichterstufe folgt dann eine Tiefpaßstufe, die aus dem gleichgerichteten Signal ein Hüllkurvensignal bildet. Mittels einer der Tiefpaßstufe nachgeschalteten Differenzierstufe wird das Hüllkurvensignal differenziert, sodaß nur noch eine Flanke, beispielsweise die Vorderflanke des Hüllkurvensignals als Nutzinformation dient. Der Differenzierstufe ist eine Totzeitschaltung mit einstellbarer Totzeit nachgeschaltet, um aus dem differenzierten Hüllkurvensignal ein die Anwesenheit einer Kante oder eines Objekts mit einer Kante angebendes Digitalsignal zu erzeugen. Durch die Totzeitschaltung werden in kurzen zeitlichen Intervallen aufeinander folgende Nutzsignale, die evtl. auf eine Zitterbewegung des erfaßten Objekts zurückzuführen sind, unterdrückt. Dadurch werden Mehrfachzählungen, die durch hochfrequent flatternde Kanten verursacht werden, verhindert. Der zwischen dem Fokusdurchmesser von bevorzugt 0,5 mm und der einstellbaren Totzeit der Totzeitschaltung gefundene Kompromiß, der sich in einer entsprechenden Einstellung der beiden Parameter darstellt, führt dazu, daß Objekte oder Objektkanten bei allen vorkommenden Bewegungsgeschwindigkeiten der Objekte mit einem Abstand bis zu 1 mm noch getrennt nachgewiesen werden können.
In ihrer bevorzugten Anwendung der Erfindung zum Erfassen und Zählen von Faltschachteln oder Faltschachtelzuschnitten erreicht man mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine berührungslose Erfassung und Zählung der Objekte, die einfacher zu handhaben ist, insbesondere beim Produktionsanlauf, eine deutlich geringere Fehlerrate aufweist, was vor allem bei wertvollen Faltschachteltypen wichtig ist. Somit sind auch sehr dicht im Schuppenstrom aufeinander folgende Schachteln noch getrennt nachweisbar, und die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für alle Schachteltypen und bei allen realistischen Bandgeschwindigkeiten einsetzbar.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von das Verfahren erläuternden Prinzipdarstellungen und der Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Zeichnung näher beschrieben. Dabei können die beschriebenen Merkmale sowohl einzeln als auch in Kombination zur Erfindung gezählt werden. Von den Zeichnungsfiguren zeigen:

Fig. 1: Das bei der Erfindung angewendete Verfahren zur Erfassung und Zählung von Faltschachteln im Prinzip;
Fig. 2: das erfindungsgemäße Erfassungs- bzw. Zählverfahren im Prinzip in teilweise perspektivischer Darstellung;
Fig. 3: eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Erfassungs- bzw. Zählverfahrens;
Fig. 4: ein Funktions-Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Erfassungs- bzw. Zählvorrichtung;
Fig. 5: ein Signal-Zeitdiagramm, das an bestimmten Punkten der Vorrichtung gemäß Fig. 4 auftretende Signale verdeutlicht;
Fig. 6a: die relative Lage der zusammengehörenden Fig. 6b bis 6g zueinander; und
Fig. 6b bis 6g: einen Stromlaufplan der erfindungsgemäßen Erfassungs/Zählschaltung.

Zunächst wird anhand der Figuren 1 bis 3 das erfindungsgemäß angewendete Detektionsverfahren erläutert, wobei im wesentlichen zwei unterschiedliche Objekte erfaßt bzw. gezählt werden.
Gemäß Fig. 1 wird ein aus sich großenteils überlappenden Faltschachtelzuschnitten oder zusammengefalteten Faltschachteln bestehender Schuppenstrom S mittels eines nicht dargestellten Förderbands in Richtung des Pfeils V, d.h. in Fig. 1 nach links, mit im wesentlichen gleichbleibender Geschwindigkeit gefördert. Die im wesentlichen ebenen Objekte im Schuppenstrom S nehmen aufgrund der Schuppenbildung gegenüber der Horizontalen einen Winkel α ein. Die Faltschachteln oder Faltschachtelzuschnitte haben eine als Hauptfläche bezeichnete Oberfläche F₁, F₂, F₃ usw. und Vorderkanten, die mit K₁, K₂, K₃,... bezeichnet sind. Im allgemeinen liegt die Ebene der Vorderkanten K₁, K₂, K₃,... senkrecht zur Ebene der Hauptflächen F₁, F₂, F₃, wenn es sich um Faltschachteln oder Faltschachtelzuschnitte handelt, bei denen solche Kantenabschnitte als Stanzschnitte ausgebildet sind. Üblicherweise sind die Oberflächen F₁, F₂, F₃ von aus Karton bestehenden Faltschachteln bzw. Faltschachtelzuschnitten relativ glatt im Vergleich mit den Kantenflächen K₁, K₂, K₃,..., die relativ rauh sind. Wenn man nun einen Lichtstrahl E, wie in Fig. 1 gezeigt, von oben und vorn auf die Objekte, d.h. den Schuppenstrom S, richtet, wird dieser Lichtstrahl, solange er aufgrund der sich bewegenden Faltschachteln jeweils auf die Flächen F₁, F₂, F₃,... fällt, nach dem Reflexionsgesetz von den Flächen F₁, F₂, F₃ reflektiert. Wenn die Flächen F₁, F₂, F₃ nicht ideal glatt sondern etwas aufgerauht sind, wird der Hauptanteil der reflektierten Lichtenergie gemäß dem Lambert'schen Strahlungsgesetz in einen keulenförmigen Raumbereich reflektiert, der in Fig. 1 mit II bezeichnet ist. Bei ideal glatter Oberfläche der Flächen F₁, F₂, F₃ ergibt sich, wie bei einem Spiegel, ein reflektierter Strahl, der in Fig. 1 mit A_II bezeichnet ist. Sobald eine der Kanten K₁, K₂, K₃,... den Fokuspunkt des einfallenden Lichtstrahls E passiert, wird der Lichtstrahl an den relativ rauhen Flächen der Kanten K₁, K₂, K₃,... diffus in einen mit I bezeichneten, keulenförmigen Raumbereich gestreut. Die Hauptrichtung des in diese Richtung reflektierten Lichts ist in Fig. 1 mit A_I bezeichnet und verläuft grob angenähert entgegengesetzt zur Richtung des Raumbereichs II. In dem mit I bezeichneten Raumbereich wird erfindungsgemäß zum Empfang des reflektierten Lichts ein Lichtdetektor angeordnet. Es wird somit der größte Teil des auf die Hauptflächen einfallenden Lichts vom Detektor weg gestreut.
Insbesondere wird der einfallende Lichtstrahl E unter einem Winkel δ, der bevorzugt 60° gegen die Horizontale beträgt, von einem Halbleiterlaser erzeugt und mittels einer Kollimatoroptik, deren Objektiv beispielsweise eine Brennweite von 50 mm hat, auf den Schuppenstrom S mit einem bevorzugten Strahldurchmesser von 0,5 mm fokussiert. Die vom Schuppenstrom S in den Raumbereich I reflektierte bzw. gestreute Lichtintensität wird unter einem Winkel von ca. 20° gegen die Horizontale durch eine Fotodiode empfangen. Somit steht eine Ebene, die durch ein gedachtes Dreieck: "Laserdiode - Streuzentrum - Detektor" aufgespannt ist, senkrecht zur Horizontalen, und das Dreieck weist vom Streuzentrum aus in die Transportrichtung V des Schuppenstroms S. Der Transport der Schachteln als Schuppenstrom bewirkt, daß der einfallende Lichtstrahl E unter einem wesentlich flacheren Winkel als 60° auf die Oberflächen F₁, F₂, F₃ der Schachteln bzw. der Zuschnitte im Schuppenstrom S fällt. Als Folge davon wird nach dem Reflexionsgesetz ein erhöhter Anteil der auf die Oberflächen F₁, F₂, F₃ fallenden Lichtintensität vom Detektor R wegreflektiert, und die diffuse Streustrahlung wird in Richtung Detektor ebenfalls entsprechend dem Gesetz von Lambert geschwächt. Beide Effekte wirken jedoch in diesselbe Richtung. In der Summe verhindern sie, daß, solange der einfallende Lichtstrahl E auf die Oberflächen F₁, F₂, F₃ fällt, nennenswerte Strahlungsintensität von den im Schuppenstrom S schrägliegenden Schachteloberflächen bzw. Oberflächen der Zuschnitte F₁, F₂, F₃,... zum Detektor gelangen kann.
Genau entgegengesetztes Verhalten zeigen die, insbesondere im rechten Winkel zur Schachteloberfläche F₁, F₂, F₃ orientierten Stanz- oder Schnittkanten der Schachtelkartons oder Zuschnittkartons. Hier liegen nämlich der eingestrahlte Lichtstrahl E und der Detektor innerhalb eines Winkelbereichs von ca. +/-30° bezüglich der Flächennormalen N₁, errichtet auf der Schnittfläche der Stanzkanten K₁, K₂, K₃. Der Detektor registriert folglich in Übereinstimmung mit den oben formulierten physikalischen Gesetzmäßigkeiten, sobald die Stanzkanten durch das Streuzentrum gehen, von den Kanten eine hohe Strahlungsintensität. D.h., daß die als Empfänger eingesetzte Fotodiode, wenn eine der Stanzkanten K₁, K₂, K₃,... das Streuzentrum des Laserstrahls E passiert, kurzzeitig ein starkes Anwachsen der gestreuten Strahlung erfaßt. Diese Steigerung der Strahlungsintensität wird folglich zur Identifikation eines Objekts, in diesem Fall einer Faltschachtel oder eines Faltschachtelzuschnitts, im Schuppenstrom S verwendet. Genauer gesagt, verwendet man, wie später anhand der Fig. 4 und 5 ausgeführt wird, die steil ansteigende Flanke dieses Intensitätspulses. Daraus wird der Erfassungs- bzw. Zählimpuls generiert.
Fig. 2 zeigt in Draufsicht und teilweise perspektivischer Darstellung Objekte, beispielsweise Faltschachteln, die in Form eines Schuppenstroms S von einer nicht dargestellten Fördervorrichtung in Richtung des Pfeils V gefördert werden und die Oberflächen F₁, F₂, F₃,... und Vorderkanten K₁, K₂, K₃,... wie in Fig. 1 aufweisen. Ein Lichtstrahl E wird gemäß dem bereits in Fig. 1 erläuterten Verfahren von einem aus einer Laserdiode L, einem Prisma und einer Kollimatoroptik O₁ bestehenden Sender erzeugt und auf den Schuppenstrom S so fokussiert, daß der von den Vorderkanten K₁, K₂, K₃,... gestreute und reflektierte Anteil A_I auf den aus einer Fotodiode R und gegebenenfalls einer Sammellinse O₂ bestehenden Empfänger fällt, sobald eine jeweilige der Vorderkanten K₁, K₂, K₃,... das Streuzentrum des Lichtstrahls E passiert. In Fig. 2 ist weiterhin dargestellt, daß die Polarisationsebene P des von der Laserdiode emittierten Licht senkrecht zur Horizontalen gerichtet ist.
Fig. 3 stellt eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar, wobei durch die anhand der Fig. 1 und 2 beschriebene prinzipielle Verfahrensweise keine in Form eines Schuppenstroms vorliegenden Faltschachteln oder Faltschachtelzuschnitte erfaßt oder gezählt werden, sondern statt dessen die Anzahl aus in einem in einer Richtung V tranportierten Band ausgestanzten Nutzen Nu₁, Nu₂, Nu₃,..., die in Form von Ausschnitten oder Löchern im Band vorliegen. Dabei kann von den in Fig. 1 und Fig. 2 zur Erfassung der Vorderkanten der in Form eines Schuppenstroms vorliegenden Faltschachteln oder Faltschachtelzuschnitte gewählten Einfallswinkel des eingestrahlten Lichtstrahls und der räumlichen Anordnung von Sender und Empfänger etwas abgewichen werden, wenn die Hauptfläche, d.h. die Oberfläche des Stanzbandes horizontal liegt. Wesentlich ist jedoch auch hier, daß das durch Sender-Streuzentrum-Empfänger aufgespannte Dreieck vom Streuzentrum aus in die Transportrichtung V weist.
Vorteilhafterweie sind der Winkel δ und die Lage des Detektors (Fotodiode) entsprechend den jeweils zu erfassenden bzw. zu zählenden Objekten einstellbar gestaltet, damit in jedem Fall optimale Bedingungen für den reflektierten Anteil des eingestrahlten Lichts erhalten werden.
Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung zur Erfassung bzw. zum Zählen von Objekten bzw. Kanten und/oder Vertiefungen an Objekten, die das anhand der Fig. 1 bis 3 beschriebene Verfahren realisiert. Ein Halbleiterlaser (Laserdiode) 2 wird mittels eines ein Hochfrequenzsignal von bevorzugt 80 kHz generierenden Hochfrequenzgenerators so angesteuert, daß der Halbleiterlaser einen Lichtstrahl E_M mit einer Pulsfrequenz von 80 kHz erzeugt. Dabei bleibt die mittlere Ausgangsleistung des Laserstrahls E_M konstant. Das von einer als Lichtdetektor eingesetzten Fotodiode 3 entsprechend der zu ihr reflektierten Lichtintensität erzeugte elektrische Signal wird von einer der Fotodiode (Siliziumdiode) nachgeschalteten breitbandigen HF-Vorverstärkerstufe 4 verstärkt und ergibt das Erfassungssignal U, welches über eine Übertragungsstrecke Ue geführt ist. Die Fotodiode 3 und der HF-Vorverstärker 4 bilden zusammen den Lichtempfänger R. Das über die Übertragungsstrecke Ue gegangene, vom Lichtempfänger R abgegebene Signal U wird in mindestens einer Breitband-HF-Nachverstärkerstufe 5 verstärkt. Dieser ersten Nachverstärkerstufe 5 kann bei Bedarf eine weitere breitbandige HF-Nachverstärkerstufe 6 nachgeschaltet werden. Danach wird das Signal mittels einer Gleichrichterschaltung 7 gleichgerichtet und durch ein Tiefpaßfilter 8 (RC-Filter) tiefpaßgefiltert. Am Ausgang des Tiefpaßfilters 8 liegt demnach ein gleichgerichtetes, gefiltertes und geglättetes Signal W vor. Das Signal W wird dann mittels einer Differenzierstufe 9 differenziert. Durch die Differenzierung werden die Signaländerungen (Vorder- und Rückflanke des Signals W) stark hervorgehoben, die noch verbleibenden Gleichanteile unterdrückt. Der Differenzierstufe 9 ist eine als Schmitt-Trigger wirkende Komparatorstufe 10 mit Schalthysterese nachgeschaltet. Dieser Komparatorstufe 10 folgt eine Totzeitschaltung 11. Die mittels einer Totzeiteinstellschaltung 11' einstellbare Totzeit T_tot ermöglicht eine Ausblendung in Form eines Zeitschlitzes zur Prellunterdrückung. Mittels der Einstellschaltung 11 kann die maximal mögliche Zählfrequenz beispielsweise zwischen 1/s bis 300/s begrenzt werden. Damit ist z.B. eine Signalunterdrückung möglich, wenn die im Schuppenstrom vorliegenden Faltschachteln oder Faltschachtelzuschnitte außer der zur Erfassung dienenden Vorderkante K₁, K₂, K₃,... weitere Ausschnitte oder Stanzkanten haben, die ein Erfassungssignal U im Empfänger R und damit auch ein differenziertes Signal X am Eingang des Totzeitglieds 10 erzeugen. Diese Totzeit läßt sich also objektspezifisch einstellen. Die von der Totzeitstufe 11 abgegebenen Zählimpulse werden dann noch mittels einer Zählimpuls-Aufbereitungsschaltung 12 in einem bestimmten, zur Weiterverarbeitung geeigneten Pegel aufbereitet und als Signal Y einer Auswerte-Zähleinheit 13 zugeführt.
Fig. 5 zeigt das zeitliche Verhalten der bereits bei der Beschreibung der Schaltung anhand der Fig. 4 erwähnten Signale U, W, X und Y. Durch die Aufmodulation des mittels der Fotodiode 3 erfassten Intensitätssignals auf die Pulsfrequenz des Lichtstrahls E_M von 80 kHz, die Gleichrichtung und Tiefpaßfilterung in der nachfolgenden Schaltung lassen sich unerwünschte Umgebungslichteinflüsse und dadurch verursachte Störungen mit Sicherheit ausschalten. Mit der realisierten Schaltung konnten bei der Einstellung des Fokusdurchmessers auf 0,5 mm und einer geeigneten Einstellung der Totzeit Faltschachteln mit einem minimalen Abstand von d = 1 mm in Transportrichtung sicher erkannt und gezählt werden.
Bislang wurde die erfindungsgemäße Vorrichtung und die Auswerteschaltung lediglich als Funktions-Blockschaltbild beschrieben und erläutert. Nachstehend wird anhand der Fig. 6a bis 6g ein realisierter Stromlaufplan der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.
Fig. 6a zeigt, in welcher gegenseitigen Lage die Schaltungsteile der Fig. 6b bis 6g zur Gesamtschaltung zusammenzusetzen sind. In Fig. 6b bis g ist die der Fotodiode 3 zugeordnete HF-Breitband-Vorverstärkerschaltung 4 nicht dargestellt. Dieser HF-Breitband-Vorverstärker 4 ist in Form eines einstufigen, analogen Signalverstärkers unter Einsatz eines hochwertigen und rauscharmen Operationsverstärkers (sogenannter Elektrometer-Verstärker) realisiert. Die Fotodiode 3 ist als lichtempfindliche Siliziumdiode realisiert, die einen Photonenausbeute von ca. 0,5 mA/mW (Diodenstrombezogen auf die einfallende optische Intensität) und eine Kapazität > 20 pF hat. Der Generator 1, der dem Halbleiterlaser 2 die 80 kHz-Impulse liefert, ist gleichfalls in Fig. 6b bis g nicht dargestellt.
Der Stromlaufplan gemäß Fig. 6b bis g zeigt im linken oberen Teil (nämlich in Fig. 6b) zwei Breitband-HF-Nachverstärkerstufen 50, 60 entsprechend den Stufen 5 und 6 in Fig. 4, die das von der links in Fig. 6e gezeigten Steckerleiste 65 kommende Erfassungssignal U breitbandig verstärken. Durch eine mit diskreten Bauelementen aufgebaute Gleichrichterschaltung, die aus den Dioden D1 und D2 hinter der Verstärkerstufe 60 besteht, wird das verstärkte Signal gleichgerichtet, was der Gleichrichterstufe 7 gemäß Fig. 4 entspricht. Danach folgt das der Stufe 8 entsprechende Hochpaßfilter 80 (Fig. 6e), das eine Eckfrequenz von 20 kHz hat und Netzstörungen sowie Einflüsse durch flackerndes Umgebungslicht, verursacht insbesondere durch Leuchtstoffröhren, abblockt.
Das gefilterte und geglättete Signal W wird anschliessend einer Differenzierstufe 90 (Fig. 6e) entsprechend der Stufe 9 in Fig. 4 zugeführt, die das Differential des Signales bildet und dadurch die Signaländerungen stark hervorhebt, die Gleichanteile dagegen unterdrückt (vgl. das Signal X in Fig. 5). Eine integrierte Komparatorstufe mit Schalthysterese formt aus dem differenzierten Signal X ein digitales Normsignal, wobei nur Signale mit positiver und negativer Flanke weitergeleitet werden (vgl. die Stufe 10 in Fig. 4).
Der Komparatorstufe 10 (Fig. 4) ist eine Totzeitstufe 11 nachgeschaltet, die mit einem einstellbaren Totzeitglied 11' gekoppelt ist, um die Totzeit 11 variabel einstellen zu können. Das von der Totzeitstufe abgegebene Signal Y wird mittels einer Pegelumsetzschaltung 12 auf Signalpegel umgesetzt, die zum nachgeschalteten Zähler kompatibel sind.
Statt der beschriebenen Erfassung von Vorderkanten könnte in der Darstellung der Fig. 1 bis 3 die Transportrichtung V umgekehrt werden, so daß dann Hinterkanten erfaßt werden.

Claims

Verfahren zum Erfassen von Objekten oder Kanten an Objekten, insbesondere von Kanten, die an oder in den Objekten in Form von Stirn- oder Schnittflächen ausgebildet sind, welche in einem bestimmten Winkelbereich in Bezug auf eine vorbestimmte Hauptfläche der Objekte liegen, mittels von den Objekten reflektierten Lichtes, wobei von einer Lichtquelle (L) ein Lichtstrahl (E) auf das Objekt (S) in einem bestimmten Einfallswinkelbereich auf eine jeweilige Stirn- oder Schnittfläche eingestrahlt wird, eine Relativbewegung zwischen Lichtquelle und den Objekten bzw. den Kanten bewirkt wird, ein davon reflektierter Anteil (A_I) des eingestrahlten Lichts (E) von einem in einem Ausfallswinkelbereich angeordneten Lichtdetektor (R) erfaßt wird
und davon ein das Vorhandensein des Objekts (S) und/oder einer oder mehrerer Stirn- bzw. Schnittfläche(n) (K₁, K₂, K₃) angebendes Signal (U) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (L) und der Lichtdetektor (R) raumfest angeordnet und
die Objekte (S) in einer vorbestimmten Förderrichtung (V) bewegt sind, wobei die zu erfassenden Stirn- oder Schnittflächen Vorderkanten oder nach vorn, in die Förderrichtung weisende Schnittkanten bilden, und der vorgegebene Einfallswinkelbereich (δ) des eingestrahlten Lichtstrahls (E) so gewählt ist, daß der von diesen Vorderkanten oder von den nach vorn, in die Förderrichtung weisenden Schnittkanten reflektierte Strahlanteil (A_I) im wesentlichen in die Förderrichtung (V) abgestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Objekte (S) eine im wesentlichen horizontal liegende, ebene Hauptfläche (F₁, F₂, F₃) haben und die Stirn- oder Schnittflächen der Vorderkanten etwa rechtwinklig zur Hauptfläche (F₁, F₂, F₃) ausgebildet sind, wobei der Lichtstrahl schräg von oben und vorn auf die Objekte (S) so eingestrahlt wird, daß sein Einfallswinkel (δ) etwa 60° zur Horizontalen beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel (δ) des eingestrahlten Lichtstrahls (E) justierbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der eingestrahlte Lichtstrahl (E) mittels einer Kollimatoroptik (O₁) auf einen Strahldurchmesser in einem Bereich von etwa 0,1-1 mm fokussierbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl E von einer Laserdiode (L) mit einer Wellenlänge von 680 nm ausgestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiode gepulstes Licht mit einer Folgefrequenz von 80 kHz abgibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das eingestrahlte Licht eine Polarisationsebene hat, die senkrecht zur Horizontalen steht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtdetektor (R) eine Fotodiode verwendet wird.
Verfahren zum Zählen von Objekten oder Kanten an Objekten, gekennzeichnet durch die Verwendung des Erfassungsverfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das das Vorhandensein eines Objekts oder einer Kante angebende Signal (U) einer Auswertungs- und Zählvorrichtung zur Erzeugung eines die Anzahl der erfaßten Objekte oder Kanten angebenden Signals (Y) zugeführt wird.
Zählverfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch dessen Verwendung zum Zählen von Faltschachteln oder Schachtelzuschnitten, die auf einer Förderstrecke in Form eines Stroms mit teilweiser Überlappung (Schuppenstrom) gefördert werden.
Vorrichtung zum Erfassen und/oder Zählen von Objekten oder Kanten an Objekten (S), die an oder in den Objekten (S) in Form von Stirn- oder Schnittflächen (K₁, K₂, K₃) ausgebildet sind, welche in einem bestimmten Winkelbereich in Bezug auf eine vorbestimmte Hauptfläche (F₁, F₂, F₃) der Objekte liegen, mittels von den Objekten reflektierten Lichtes, mit einer einen Lichtstrahl (E) auf die Objekte richtenden Lichtquelle (L; 1,2) und einem einen vom Objekt reflektierten Anteil (A₁) des eingestrahlten Lichts empfangenden Lichtdetektor (R; 3,4),
dadurch gekennzeichnet, daß eine eine Relativbewegung (V) zwischen der Lichtquelle (S; 1,2) und den Objekten (S) bewirkende Vorrichtung vorgesehen ist,
daß die Lichtquelle (L; 1,2) und der Lichtdetektor (R; 3,4) in Bezug auf die Objekte so angeordnet sind, daß der eingestrahlte Lichtstrahl in einem vorbestimmten Einfallswinkelbereich auf die Stirn- oder Schnittflächen und der davon reflektierte Anteil (A₁) auf den Lichtdetektor (R; 3,4) fällt,
und daß der Lichtempfänger (R; 3,4) zur Erzeugung eines das Vorhandensein des Objekts (S) und/oder einer oder mehrerer Stirn- oder Schnittfläche(n) (K₁, K₂, K₃) angebenden Signals (U) eingerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (L; 1,2) und der Lichtdetektor (R; 3,4) raumfest angeordnet sind und die Vorrichtung, die die Bewegung verursacht, die Objekte in einer vorbestimmten Förderrichtung (V) bewegt,
daß die zu erfassenden Stirn- oder Schnittflächen Vorderkanten oder nach vorn, in die Förderrichtung weisende Schnittkanten bilden und der Einfallswinkel (δ) des eingestrahlten Lichts (E) so gewählt ist, daß der von diesen Vorderkanten oder von den nach vorn weisenden Schnittkanten reflektierte Strahlanteil (A₁) im wesentlichen in die Förderrichtung abgestrahlt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (L; 1,2), der Lichtdetektor (R; 3,4) und die zu erfassenden Stirn- oder Schnittflächen bzw. Vorderkanten so angeordnet sind, daß ein gedachtes Dreieck Lichtquelle-Streuzentrum-Lichtdetektor vom Streuzentrum aus in die Förderrichtung der Objekte (S) weist und senkrecht zur Horizontalen steht.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (L) eine Laserdiode aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiode (L) Licht bei einer Wellenlänge von 680 nm und mit konstanter Ausgangsleistung emittiert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle mit einem Hochfrequenzgenerator (1) zur Ansteuerung der Laserdiode (2) verbunden ist und daß die Laserdiode (L) Lichtimpulse mit einer Folgefrequenz von 80 kHz emittiert.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Lichtquelle (L) emittierte Lichtstrahl polarisiert ist und dessen Polarisationsebene senkrecht zur Horizontalen steht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kollimatoroptik (O₁) vorgesehen ist, um den Lichtstrahl von der Laserdiode auf dem Objekt auf einen Strahldurchmesser von 0,1-1 mm zu fokussieren.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtdetektor (R, 3,4) eine Fotodiode (3) aufweist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtdetektor (R) weiterhin einen HF-Breitbandverstärker (4) aufweist, um das hochfrequente Signal (U) von der Fotodiode (3) zu verstärken.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten HF-Vorverstärker (4) nach einer Übertragungsstrecke (Ue) mindestens ein zweiter HF-Verstärker (5,6) nachgeschaltet ist, der das über die Übertragungsstrecke übertragene hochfrequente Signal (U) weiter verstärkt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine Gleichrichterstufe (7) zum Gleichrichten des vom zweiten HF-Verstärker (5,6) abgegebenen Signals vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine Tiefpaßstufe (8) der Gleichrichterstufe (7) nachgeschaltet ist, um aus dem gleichgerichteten Signal ein Hüllkurvensignal (W) zu bilden.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 20 bis 24, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß eine Differenzierstufe (9), um das Hüllkurvensignal zu differenzieren, vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzierstufe (9) ein Schmitt-Trigger (10) und eine Totzeitschaltung (11) nachgeschaltet ist, um aus dem differenzierten Hüllkurvensignal (X) ein die Anwesenheit einer Kante oder eines Objekts angebendes Digitalsignal (Y) zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Einstellschaltung (11') die Totzeit der Totzeitschaltung (11) einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Totzeitschaltung abgegebene Digitalsignal (Y) einer Zähl- und Auswerteschaltung zugeführt wird.