CN1659405B - 安全*** - Google Patents

Abstract

一与机床一起使用的安全***，该机床具有一在已知的运动路径中运动的运动刀具。此安全***用于探测被认为危险的所述路径的一部分周围区域中的阻碍物的存在。该安全***的特征在于具有一发光装置(16)、一光接收装置(18)和一处理控制装置。发光装置(16)用于发射与刀具的运动路径大体平行的光线从而照亮区域(20)。光接收装置(18)用于接收来自发光装置(16)且已通过区域(20)的光线。处理控制装置用于接收来自光接收装置(18)的信息，并通过由阻碍物而在光接收装置(18)上投射的一个或多个阴影区域确定在区域(20)中是否存在一阻碍物，并用于基于在区域(20)中阻碍物的存在而控制刀具(12)的运动。

Description

安全***

技术领域

本发明涉及一安全***，特别涉及用于与具有运动部件如压弯机的机器一起使用的***，来探测在运动部件的路径上的障碍物的存在。 

背景技术

过去，已经使用不同的机械装置防止工业机床例如压弯机的操作者在操作中将他们的手放在运动刀具的下面。操作者这样的动作明显具有导致对操作者的严重伤害的可能性，该伤害是由刀具和其可以运动的速度所施加的力引起的。 

一这样的安全机械装置使用了放置在操作者和刀具之间的物理防护装置。然而，物理安全防护装置的使用会阻碍操作者使用期间的视线，并妨碍接触工件，使得操作者很难以最有效的方式执行他们的工作。同样，物理系链被使用来将操作者保持在离操作中的运动刀具安全的距离内。以离刀具的安全距离的双手启动开关的形式引入系链，从而保证操作者在操作中没有空闲的手靠近刀具。然而，系链的使用也使得工作的掌控和操作很困难，从而降低了操作者可以与其合作的效率。 

不同的排列也使用于大量光束用于产生一光幕的时候，该光幕限制了被认为是危险的运动刀具的路径周围的区域。光束投射到探测装置上，该探测装置可以感测光束什么时候是断断续续，并触发刀具运动的暂停或减速。由于保持操作者远离工作区域，所以分立光束的排列同样具有缺点。通常也需要在生产批次之间重设光幕的位置。同样，他们只定义了刀具附近的区域，该刀具如果被不管是否是操作者一部分的任何物体所阻碍时，将使机械装置不活动。而且，单个光束的使用也同样在中产生小间隙，小物体例如手指可以放进该光幕中而不触发机床的不活动。 

提供安全保护的进一步方法是使用一束或多束沿着刀具前缘投射的光束。光束随着刀具移动，如果一阻碍物中断了光束就减慢或停止刀具。在这样的排列中，只要刀具接近工件就必须使光束不起作用，并且在离刀具足够的距离处设置光束来及时停止刀具。因而，光束离刀具的容许的最小距离取决于刀具运动的最大速度。在一些情况中，在离刀具不同的距离处可以使用多光束。

以这些类型的排列的已知问题包括在改变刀具的时候重新校准光束的需求，和刚好在光束不起作用的时候操作者可能在刀具下移动手的可能性。同样，由于使用光幕，工件的所有部分例如当在压弯机中压弯箱子时的上弯的台面，都必须在每次遇到新阻碍需要操作者确定时不接触到光束。 

本发明试图克服至少部分上述先前的安全***的缺点，该先前的安全***用于探测在具有运动部件的机床周围的危险区域中的障碍物的存在。 

发明内容

依照本发明的一方面提供一与机床一起使用的安全***，该机床具有一在已知的运动路径中运动的运动部件，该安全***包括： 

至少一发光装置，用于发射光线，该发射光线的光轴与该部件的运动路径大体垂直从而照亮包括至少一部分所述路径的区域； 

至少一光接收装置，用于接收来自一个或者多个上述的发光装置且已经过所述区域的光线；以及 

处理控制装置，用于接收来自光接收装置的图像信息，由此识别由该区域中的阻碍物投射在光接收装置上的所述照亮的区域的垂直和水平范围内一个或多个阴影区域的存在； 

其中，该区域的照亮使得，该处理控制装置具有足够的图像信息来确定这些或者每个阴影区域的边界，并根据所述图像信息控制该部件的运动。 

附图说明

将通过实例参考附图对本发明进行描述。 

图1a是依照本发明用于照亮刀具下的区域的发光装置和透镜排列的图示； 

图1b是一用于照亮刀具下的区域的发光装置和透镜排列的另一实施例的图示； 

图2a是用于接收来自图1a的光传输装置的光线的光接收装置和透镜排列的图示； 

图2b是用于接收来自图1b光传输装置的光线的光接收装置和透镜排列的图示； 

图3是用作光接收装置的一CCD的透视图； 

图4是依照本发明具有被照亮的刀刃的周围区域的压弯机的透视图； 

图5是由发光装置产生的照亮区域的截面图，显示了一用于检查目的的遮光板； 

图6是在图4的压弯机的操作中由安全***建立的阴影图54的图示； 

图7是一具有在刀具旁定义为停止区的照亮区域的图示； 

图8是当刀具接触到铁砧时图7的照亮区域的图示。 

具体实施方式

参考附图，这里显示有一安全***，其用于和具有运动部件的机床一起使用从而探测运动路径上的阻碍物的存在。在所示的实施例中，在包含有刀具12的压弯机上采用一安全***，该刀具12被安置来相对于铁砧14运动并敲击放置在铁砧14上的工件。该安全***包含一发光装置16和一光接收装置18。发光装置16安置来对刀具12的运动路径的一部分的周围区域20照明，以探测在所述区域20中的阻碍物。 

图1a显示一排列，其中使用一激光二极管22建立一与光束平行的大的区域。在图1a所示的排列中，激光二极管22用于照明调心球25。调心球25将激光束集中于一点26。通过将光线穿过一针孔(图未示)可以进一步改善点光源。经过点26后，通过利用发送端凹透镜30和第一发送端凹透镜32而校准激光束。该光束通过第二发送端凹透镜34后形成平行光束24。应理解的是，在本实施例中使用一排列产生平行光束24，该排列使用调心球25，发送端凹透镜30和第一、第二发送端凹透镜32、34，而其他的排列也有可能产生平行光束24。 

图1b显示了另一排列，其中激光二极管22用于产生一大面积平行光束24。在此排列中，一发送端非球面或消色差的透镜35用于取代发送端凹透镜30和第一、第二发送端凹透镜32、34。另外，可以使用两个发送端凹透镜取代非球面或消色差的透镜35。同样，一发送端反射镜37用于允许焦距的增加而不会显著增加发光装置的排列的长度，该排列允许使用两个串连的凹透镜而不需进一步的校准。 

图2a显示一排列，其用于将平行光束24聚焦在光接收装置18上。所使用的透镜的排列是图1a中所示的排列的反向排列，是由于为了在光接收装置18上聚焦光束24而将光束24通过第一、第二接收端凹透镜36、38和一接收端凹透镜40。 

图2b显示用于聚焦平行光束24的另一排列。使用一接收端消色散或非球面透镜39和一接收端反射镜41的该排列是发送端的反向排列。另外，可以使用两个接收凹透镜来取代消色散或非球面透镜39。光接收装置18包含一在屏44中的孔径42和一图像探测装置46。图像探测装置46可以是一电荷耦合装置(CCD)或一带有摄像机的投影屏从而观测投影图像。所接收的大小最好比图像探测装置46小。以这种方式，可以使用在图像探测装置46上的图像部分来确定未校准。同样，一高快门速度可以用于提供闪光效果。可以通过插值法确定图像和尤其是在闪光图像之间的阻碍物的位置。 

如图4所示，发光装置16安装在压弯机的刀具12的一端，从而平行光束24照亮一包含前边缘48的刀具12的运动路径周围的区域。光接收装置18安装在刀具12的相对端从而接收光束24。如果阻碍物50，例如操作者的手进入到该区域20，相应的阴影52将投影在图像探测装置46上。发光装置16和光接收装置18相对刀具12固定安装。 

该安全***也包括一连接的处理控制装置(图未示)，从而处理控制装置接收来自光接收装置18的信息，处理信息并控制压弯机的操作。处理控制装置可以是一种驻留在数字信号处理器、计算机上或者嵌入微型电子计算机上的软件程序的形式，接收来自光接收装置18的输出端的输入。处理控制装置捕获由图像探测装置46接收的图像，并处理该图像从而搜索任何未知的阴影。处理控制装置在存储器中存储由图像探测装置46接收的其中不存在阻碍物的图像。在发光装置16和光接收装置18相对于刀具12固定安装的情况下，图像包含刀具12的前边缘。处理控制装置对由图像探测装置46接收的当前的图像和已存储的图像进行比较，从而确定由区域20中的阻碍物在图像探测装置46上产生的任何阴影的存在。如果探测到任何新的阻碍物，处理控制装置可以停止或减慢刀具12的运动。 

在探测到阻碍物时控制刀具12的运动的一种方法中，处理控制装置确定刀具12和阻碍物之间的垂直距离，并在该确定的距离比需要停止刀具12的距离大时允许刀具12的继续运动。处理控制装置也可以确定由阻碍物投射的阴影的厚度，并且如果该厚度被确定为该阻碍物不可能是操作者身体的一部分时允许刀具12的继续运动。如果要停止或者减慢刀具12，操作者可以通过设置输入装置，例如一按钮，提供一信号给处理控制装置来确认刀具12的继续操作是安全的。

处理控制装置也可以产生一总画面，该总画面由当刀具12经过其运动路径时光接收装置18接收的图像信息所构成。该画面由处理控制装置产生并存储在存储装置中。总画面将作为一阴影图而被参考。在图6中显示一阴影图54，其中没有探测到除了刀具12和铁砧14的阴影之外的阴影。这样的阴影图54可以在刀具第一次经过的时候产生。 

处理控制装置可以在存储装置装置中存储大量已知的安全阴影图。该已知的安全阴影图探测是没有阻碍物时的阴影图54，如果探测到该阻碍物需要停止或减速压弯机。例如，其中唯一投射的阴影是刀具12的前边缘和铁砧的阴影图54将是一已知的安全阴影图54。 

使用中，如果在光束24的路径中放置有阻碍物，那么在图像探测装置46上投射有一阴影52。处理装置识别在阴影图54中的一未知阴影区域的存在，并停止或减慢刀具的运动，直到通过移开阻碍物使得阴影消失或者操作者通过输入装置的操作确认压弯机的操作可安全的继续进行。此外，处理控制装置为了协助操作者确定引起压弯机不活动的阻碍物的位置，可以允许刀具12在停止之前下降到与阻碍物相邻的位置。 

在由安全***探测的阻碍物是被认为可安全的继续操作的阻碍物例如先前已压弯的工件边缘的情况下，处理控制装置存储该阴影图作为已知的安全阴影图。因而，当重复该工件时，处理控制装置自动识别该阻碍物为没有危险的阻碍物，并允许压弯机的继续操作。 

即使先前已探测一阻碍物并且操作者确定其可以安全的继续处理，但处理控制装置仍然可能确定该阻碍物是危险的。例如，如果处理控制装置探测到邻近照亮区域边缘的已知阴影，而且确定该已知阴影具有足够尺寸隐藏危险的阻碍物，然后处理控制装置可能需要减慢或停止刀具12的运动，或者在 离原料合适的距离停止刀片。 

为维持安全需求，如果在一指定时间段中没有再探测到已知的安全阴影图，就由处理控制装置放弃该阴影图。 

为了在操作过程中产生阴影图54，需要刀具位置探测装置来为处理控制装置提供关于刀具12离铁砧14的位置的信息以产生完整的阴影图。可提供如图7和8所示的安全***的另一实施例，其中没有使用刀具位置探测装置探测刀具12的可能位置。在该实施例中，处理控制装置排列来探测V形照亮区域60的存在，该V形照亮区域60是定义在铁砧14和工件的‘V’之间的区域。 

同样，在该实施例中处理控制装置排列来定义一停止区62，该停止区62是在刀具12边缘周围的照亮区域的面积。如图8所示，如果当V形照亮区域60被确定为距离阻碍物的末端为一不安全距离时，阻隔停止区62，然后处理控制装置使得刀具12在离原料一安全距离时停止。然后需要操作者的确认继续进行。 

可以通过其他的装置探测铁砧14的存在。如果例如工件的一部分阻碍了V形照亮区域60防止精确探测时，这是有必要的。较优的是使用这些技术的组合。 

处理控制装置也可以包括减少错误触发的可能性的装置。处理控制装置归定了阴影扩展，从而由足够多的象素扩展阴影从而允许振动或其它的错误。同样，由于偏转发光装置16和接收装置18的高速减速的可能，而忽略在刀具停止的时候产生的阴影。而且，处理控制装置忽略压弯机后挡料(BackGuage)的动作。在第一次使用安全***时，在安全***中预先配置后挡料的形状和可能的位置。 

较优的是提供该安全***一遮光板56，如图5所示，该遮光板56放置在发光装置16的前面用于检查安全***是否正确的接收光束24。遮光板56包含处理控制装置已知的形状，例如一十字形58。然后，处理控制装置检查遮光板56的形状的存在，并在没有探测到遮光板56时触发压弯机的不活动。而且可以在发光装置16端和光接收装置18端同时提供遮光板。通过确定在每一端的遮光板的校准，可以确认***的校准或者弥补轻微的未校准。 

由于发光装置的一些安全标准而可以需要被脉冲化，从而在所需的背景之间使发光装置16变暗或者将其关闭。较优的是以所需激活图像探测装置的最小时间打开发光装置16，因而通过闪光效果协助处理控制装置。处理控制装置可以使用关闭或变暗的时间段从而确保环境光没有错误的照亮光接收装置18。 

可以提供一输出装置例如屏幕或计算机显示器给安全***，其显示投射在图像探测装置46上的图像，因而协助操作者识别探测到的阻碍物。 

安全***也可以包括使用在光传输装置16之前的石英偏转装置来校正振动，而且可以在光发射和接收装置16和18的排列中引入离轴的抛物面镜来去除透镜化的需求并增加传感区域。同样，处理控制装置可以分析工件的弯曲度，以减少在工件和刀具12之间夹住手指的危险。也可以利用与弯曲原料不一致的阴影的运动来确定不安全的状态。 

同样，安全***也可以包含用于发光装置16和/或接收装置18的方向的微调，并且其中一个可自动调整方向或者在装置上显示光线，从而显示该装置是在哪个方向未校准。 

对那些普通技术人员的任何明显的修饰或修改都在本发明的范围之内。例如，当光束24描述为一大面积平行光束时，有可能使用聚焦的发光装置的矩阵和分立的传感器的矩阵。一最佳位置的pin型光电二极管可以和一脉冲化的发光装置的矩阵一起使用，从而产生图像。另外，可以使用一扫描平行光激光器取代发光装置的矩阵。以这种方法，矩阵中的光线可以在扫描排列或者扫描的激光器中依次脉冲化，因此，当接收来自矩阵的光的平行光束时pin型光电二极管开启，并且当阻碍物投射一阴影时pin型光电二极管保持关闭。而且，一行最佳位置的pin型光电二极管可以放在一光学狭缝之后使用。然后，许多宽束激光器可以连续的闪烁，从而产生与上述的样式相似的图像。 

同样，发光装置16和光接收装置18可以相对于铁砧而不是刀具12而固定安装，而且可以使用另一装置为发光装置16、光接收装置18和相关关学设备的组件。例如，可以使用一离轴的抛物面镜取代图1b和图2b中所示的实施例的反射镜和透镜的排列。 

Claims (52)

1.一种与机床一起使用的安全***，该机床具有在已知的运动路径中运动的运动部件，该安全***特征在于包括：

至少一个发光装置，用于发射光线，该发射光线照亮该部件的至少一部分周围的区域和所述运动路径；

至少一个光接收装置，用于接收来自一个或者多个上述的发光装置且已经过所述区域的光线；以及

处理控制装置，用于接收来自光接收装置的信息，由此识别由该区域中的阻碍物投射在光接收装置上的所述照亮区域的垂直和水平范围内的一个或多个阴影区域的存在；

其中，该区域的照亮使得该处理控制装置具有足够的信息为了控制的目的来确定所述区域中受到阻挡的那些区域，并根据所述信息控制该部件的运动。

2.如权利要求1所述的安全***，其特征在于，处理控制装置根据所述照亮的区域中预定的区中检测到阻碍物的存在控制该部件的运动。

3.如权利要求1所述的安全***，其特征在于，该处理控制装置计算阻碍物相对于该部件或者相对于彼此的位置，并根据该相对位置减慢或者停止该部件的运动。

4.如权利要求1的安全***，其特征在于，该处理控制装置确定阻碍物的尺寸，如果确定阻碍物是指示危险状态的尺寸，则减慢或者停止该部件的运动。

5.如权利要求1的安全***，其特征在于，该区域相对地大于该部件的前边缘的尺寸，并整个由单一的平行光束照亮。

6.如权利要求1的安全***，其特征在于，该区域相对大于该部件的前边缘的尺寸，并由分立光束的阵列照亮。

7.如权利要求1所述的安全***，其特征在于，该光接收装置提供有从该区域通过的聚焦光的孔径。

8.如权利要求4的安全***，其特征在于，提供有输入装置，从而在处 理控制装置减慢或者停止该部件的运动时，操作者激励该输入装置，通知处理控制装置该部件的继续运动是安全的，然后该处理控制装置继续该部件的运动。

9.如权利要求8所述的安全***，其特征在于，在处理控制装置被通知继续运动是安全的时候，处理控制装置在存储装置中存储该部件经过运动路径时由光接收装置接收的阴影信息。

10.如权利要求9所述的安全***，其特征在于，处理控制装置将光接收装置接收的当前阴影信息与存储在该存储装置中的信息进行比较，并且在阻碍物是未知的情况下时停止或者减慢该部件的操作。

11.如权利要求9或10的任一个权利要求所述的安全***，其特征在于，处理控制装置在存储装置中存储多个已知的安全阴影图，并且将在该部件经过运动路径时产生的当前阴影图与存储在该存储装置中的阴影图进行比较，并且在不同时停止或者减慢该部件的操作。

12.如权利要求1至10的任一个权利要求所述的安全***，其特征在于，部件位置探测器提供来探测该部件的位置，该部件位置探测器用于将关于该部件位置的信息提供给处理控制装置。

13.如权利要求1至10的任一个权利要求所述的安全***，其特征在于，该处理控制装置用于确定该部件的前边缘和投射阴影到光接收装置上的阻碍物之间的垂直距离，在所确定的距离大于使该部件安全地停止所需要预定距离时，允许该部件的继续运动。

14.如权利要求1所述的安全***，其特征在于，该处理控制装置用于确定投射阴影到光接收装置上的阻碍物的厚度，在该厚度小于一预定值时，允许该部件的继续运动，该预定值是足够小的确定值，从而该阻碍物不能是操作者身体的一部分。

15.如权利要求1所述的安全***，其特征在于，该光接收装置提供图像信息给处理控制装置，并且利用一相对高的快门速度来给出闪光效果。

16.如权利要求1所述的安全***，其特征在于，该光接收装置提供图像信息给处理控制装置，该发光装置闪烁来产生该阻碍物的闪光图像。

17.如权利要求15或16所述的安全***，其特征在于，该处理控制装 置使用取样的图像来给出阻碍物的频闪图像。

18.如权利要求15、16或17的任一个权利要求所述的安全***，其特征在于，该处理控制装置使用插值法以及区域内阻碍物的频闪图像来确定所述阻碍物的位置。

19.如权利要求15或16所述的安全***，其特征在于，该发出的光的强度在开启状态和发光装置发出的光线强度相对于开启状态减小的昏暗状态之间交替，这用于确保外界光不会错误地照亮光接收装置。

20.如权利要求1至10、14、15或16的任一个权利要求所述的安全***，其特征在于，该光接收装置包括一电荷耦合设备。

21.如权利要求1至10、14、15或16的任一个权利要求所述的安全***，其特征在于，该光接收装置包括一投影屏，并且阴影信息由用于观察该投影屏上的图像的摄影机探测。

22.如权利要求1至10、14、15或16的任一个权利要求所述的安全***，其特征在于，该光接收装置和该发光装置相对于该部件而固定的安装。

23.如权利要求1至10、14、15或16的任一个权利要求所述的安全***，其特征在于，该光接收装置和该发光装置相对于具有该移动部件的机床而固定的安装。

24.如权利要求1所述的安全***，其特征在于，该处理控制装置用于识别遮光板，并使用这个信息来确定该光接收装置接收正确。

25.如权利要求24所述的安全***，其特征在于，该处理控制装置用于识别由该遮光板在发送和接收装置上产生的阴影，并使用这个信息来确定该安全***是否处于正确的对准。

26.如权利要求24或25所述的安全***，其特征在于，该处理控制装置用于对未对准进行补偿。

27.如权利要求1至10、14、15、16、24或25的任一个权利要求所述的安全***，其特征在于，提供输出设备来显示投射在该光接收装置上的阴影图像。

28.如权利要求1所述的安全***，其特征在于，该发光装置包括一个或者更多的激光器作为光源。 

29.如权利要求1所述的安全***，其特征在于，该发光装置包括一个或者更多的激光二极管作为光源。

30.如权利要求1所述的安全***，其特征在于，该发光装置包括一发送端透镜排列，该发送端透镜排列包括一个或者更多的发送端透镜，从而引导光线从该发送端透镜排列通过该区域。

31.如权利要求30所述的安全***，其特征在于，该发送端透镜排列包括凹透镜和凸透镜来产生和校正扩大的光束。

32.如权利要求30或31所述的安全***，其特征在于，该发送端透镜排列包括一发送端调心球来会聚该光线。

33.如权利要求30或31所述的安全***，其特征在于，该光线通过一针孔来会聚。

34.如权利要求30所述的安全***，其特征在于，该发送端透镜排列包括一用于校准该光线的非球面透镜。

35.如权利要求30所述的安全***，其特征在于，该发送端透镜排列包括一装置来校正光束，从而引导适合于***的平行光通过该区域。

36.如权利要求1所述的安全***，其特征在于，该发光装置包括发送端反射镜和光源，该反射镜用于接收该光源的光并且反射通过该区域的光。

37.如权利要求36所述的安全***，其特征在于，该反射镜为离轴抛物面反射镜。

38.如权利要求1所述的安全***，其特征在于，该光接收装置包括一接收端透镜排列，从而由该接收端透镜排列对通过该区域的光线进行聚焦。

39.如权利要求38所述的安全***，其特征在于，该接收端透镜排列包括一校正光束的装置。

40.如权利要求38所述的安全***，其特征在于，该接收端透镜排列包括校正该光束的非球面透镜。

41.如权利要求38所述的安全***，其特征在于，来自接收端透镜排列的聚焦的光线通过一个孔径。

42.如权利要求1所述的安全***，其特征在于，该处理控制装置确定阻碍物的边界，因此控制该部件。 

43.如权利要求1所述的安全***，其特征在于，该光接收装置包括一接收端反射镜和探测装置，该接收端反射镜用于接收来自该区域的光线并且反射给该探测装置。

44.如权利要求43所述的安全***，其特征在于，该反射镜是离轴抛物面反射镜。

45.如权利要求1至10、14、15、16、24、25、29至31、34至44的任一个权利要求所述的安全***，其特征在于，该机床为一压弯机，并且该运动部件是压弯机的刀具。

46.如权利要求45所述的安全***，其特征在于，该机床具有铁砧和该发光装置，而光接收装置相对于该铁砧固定地安装。

47.如权利要求45所述的安全***，其特征在于，该部件为刀具，该刀具用于弯曲材料，并且该处理控制装置在弯曲过程中分析工件的弯曲并使用所述分析控制刀具的运动。

48.如权利要求47所述的安全***，其特征在于，如果光接收装置接收的阴影的移动与弯曲的材料不一致，确定不安全状态并且在弯曲期间，减慢或者停止刀具的运动。

49.如权利要求1至10、14、15、16、24、25、29至31、34至44的任一个权利要求所述的安全***，其特征在于，根据一个或多个阴影区域在照亮的区域中的位置分析所述一个或多个阴影区域，所述分析用于确定阻碍物的类型，并根据所述分析控制该部件。

50.如权利要求1至10、14、15、16、24、25、29至31、34至44的任一个权利要求所述的安全***，其特征在于，根据一个或多个阴影区域的形状分析所述一个或多个阴影区域，所述分析确定阻碍物的类型，并根据所述分析控制该部件。

51.如权利要求1至10、14、15、16、24、25、29至31、34至44的任一个权利要求所述的安全***，其特征在于，该处理控制装置使用有关阻碍物的边缘的信息以防止该机床的使用者的不安全动作的方式控制该部件的移动。

52.如权利要求51所述的安全***，其特征在于，该处理控制装置使用 有关阻碍物的边缘的信息减少该部件的不必要的停止，并且控制该部件使得该机床能安全而有效地操作。 

Images