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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Sicherheitsgerichtete
optoelektronische Sensoren unterliegen hohen Anforderungen bezüglich
einer geforderten Zuverlässigkeit gemäß verschiedener
Nomen, wie beispielsweise der Norm „Sicherheit von Maschinen – Berührungslose
Schutzeinrichtungen (BWS)”, EN/IEC 61496 oder
der europäischen Norm „Funktionale Sicherheit
sicherheitsbezogener elektrischer, elektronischer, programmierbarer
elektronischer Systeme”, EN 61508. Die
optoelektronischen Sensoren werden in Sicherheitslevel unterteilt,
die in der Norm „Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen” EN
954 oder deren Nachfolgenorm EN 13849 festgelegt
sind.
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Genormte
Sicherheitslevel sind notwendig, da derartige Sensoren als Schutzmaßnahmen
an Gefahr bringenden Maschinen wie Pressen, Stanzwerkzeugen, Robotern
u. Ä. eingesetzt werden und somit Leben und Gesundheit
von Bedienungspersonal von der Funktionstüchtigkeit der
Sensoren abhängt. Somit müssen die Sensoren im
Gefahrenfall ein sicherheitsgerichtetes Schaltsignal abgeben können.
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Derartige
optoelektronische Sensoren oder optoelektronische Zugangsabsicherungen
werden beispielsweise am Rand eines Gefahrenbereiches einer Werkzeugmaschine
eingesetzt, um gegebenenfalls das Betreten dieses Gefahrenbereiches
zu detektieren und ein optisches oder akustisches Warnsignal bzw.
ein Abschaltsignal für die Werkzeugmaschine auszulösen.
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Der
optoelektronische Sensor oder die optoelektronische Zugangsabsicherung
erzeugt somit einen Schutzbereich, dessen Funktion vergleichbar
mit einer Absperrleine ist. Im einfachsten Fall befinden sich dazu
am Anfang und am Ende des Schutzbereiches ein Lichtsender, der ein
Sendelichtbündel in den Schutzbereich aussendet, während
am Ende des Schutzbereiches ein Lichtempfänger das ankommende
Sendelichtbündel empfängt, in eine elektrische
Größe umwandelt und einer Auswerteschaltung zuführt.
Die Auswerteschaltung ist somit in der Lage zu erkennen, ob das
Sendelichtbündel innerhalb des Schutzbereiches unterbrochen
wurde oder nicht. Vergleichbar einer einzelnen Absperrleine kann
auch ein einzelnes Sendelichtbündel im Schutzbereich überschritten
werden. Um dies zu verhindern, werden deshalb meist zwei oder mehrere
Sendelichtbündel mit einem endlichen Strahlabstand zueinander durch
den Schutzbereich geführt. Bei diesen Lösungen,
wo sich der bzw. die Lichtsender am Anfang des Schutzbereiches und
der bzw. die Lichtempfänger am Ende des Schutzbereiches
befinden, sind auf beiden Seiten des Schutzbereiches elektrische
Installationen notwendig, die einen erhöhten Montageaufwand
und damit verbunden zusätzliche Kosten verursachen. Deshalb
gibt es Lösungen, bei denen sich der Lichtsender und der
Lichtempfänger in einem gemeinsamen Gehäuse an
einem Ende des Schutzbereiches befinden, während am anderen
Ende des Schutzbereiches ein Retroreflektor angeordnet ist. Es sind
ebenfalls Lösungen bekannt, bei denen statt eines Retroreflektors
eine spezielle Umlenkeinheit zum Einsatz kommt. Hierbei hat die
Umlenkeinheit die Aufgabe, ein vom Lichtsender kommendes Sendelichtbündel
zunächst um einen vorgegebenen Stahlabstand zu versetzen
und schließlich wieder entlang des Schutzbereiches zum
Lichtempfänger zu lenken. Auf diesem Wege ist es möglich,
den Schutzbereich mit einem Lichtsender und einem Lichtempfänger
mit zwei zueinander beabstandeten Sendelichtbündeln zu
durchstrahlen, so dass die gezielte oder unbewusste Gefahr der Überbrückung
einer einstrahligen optoelektronischen Zugangsabsicherung verhindert
oder zumindest deutlich reduziert wird.
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Ein
Nachteil dieser bekannten optoelektronischen Zugangsabsicherung
der beschriebenen Art besteht insbesondere bei großer Längsausdehnung des
Schutzbereiches und geringem Strahlabstand, weil die Lichtsender
bzw. Lichtempfänger und gegebenenfalls der Reflektor bzw.
die Umlenkeinheit an den Enden des Schutzbereiches optisch aufeinander ausgerichtet,
d. h. justiert sein müssen. Um die Justage zu erleichtern,
hat das Sendelichtbündel eine kegelförmige Sendelichtkeule
und der Lichtempfänger eine kegelförmige Empfangslichtkeule.
Die Sendelichtkeule und Empfangslichtkeule sind so dimensioniert,
dass das Sendelichtbündel die Eintrittsfläche
der Umlenkeinheit überstrahlt. Ebenso ist die Empfangslichtkeule
so dimensioniert, dass die Austrittsfläche der Umlenkeinheit
auch dann vom Lichtempfänger gesehen wird, wenn diese nicht
exakt auf die optische Achse des Lichtempfängers ausgerichtet
ist. Die Sendelichtkeule und die Empfangslichtkeule müssen
jedoch bei der Variante mit Umlenkeinheit so klein sein, dass sich
diese innerhalb des Schutzbereiches nicht überlappen, weil
sonst die sichere Funktion der Zugangsabsicherung beeinträchtigt
werden kann.
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Die
Beeinträchtigung der Funktion kann bei einer Überlappung
der Sendelichtkeule und der Empfangslichtkeule dann zustande kommen,
wenn sich innerhalb eines Überlappungsbereiches zum Beispiel
ein Spiegel befindet, der das einfallende Sendelichtbündel
zurückwirft und dieses, weil der Spiegel dann auch innerhalb
der Empfangslichtkeule ist, auf den Lichtempfänger gelangt.
Die wirksame Länge des Schutzbereiches ist dadurch verkürzt,
d. h. die Zone zwischen dem Spiegel und der Umlenkeinheit ist ungesichert.
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Die
deshalb notwendige Einschränkung der Sendelicht- und Empfangslichtkeule
wiederum verursacht beim Einsatz der Zugangsabsicherung eine hohe
Anforderung an die Justage der Lichtsender, weil diese exakt auf
die Umlenkeinheit ausgerichtet sein müssen.
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Aus
der
DE 103 14 852
A1 ist eine optoelektronische Zugangsabsicherung zur Überwachung
eines Schutzbereiches mit einem Lichtsender, einem Lichtempfänger
und einer Umlenkeinheit mit wenigstens einem ersten und zweiten
Reflexionselement bekannt. Ein von dem Lichtsender entlang des Schutzbereiches
ausgesandtes Lichtbündel trifft dabei auf das erste Reflexionselement,
dann auf das zweite Reflexionselement, um dann entlang des Schutzbereiches
zu dem Lichtempfänger umgelenkt zu werden. Dabei besitzt
das Sendelichtbündel eine Sendelichtkeule und die vom Lichtempfänger
aufgenommene Empfangslichtkeule ein Strahlungsprofil, dessen Ausdehnung
in Richtung des Lichtbündelabstandes zwischen Lichtsender
und Lichtempfänger eine geringere Abmessung aufweist als
in der dazu rechtwinkligen Ausdehnung.
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Nachteilig
hierbei ist, dass das Strahlungsprofil der Lichtbündel
genau und aufwändig angepasst werden muss, um eine direkte
unzulässige Umlenkung von Lichtstrahlen vom Lichtsender
direkt in den Lichtempfänger zu vermeiden.
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Aus
der
DE 203 17 617
U1 ist auch eine optoelektronische Sensoreinrichtung zur Überwachung eines
Schutzbereiches bekannt. Auf einer ersten Seite einer optischen Überwachungsstrecke
ist eine Sender-/Empfängereinheit angeordnet, wobei der Sender
Licht in einer Abstrahlkeule aussendet und der Empfänger
das Licht innerhalb einer Detektionskeule aufnimmt. Auf einer zweiten
Seite der Überwachungsstrecke ist eine passive Lichtumkehreinheit angeordnet,
wobei mittels eines zusätzlichen Umlenkspiegels zwischen
der aktiven Sender/Empfängereinheit und der Lichtumkehreinheit
neben der Veränderung der Ausbreitungsrichtung der Überwachungsstrecke
auch die Abstrahlkeule des Senders bzw. die Detektionskeule des
Empfängers einschränkbar ist.
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Bei
dem genannten Stand der Technik ist es notwendig, dass sich eine
Sendelichtkeule bzw. eine Empfangslichtkeule nicht innerhalb eines
Schutzbereiches überlappen, weil sonst eine sichere Funktion der
Zugangsabsicherung beeinträchtigt werden kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten optoelektronischen
Sensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der sowohl den sicheren
Betrieb bei großen Abständen zwischen Lichtsender
und Lichtempfänger und/oder bei geringem Strahlabstand
gewährleistet, gleichzeitig aber einen größtmöglichen
Freiheitsgrad bei der Justage bzw. Montage zulässt.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch einen optoelektronischer Sensor
zur Überwachung eines Schutzbereiches mittels von zumindest
einem Lichtsender ausgesandten Lichtstrahlen, mit zumindest einem Lichtempfänger
zum Empfangen der Lichtstrahlen und wenigstens einer Umlenkeinheit
zur Umlenkung der Lichtstrahlen zwischen Lichtsender und Lichtempfänger.
Weiter ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, die bei Unterbrechung
des Lichtstrahls ein Sicherheitsschaltsignal ausgibt, wobei die
Auswerteeinheit Mittel aufweist, um eine Lichtweglänge
und eine Lichtwegrichtung der auf dem Lichtempfänger auftreffenden
Lichtstrahlen zu bestimmen, sowie Vergleichsmittel aufweist, um
die gemessene Lichtweglänge mit einer Referenzlichtweglänge
und die gemessene Lichtwegrichtung mit einer Referenzlichtwegrichtung
zu vergleichen und abhängig von dem Vergleich das Sicherheitsschaltsignal
ausgebbar ist.
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Erfindungsgemäß ist
es dadurch möglich, dass sich eine Sendelichtkeule und
eine Empfangslichtkeule überlappen können, ohne
dass die Gefahr besteht, dass eine unzulässige Lichtumlenkung
zu einem gültig erkannten Lichtsignal im Lichtempfänger
führt. Durch die Mittel zur Messung der Lichtweglänge
in der Auswerteeinheit ist gewährleistet, dass das Licht
immer über den vorgesehenen Lichtweg geführt ist
und die vorgesehene Lichtweglänge der vorgesehenen Referenzlichtweglänge
entspricht. Wird das Licht dennoch in dem Überlappungsbereich unzulässig
durch eine spiegelnde Fläche in den Lichtempfänger
gelenkt, so wird durch die Vergleichsmittel eine andere Lichtweglänge
detektiert als die Referenzlichtweglänge. Dadurch ist von
einer Fehlfunktion auszugehen, wodurch ein Sicherheitsschaltsignal
ausgegeben wird.
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Durch
den zusätzlichen Vergleich der Lichtwegrichtung mit der
Referenzlichtwegrichtung ist gewährleistet, dass die Lichtstrahlen
genau aus der Richtung kommen aus der die Lichtstrahlen erwartet werden.
Treffen die Lichtstrahlen jedoch aufgrund einer unzulässigen
Umspiegelung aus einer anderen Richtung auf den Lichtempfänger,
selbst wenn die erfasste Lichtweglänge übereinstimmen
sollte, ist auch von einer Fehlfunktion auszugehen, wodurch ein
Sicherheitsschaltsignal ausgegeben wird.
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Gemäß der
Erfindung können die Sendelichtkeule und Empfangslichtkeule
maximal aufgeweitet werden, wodurch die Winkelverfügbarkeit
des optoelektronischen Sensors wesentlich vergrößert wird,
so dass eine Winkelsausrichtung der Lichtsender, Lichtempfänger
und der Umlenkeinheit verbessert ist.
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Eine
Justierung des optoelektronischen Sensors kann dadurch sehr schnell
und einfach durchgeführt werden. Weiter ist der optoelektronische
Sensor flexibel in verschiedenartigen Umgebungsbedingungen einsetzbar.
Der optoelektronische Sensor ist weiter unempfindlicher bei Schock-,
Vibrations- und Temperaturbelastungen, so dass sich eine daraus
ergebende Änderung der optischen Eigenschaften nicht auf
die optische Funktionsweise des Sensors auswirkt.
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Bei
der Umlenkeinheit handelt es sich vorzugsweise um einen Umlenkspiegel.
Der Umlenkspiegel ist dabei vorzugsweise in einem Winkel von 45° zum
Lichtsender angeordnet, um einen Lichtstrahl um 90° abzulenken.
Der abgelenkte Lichtstrahl wird dabei entweder direkt auf den Empfänger
gerichtet oder auf weitere Umlenkspiegel. Bei einer Anordnung von
zwei Spiegeln, die jeweils in einem Winkel von 90° zueinander
versetzt sind, kann ein Lichtstrahl insgesamt um 180° gelenkt
werden, so dass ein Schutzbereich mit drei Seiten, die jeweils im
Winkel von 90° zueinander stehen, überwacht werden kann.
Wird eine weitere Umlenkeinheit im Winkel von 90° zu dem
vorhergehenden Spiegel angeordnet, können vier Seiten eines
Raumbereiches überwacht werden. Der Lichtsender und Lichtempfänger
ist dabei in einer Ecke des Raumbereiches im Winkel von 90° zueinander
angeordnet.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist das Mittel zum Messen der Lichtweglänge
durch einen Sensor nach dem Lichtlaufzeitverfahren gebildet. Durch
den Sensor nach dem Lichtlaufzeitverfahren kann die Lichtweglänge
besonders einfach ausgewertet werden. Hierzu wird ein kurzer Lichtimpuls
oder eine Folge von kurzen Lichtimpulsen ausgesendet. In dem Lichtempfänger
wird eine Verzögerung der Lichtimpulse gemessen, wodurch
die Lichtweglänge aufgrund der gemessenen Lichtgeschwindigkeit
bestimmt werden kann.
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In
einer besonderen Ausführungsform ist das Mittel zum Messen
der Lichtweglänge durch einen Sensor nach dem Triangulationsprinzip
gebildet. Dabei ist dem wenigstens einen Lichtsender jeweils ein Lichtempfänger
zugeordnet, wobei die Lichtempfänger jeweils als ortsauflösende
Lichtempfänger ausgebildet sind. Der Lichtsender und der
Lichtempfänger sind derart zueinander angeordnet, dass
ein von dem Lichtsender ausgehender Lichtstrahl nach der Umlenkeinheit
vom zugehörigen Lichtempfänger detektierbar ist.
Derartige optoelektronische Sensoranordnungen bilden ein tastendes
Lichtgitter, mit welchem der Schutzbereich überwacht wird.
In den Lichtempfängern werden positionsproportionale Empfangswerte
detektiert, was bedeutet, dass sich der Auftreffpunkt auf dem ortsauflösenden
Empfänger ändert, wenn die Entfernung zwischen
dem Sender, der Umlenkeinheit und dem Empfänger des optoelektronischen
Sensors ändert.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist das Mittel zum Messen
der Lichtweglänge durch einen Sensor nach dem Prinzip der
Phasenmessung gebildet. Bei diesem Verfahren wird eine Phasenverschiebung
zwischen dem ausgesandten und dem empfangenen Lichtsignal dazu benutzt,
den zu ermittelten Abstand zu berechnen. Zu diesem Zweck wird ein Absolutwert
einer aufgetretenen Phasenverschiebung bestimmt. Hierzu wird das
Licht mit einer Frequenz moduliert, so dass in einem Schwingkreis
eine Phasenverschiebung von mindestens einer Periodenlänge
auftritt. Der Schwingkreis enthält ein Bandpassfilter,
dessen Mittenfrequenz zwischen zwei Grenzwerten variiert wird. Durch
Beobachtung der dabei auftretenden Signalverstärkung wird
die Resonanzfrequenz des Schwingkreises und hieraus der Abstand
des reflektierenden Objekts ermittelt.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist das Mittel zum Messen
der Lichtweglänge durch einen Sensor nach dem Resonanzkreisverfahren
gebildet. Hierbei ist ein Schwingkreis vorgesehen, dessen Resonanzfrequenz
dem Lichtsender der Messeinrichtung aufgeprägt wird, wodurch
schließlich eine Aussendung eines modulierten Signals,
insbesondere eines modulierten Lichtsignals ausgelöst wird,
dessen Modulationsfrequenz identisch mit der Resonanzfrequenz des
Schwingkreises ist. Das empfangene Signal, das aufgrund der Signal-
bzw. Lichtlaufzeit über die Messstrecke gegenüber
dem ausgesandten Signal eine Phasenverschiebung aufweist, wird zur
Beaufschlagung eines Filterbausteins verwendet, wodurch erreicht
wird, dass sich die Resonanzfrequenz des Schwingkreises in Abhängigkeit
von der aufgetretenen Phasenverschiebung verändert. Insofern stellt
die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ein Maß für
den zu ermittelnden Abstand dar. Lichtsender, Messstrecke, Lichtempfänger
und Filterbaustein bilden hierbei ein geschlossenes rückgekoppeltes System,
dessen Schwingungsfrequenz sich in Abhängigkeit von der
Länge der Messstrecke bzw. vom zu ermittelnden Abstand ändert.
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Demzufolge
wird es möglich, den zu ermittelnden Abstand mit sehr geringem
Kostenaufwand durch eine einfache Frequenz- oder Periodendauermessung
zu bestimmen. Somit wird ein optoelektronischer Sensor bereitgestellt,
mit der sich Abstandsmessungen mit geringem Aufwand durchführen
lassen.
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In
einer weiteren Ausführung gemäß der Erfindung
sind Mittel zum Einlernen oder Eingeben der Referenzlichtweglänge
und/oder der Referenzlichtwegrichtung vorgesehen. Durch Mittel zum
Einlernen kann bei einem gegebenen Abstand diese Referenzlichtweglänge
und/oder Referenzlichtwegrichtung beispielsweise durch die Betätigung
eines Schlüsselschalters eingegeben werden. Durch den Schlüsselschalter
ist gewährleistet, dass nur befugtes Personal das Einlernen
einer Referenzlichtweglänge und/oder Referenzlichtwegrichtung
durchführen kann. Alternativ hierzu kann die Referenzlichtweglänge
und/oder Referenzlichtwegrichtung auch manuell eingeben werden.
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Beim
Einlernen oder Eingeben der Referenzlichtweglänge oder
der Referenzlichtwegrichtung wird diesen Werten ein Toleranzbereich
zugeordnet, damit es bei geringen Abweichungen von den Referenzwerten
nicht zu einer unnötigen Abschaltung kommen kann. Beim
Einlernen der Referenzwerte kann der Toleranzbereich auch abhängig
von der Qualität der empfangenen Signale abhängig
sein. Bei eindeutigen Signalen wird die Toleranz enger gewählt
als bei Signalen mit höheren Störanteilen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert.
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 bis 5;
eine schematische Darstellung eines optoelektronischen Sensors in
verschiedenen Ausführungsbeispielen.
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1 zeigt
das Prinzip eines optoelektronischen Sensors als zwei- oder mehrstrahliges
Lichtgitter 34 mit zwei Umlenkeinheiten 10 und 10' bestehend
aus jeweils zwei einzelnen Spiegeln, die jeweils eine Umlenkung
der Lichtstrahlen 26 von 90° bewirken zur Absicherung
einer Maschine 30. Personen 32 sind vor der gefahrbringenden
Bewegung der Maschine 30 zu schützen. Hierzu ist
das Lichtgitter 34 in der Lage die gefahrbringende Bewegung
zu stoppen, sobald ein Lichtstrahl 26, beispielsweise durch
eine Person 32, unterbrochen wird.
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Lichtgitter 34 nach
diesem Anwendungsprinzip haben sowohl von der wirtschaftlichen Seite
als auch beim Montageaufwand wesentliche Vorteile. Da die Umlenkeinheiten 10 und 10' elektrisch
passive Komponenten sind, wird auf der Seite der Umlenkeinheiten 10, 10' auch
kein elektrischer Installationsaufwand notwendig, was den Montageaufwand
reduziert.
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1 zeigt
dabei eine Ansicht von oben auf einen Überwachungsbereich
mit dem Lichtgitter 34. Das Lichtgitter 34 besteht
aus einem Lichtsender 2 und einem Lichtempfänger 6.
Das Licht des Lichtsenders 2 wird von einer ersten Seite
in den Überwachungsbereich entlang einer Strecke eingestrahlt und
auf einer gegenüberliegenden Seite in den Umlenkeinheiten 10 und 10' um
eine definierte Strecke versetzt, wieder zur Ausgangsseite auf den
Lichtempfänger 6 zurückreflektiert. Die
erste Seite ist beispielsweise durch einen Zaun 36 begrenzt.
Auf dieser ersten Seite befindet sich neben dem Lichtsender 2 auch
der Lichtempfänger 6, welcher die auftreffenden
Lichtstrahlen 26 detektiert. Zusätzliche Lichtsender 2' und
Lichtempfänger 6' sind dabei in Blickrichtung
in dem Lichtgitter 34 in Abständen übereinander angeordnet.
Die Lichtstrahlen 26 der einzelnen Lichtsender 2 und 2' überdecken
sich dabei gemäß der Darstellung in 1.
Die Spiegel der Umlenkeinheiten 10 und 10' sind
in Blickrichtung länglich ausgebildet, um die beabstandeten
Lichtstrahlen 26 mit nur einer Spiegelfläche abzulenken.
Das Licht des Lichtsenders 2 wird dabei in einer weiten
Sendelichtkeule 4 ausgesendet. Der Lichtempfänger 6 empfängt
dabei die Lichtstrahlen 26 in einer Empfangslichtkeule 8.
Die Sendelicht keule 4 und die Empfangslichtkeule 8 können
einen Winkel zwischen nahezu 0° und maximal 180° aufweisen.
Die Sendelichtkeule 4 und die Empfangslichtkeule 8 können
dabei auch unterschiedliche Öffnungswinkel aufweisen. Gemäß 1 kann
die Sendelichtkeule 4 und die Empfangslichtkeule 6 beispielsweise
einen Winkel zwischen 30° und 90° aufweisen.
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Zusätzlich
zur Unterbrechung der Lichtstrahlen 26 wird gemäß vorliegender
Erfindung nun noch eine Lichtweglänge L und eine Lichtwegrichtung
W der auf dem Lichtempfänger 6 auftretenden Lichtstrahlen 26 durch
die Mittel 12 der Auswerteeinheit 40 gemessen.
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Eine
Person, die den Lichtstrahl 26 unterbricht, kann aufgrund
eines glänzenden Objekts 24, beispielsweise eines
Werkzeuges oder Materialstückes, welches die Person 32 bei
sich hat, den Lichtstrahl 28 beabsichtigt oder unbeabsichtigt
entlang eines unzulässigen Lichtweges ablenken, so dass
die Lichtempfänger 6 genügend Licht empfangen
würden, so dass es nicht zu einer Abschaltung der gefahrbringenden
Bewegung kommen würde.
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Da
jedoch im Lichtempfänger 6 die Auswerteeinheit 40 mit
den Mitteln 12 vorhanden ist, um die Lichtweglänge
L und Lichtwegrichtung W zusätzlich auszuwerten, ist gewährleistet,
dass die Lichtstrahlen 28 vom Lichtsender 2 zum
Lichtempfänger 6 über eine geringere
Entfernung entlang des unzulässigen Lichtweges zum Lichtempfänger 6 gelangen,
als die Lichtstrahlen 26 mit einer Referenzlichtweglänge
RL als unzulässig erkannt werden. Zusätzlich treffen
die unzulässigen Lichtstrahlen 28 in einem anderen
Winkel auf den Lichtempfänger 6 als eine Referenzlichtwegrichtung
RW gemäß den Lichtstrahlen 26.
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Abhängig
von dem Vergleich der Lichtweglänge L' der Lichtstrahlen 28 mit
der Referenzlichtweglänge RL der Lichtstrahlen 26 und
der Lichtwegrichtung W' der Lichtstrahlen 28 mit der Referenzlichtwegrichtung
RW der Lichtstrahlen 26 wird oder bleibt die gefahrbringende
Bewegung abgeschaltet.
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Gemäß der
Erfindung ist das Mittel 12 zum Messen der Lichtweglänge
L und L' durch einen Sensor nach dem Lichtlaufzeitverfahren gebildet.
Zur Messung wird ein kurzer Lichtimpuls oder eine Folge von kurzen
Lichtimpulsen ausgesendet. In dem Lichtempfänger 6 wird
eine Verzögerung der Lichtimpulse gemessen, wodurch die
Lichtweglänge L bzw. L' aufgrund der gemessenen Lichtgeschwindigkeit
bestimmt werden kann.
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Zur
Messung der Lichtwegrichtung W bzw. W' ist der Lichtempfänger 6 als
ortsauflösender Lichtempfänger 6 nach
dem Triangulationsprinzip ausgebildet. In dem Lichtempfänger 6 werden
positionsproportionale Empfangswerte detektiert, was bedeutet, dass
sich der Auftreffpunkt auf dem ortsauflösenden Lichtempfänger 6 ändert,
wenn die Lichtstrahlen 28 aus einer unzulässigen
Richtung mit einer geringeren, abweichenden Lichtweglänge
L' auf den ortsauflösenden Lichtempfänger 6 treffen.
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In
einer Alternative ist das Mittel 12 zum Messen der Lichtweglänge
L durch einen Sensor nach dem Prinzip der Phasenverschiebung gebildet. Bei
diesem Prinzip wird eine Phasenverschiebung von mindestens einer
Periodenlänge zwischen dem ausgesandten und dem empfangenen
Lichtsignal dazu benutzt, die Lichtweglänge L bzw. L' zu
berechnen.
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In
einer weiteren alternativen Ausführung ist das Mittel 12 zum
Messen der Lichtweglänge L bzw. L' durch einen Sensor nach
dem Resonanzkreisverfahren gebildet. Hierbei ist im Lichtempfänger 6 ein Schwingkreis
vorgesehen, dessen Resonanzfrequenz dem Lichtsender 2 aufgeprägt
wird, wodurch schließlich eine Aussendung eines modulierten
Signals, insbesondere eines modulierten Lichtsignals ausgelöst
wird, dessen Modulationsfrequenz identisch mit der Resonanzfrequenz
des Schwingkreises ist. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises
stellt ein Maß für die zu ermittelnde Lichtweglänge
L bzw. L' dar.
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Die
genannten Messprinzipien Lichtlaufzeitverfahren, Triangulationsverfahren
mit einem ortsauflösenden Empfänger, Messung der
Phasenverschiebung und Reso nanzkreisverfahren gelten auch für die
folgenden Ausführungsbeispiele gemäß 2 bis 5.
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2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel vergleichbar mit dem aus 1,
wobei das Licht nur einmal umgelenkt wird, bis es auf den Lichtempfänger
trifft. Das Wirkprinzip ist jedoch identisch mit dem zu 1 Ausgeführten.
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen hierbei gleiche Teile wie in 1.
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3 zeigt
eine Absicherung eines Gefahrenbereichs in einer Seitenansicht.
Gezeigt ist an einem Ende eines Schutzbereiches 1, in einem
gemeinsamen Gehäuse 3, einen Lichtsender 2 und
ein Lichtempfänger 6. Am gegenüberliegenden
Ende des Schutzbereiches 1 ist eine Umlenkeinheit 10 mit einem
ersten Spiegel 38 und einem zweiten Spiegel 38' dargestellt.
Der Lichtsender 2 strahlt Licht in einer Sendelichtkeule 40 aus.
Der Lichtstrahl 26 der Sendelichtkeule trifft auf dem ersten
Spiegel 38 auf. An diesem Spiegel 38 wird der
Lichtstrahl innerhalb der Umlenkeinheit 10 um ca. 90° umgelenkt
und trifft sodann auf den zweiten Spiegel 38', der die
Form eines Planspiegels hat. Nach erneuter Umlenkung um ca. 90° treten
die Lichtstrahlen 26 wieder in den Schutzbereich 1 ein
und treffen schließlich auf den Lichtempfänger 6.
Die beiden Spiegel 38 und 38' können durch
einen transparenten Kunststoff- oder Glaskörper realisiert
werden. Der Lichtempfänger 6 hat einen Empfangsbereich
in Form einer Empfangslichtkeule 8. Der Lichtempfänger 6 wandelt
die auftreffende optische Strahlung in eine elektrische Größe
um und führt dieses Signal einer nicht dargestellten Auswerteschaltung
zu. Die Auswerteschaltung ist in der Lage, aufgrund der am Lichtempfänger 6 auftreffenden Lichtstrahlen 26 festzustellen,
ob der Lichtweg vom Lichtsender 2 durch den Schutzbereich 1 über
die Umlenkeinheit 10 und erneut zurück durch den Schutzbereich 1 zum
Lichtempfänger 6 frei ist, oder von einem unzulässigen
Objekt 24 unterbrochen wird. Die Auswerteschaltung liefert
sodann ein Ausgangssignal oder Warnsignal in Abhängigkeit
vom Zustand des Lichtweges zur Ansteuerung eines Sicherheitsschaltsignals,
zur Abschaltung einer hinter dem Schutzbereich befindlichen Maschine
oder dergleichen.
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Wie
im ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 wird
auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 die
Lichtweglänge und die Lichtwegrichtung überprüft,
so dass bei einer unzulässigen Umlenkung der Lichtstrahlen 28 gegenüber
den Lichtstrahlen 26 durch ein unzulässiges Objekt 24 eine gefahrbringende
Bewegung verhindert wird.
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In
der perspektivischen Darstellung gemäß 4 sind
in einem gemeinsamen Gehäuse 3 sowohl der Lichtsender 2 als
auch der Lichtempfänger 6 dargestellt. Am gegenüberliegenden
Ende des Schutzbereiches 1 ist die Umlenkeinheit 10 mit
zwei Spiegeln zur Ablenkung der Lichtstrahlen, wie in 3 beschrieben,
angeordnet. Der Lichtsender 2 sendet Lichtstrahlen 26 in
Form einer Sendelichtkeule 4 aus. Die Sendelichtkeule 4 hat
in diesem Ausführungsbeispiel ein annähernd kegelförmiges,
sich mit zunehmendem Abstand vergrößerndes Strahlprofil. Am
Ende des Schutzbereiches 1 hat die Sendelichtkeule einen
Durchmesser D. Damit wird der Spiegel der Umlenkeinheit 10 deutlich überstrahlt.
Das Gehäuse 3 kann nun in einer Achse Y in positiver
bzw. negativer Richtung so weit gedreht werden, dass die Spiegel
der Umlenkeinheit 10 von der Sendelichtkeule 4 gerade
noch ausgeleuchtet werden. Diese geometrischen Zusammenhänge
sind auch auf eine Drehung des Gehäuses 3 um eine
Achse X übertragbar.
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Der
Anteil der Sendelichtkeule 4, der über den ersten
Spiegel in die Umlenkeinheit 10 gelangt, tritt, reduziert
um geringe Verluste an den Spiegeln, wieder aus der Umlenkeinheit 10 um
180° umgelenkt wieder aus. Der Lichtempfänger 4 kann
die Lichtstrahlen jedoch nur dann detektieren, wenn sich der Spiegel
der Umlenkeinheit 10 innerhalb der Empfangslichtkeule 8 befindet
und die Lichtstrahlen auf den Lichtempfänger 4 treffen.
Aus diesem Grunde ist ein Strahlprofil der Sendelichtkeule und der
Empfangslichtkeule annähernd gleich dimensioniert, d. h. auch
die Empfangslichtkeule 13 hat in diesem Ausführungsbeispiel
in einem Schnitt vor der Umlenkeinheit 10 einen annähernd
kreisförmigen Querschnitt mit dem Durchmesser D.
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Gemäß vorliegender
Erfindung dürfen sich die Sendelichtkeule 4 und
die Empfangslichtkeule 8 innerhalb des Schutzbereiches 1 überlappen
und eine bei einem spiegelnden Objekt 24 innerhalb des Überlappungsbereiches
auftretende unerlaubte Verkürzung, oder auch optischen
Kurzschlusses des Lichtweges der Lichtstrahlen 28, wird
aufgrund der geringeren Lichtweglänge und der geänderten
Lichtwegrichtung erkannt.
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Das Ausführungsbeispiel zeigt eine perspektivische Ansicht
einer Gefahrstellenabsicherung. Es sind dabei zwei Umlenkeinheiten 10 und 10' vorgesehen.
Der Lichtstrahl 26 wird von einem Lichtsender 2 ausgesendet
und von einem Planspiegel der Umlenkeinheit 10' um 90° auf
die Umlenkeinheit 10 mit zwei weiteren Spiegeln gelenkt, wo
der Lichtstrahl um 180° gedreht wird. Der zurückreflektierte
Lichtstrahl wird wiederum an dem Planspiegel der Umlenkeinheit 10' umgelenkt
und gelangt zu dem Lichtempfänger 6, der in dem
gleichen Gehäuse 3 wie der Lichtsender 2 untergebracht
ist.
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Lichtgitter 34 nach
diesem Anwendungsprinzip haben wie bereits erwähnt von
der wirtschaftlichen Seite als auch beim Montageaufwand wesentliche
Vorteile. Da die Umkehreinheiten 10 und 10' lediglich
optische Einheiten, beispielsweise einfache Spiegel beinhalten und
keine elektronischen Komponenten, wird für die Umkehreinheiten
auch kein elektrischer Installationsaufwand notwendig, was den Montageaufwand
reduziert.
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Ein
spiegelndes Objekt 24, das sich in dem Schutzbereich 1 befindet
und zwar die zulässigen Lichtstrahlen 26 unterbricht,
jedoch zu einer Umlenkung der unzulässigen Lichtstrahlen 28 führt,
wird von dem Lichtempfänger detektiert. Das Objekt 24 wird
als unzulässig eingestuft, da die unzulässigen Lichtstrahlen 28 wiederum
mit einer Abweichung von der Referenzlichtweglänge und
einer Abweichung von der Referenzlichtwegrichtung auf den Lichtempfänger
treffen.
-
- 1
- Schutzbereich
- 2,
2'
- Lichtsender
- 3
- Gehäuse
- 4,
4'
- Sendelichtkeule
- 6
- Lichtempfänger
- 8
- Empfangslichtkeule
- 10,
10'
- Umlenkeinheit
- 12
- Mittel
zur Messung der Lichtweglänge/Lichtwegrichtung
- 14
- Vergleichsmittel
- 24
- Objekt
- 26
- zulässige
Lichtstrahlen
- 28
- unzulässige
Lichtstrahlen
- 30
- Maschine
- 32
- Personen
- 34
- Lichtgitter
- 36
- Zaun
- 38,
38'
- Spiegel
- 40
- Auswerteeinheit
- L
- Lichtweglänge
- W
- Lichtwegrichtung
- RL
- Referenzlichtweglänge
- RW
- Referenzlichtwegrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10314852
A1 [0009]
- - DE 20317617 U1 [0011]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - EN/IEC 61496 [0002]
- - EN 61508 [0002]
- - EN 954 [0002]
- - EN 13849 [0002]