DE29716359U1 - Circuit arrangement for the automatic setting of a safe operating state - Google Patents

Circuit arrangement for the automatic setting of a safe operating state

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Description

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 11.09.97DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 11.09.97

Schaltungsanordnung zur automatischen Einstellung eines sicheren Betriebszustands Circuit arrangement for automatically setting a safe operating state

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur automatischen Einstellung eines sicheren Betriebszustands nach Anspruch 1.The invention relates to a circuit arrangement for automatically setting a safe operating state according to claim 1.

Es ist bekannt, daß insbesondere Werkzeugmaschinen sicherheitsgerichtete Funktionen aufweisen. Dabei wird überwacht, ob durch einen Benutzer derart auf die Werkzeugmaschine eingewirkt wird, daß ein bezüglich der Betriebssicherheit problematischer Betriebszustand der Werkzeugmaschine entstehen kann. Eine derartige Benutzereinwirkung kann beispielsweise daraus bestehen, daß der Benutzer die Schutztür zum Arbeitsraum öffnet, während die Werkzeugmaschine ein NC-Programm mit hoher Geschwindigkeit abarbeitet. Dies wird von Detektoren an der Schutztür detektiert und die Steuerung der Werkzeugmaschine stellt einen sicheren Betriebszustand her, indem beispielsweise die Bearbeitungsgeschwindigkeit auf eine sicher begrenzte Geschwindigkeit verringert oder ein sicheren Halt durchgeführt wird.It is known that machine tools in particular have safety-related functions. This involves monitoring whether a user is influencing the machine tool in such a way that an operating state of the machine tool that is problematic in terms of operational safety could arise. Such user influence can, for example, consist of the user opening the protective door to the work area while the machine tool is executing an NC program at high speed. This is detected by detectors on the protective door and the machine tool control system establishes a safe operating state, for example by reducing the processing speed to a safely limited speed or by carrying out a safe stop.

Dadurch wird sichergestellt, daß sich der Benutzer auch beim Eindringen in den Arbeitsraum keine schweren Verletzungen zuziehen kann.This ensures that the user cannot sustain serious injuries even if they enter the work area.

Dabei kann jedoch das Problem auftreten, daß die Leitungen, die die Detektoren, z.B. der Schutztür, mit der Steuereinheit verbinden aufgrund von Alterung, mechanischer Beschädigung oder versehentliches Ausstecken keine fehlerfreie Verbindung mehr zwischen Detektor und Steuereinheit herstellen und daher ein problematischer Betriebszustand nicht erkannt werden kann.However, the problem can arise that the cables that connect the detectors, e.g. the protective door, to the control unit no longer establish a fault-free connection between the detector and the control unit due to aging, mechanical damage or accidental unplugging, and therefore a problematic operating state cannot be detected.

Es stellt sich somit die Aufgabe, eine Anordnung anzugeben, bei dem die Betriebssicherheit einer Werkzeugmaschine auch dann schnellstmöglich gewährleistet werden kann, wenn die Leitungen zwischen der Steuereinheit und den zur Detektion eines sicheren Betriebszustands benutzten Detektoren schadhaft werden.The task is therefore to specify an arrangement in which the operational safety of a machine tool can be ensured as quickly as possible even if the lines between the control unit and the detectors used to detect a safe operating state become damaged.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is solved by the features specified in claim 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, daß die Signalpegel auf den Statusleitungen zu und von den entsprechenden Detektoren zur Signalisierung eines sicheren Betriebszustandes immer aktiv durch Anlegen eines bestimmten Signaipegeis am Eingang des jeweiligen Detektors gehaiten werden müssen. Ist dies aufgrund einer Unterbrechung nicht mehr der Fall, wechselt der Signalpegel auf der Statusleitung ohne Benutzereinwirkung, wodurch automatisch ein unsicherer Betriebszustand signalisiert wird. Das bedeutet, daß der Eingang der Steuereinheit im sicheren Betriebszustand über den Detektor mit einer Spannungsquelle verbunden ist. Dann wird aufgrund der Unterbrechung der Eingang der Steuereinheit von der Spannungsquelle getrennt und der Signalpegel am Eingang der Steuereinheit nimmt automatisch aufgrund des am Eingang der Steuereinheit vorgesehenen Widerstands einen anderen Signalpegel an.The method according to the invention has the advantage that the signal levels on the status lines to and from the corresponding detectors must always be kept active to signal a safe operating state by applying a certain signal level to the input of the respective detector. If this is no longer the case due to an interruption, the signal level on the status line changes without user intervention, which automatically signals an unsafe operating state. This means that the input of the control unit is connected to a voltage source via the detector in the safe operating state. Then, due to the interruption, the input of the control unit is disconnected from the voltage source and the signal level at the input of the control unit automatically assumes a different signal level due to the resistor provided at the input of the control unit.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below using the embodiments shown in the drawing. They show:

Fig. 1: eine mögliche schaltungstechnische Realisierung der erfindungsgemäßen Anordnung undFig. 1: a possible circuit implementation of the arrangement according to the invention and

Fig. 2: eine alternative schaltungstechnische Realisierung der erfindungsgemäßen Anordnung.Fig. 2: an alternative circuit implementation of the arrangement according to the invention.

Fig. 1 zeigt eine einfache schaltungstechnische Realisierung zur Durchführung des Verfahrens. Dabei wird davon ausgegangen, daß der als Detektor D verwendete Taster automatisch durch eine geschlossene Schutztür, die den Arbeitsraum einer Werkzeugmaschine begrenzt, geschlossen wird. Bei geöffneter Schutztür unterbricht der Detektor D die Statusleitung zwischen Versorgungsspannung einer ersten Spannungsquelle Uv1 und dem Eingang der Steuereinheit ST. Weiterhin ist ein Widerstand R vorgesehen, der den Eingang der Steuereinheit ST mit Masse, dies entspricht einer zweiten Spannungsquelle Uv2 mit Versorgungsspannung OV, verbändet und daher als Pull-Down Widerstand wirkt, so daß bei geöffneter Schutztür am Eingang der Steuereinheit ST ein niedriger Signalpegel (logisch „0") eingestellt wird. Der Widerstand R wird so hochohmig gewählt, daß bei geschlossenem Taster ein hoher Signalpegel (logisch „1") am Eingang der Steuereinheit ST anliegt.Fig. 1 shows a simple circuit implementation for carrying out the method. It is assumed that the button used as detector D is automatically closed by a closed protective door that limits the working area of a machine tool. When the protective door is open, detector D interrupts the status line between the supply voltage of a first voltage source Uv1 and the input of the control unit ST. A resistor R is also provided which connects the input of the control unit ST to ground, which corresponds to a second voltage source Uv2 with supply voltage OV, and therefore acts as a pull-down resistor, so that when the protective door is open, a low signal level (logical "0") is set at the input of the control unit ST. The resistor R is selected to be so high that when the button is closed, a high signal level (logical "1") is present at the input of the control unit ST.

Solange der Taster eine geschlossene Schutztür und damit einen sicheren Betriebszustand der Werkzeugmaschine durch einen hohen Signalpegel am Eingang der Steuereinheit ST signalisiert, können alle Funktionen der Werkzeugmaschine durchgeführt werden. Sobald die Schutztür geöffnet wird, öffnet sich auch der Taster und die Statusleitung wird unterbrochen. Die zweite Spannungsquelle Uv2 wird dann über den Widerstand R am Eingang der Steuereinheit ST einen niedrigeren Signalpegel einstellen, da die erste Versorgungsspannung Uv1 nicht mehr mit dem Eingang der Steuereinheit ST verbunden ist. Dadurch wird der Steuereinheit ST signalisiert, daß kein si-As long as the button signals a closed safety door and thus a safe operating state of the machine tool through a high signal level at the input of the control unit ST, all functions of the machine tool can be carried out. As soon as the safety door is opened, the button also opens and the status line is interrupted. The second voltage source Uv2 will then set a lower signal level via the resistor R at the input of the control unit ST, since the first supply voltage Uv1 is no longer connected to the input of the control unit ST. This signals to the control unit ST that there is no safe

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cherer Betriebszustand mehr vorliegt und die Steuereinheit ST begrenzt daraufhin die Funktionalität der Werkzeugmaschine derart, daß ein sicherer Betrieb dennoch möglich ist. Dies kann dadurch geschehen, daß die Bearbeitungsgeschwindigkeit der Werkzeugmaschine auf eine sicher reduzierte Geschwindigkeit begrenzt wird oder daß ein sicherer Halt der Werkzeugmaschine durchgeführt wird.safe operating state no longer exists and the control unit ST then limits the functionality of the machine tool in such a way that safe operation is still possible. This can be done by limiting the machining speed of the machine tool to a safely reduced speed or by carrying out a safe stop of the machine tool.

Sobald ein Kabelbruch vorliegt, so daß der Eingang der Steuereinheit ST nicht mehr mit der ersten Spannungsquelle Uv1 verbunden ist, kann auch durch den Detektor D kein sicherer oder unsicherer Betriebszustand mehr detektiert werden. Dann empfiehlt es sich, abhängig von dem mittels des jeweiligen Detektors D festgestellten Sicherheitskriterium (Schutztür, Achskonfiguration, Notausschalter, usw.) dieses automatisch als nicht erfüllt anzunehmen. As soon as there is a cable break so that the input of the control unit ST is no longer connected to the first voltage source Uv1, the detector D can no longer detect a safe or unsafe operating state. It is then recommended that, depending on the safety criterion determined by the respective detector D (protective door, axis configuration, emergency stop switch, etc.), this is automatically assumed to be not fulfilled.

Für die Schutztür zum Arbeitsraum bedeutet dies, daß diese automatisch als geöffnet angenommen wird. Bei einem Kabelbruch der Statusleitung beispielsweise eines Notausschalters würde dieser automatisch als betätigt angenommen werden. Bei einer Unterbrechung der Statusleitungen der Achskonfiguration wird automatisch der kleinste Arbeitsbereich eingestellt. Dadurch werden automatisch genau die für das aufgrund des Kabelbruchs nicht mehr detektierbare Sicherheitskriterium erforderlichen Schutzmaßnahmen ausgelöst, ohne den Betrieb der Werkzeugmaschine unnötig zu behindern. So kann bei einem Kabelbruch in der Leitung zum Detektor der Schutztür ein Weiterarbeiten der Werkzeugmaschine mit sicher reduzierter Geschwindigkeit noch möglich sein, wohingegen bei einem Kabelbruch in der Leitung zum Notausschalter ein sofortiger sicherer Halt zwingend erforderlich ist.For the safety door to the work area, this means that it is automatically assumed to be open. If the status line of an emergency stop switch breaks, for example, this would automatically be assumed to be activated. If the status lines of the axis configuration are interrupted, the smallest working range is automatically set. This automatically triggers the protective measures required for the safety criterion that can no longer be detected due to the cable break, without unnecessarily hindering the operation of the machine tool. If the cable to the safety door detector breaks, the machine tool can still continue to work at a safely reduced speed, whereas if the cable to the emergency stop switch breaks, an immediate, safe stop is absolutely necessary.

Bei einem Kabelbruch ist die Verbindung des Eingangs der Steuereinheit ST mit der ersten Versorgungsspannung Uv1 unterbrochen, der Signalpegel am Eingang der Steuereinheit ST wechselt und die Steuereinheit ST interpretiertIf the cable breaks, the connection between the input of the ST control unit and the first supply voltage Uv1 is interrupted, the signal level at the input of the ST control unit changes and the ST control unit interprets

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dies, aufgrund der speziellen Wahl der Signalpegel für sicheren bzw. unsicheren Betriebszustand, ebenfalls als unsicheren Betriebszustand und löst entsprechende Maßnahmen zur Wiederherstellung eines sicheren Betriebszustands aus. Somit entspricht die Reaktion der Steuereinheit ST auf einen Kabelbruch der Statusleitung eines Detektors D genau der Reaktion der Steuereinheit ST auf eine Detektion eines unsicheren Zustands durch den Detektor D, auf dessen Statusleitung eine Unterbrechung aufgetreten ist.Due to the special selection of the signal levels for safe or unsafe operating states, this is also considered an unsafe operating state and triggers corresponding measures to restore a safe operating state. Thus, the response of the control unit ST to a cable break in the status line of a detector D corresponds exactly to the response of the control unit ST to a detection of an unsafe state by the detector D on whose status line an interruption has occurred.

In Fig. 2 ist eine alternative Schaltungsanordnung zu Fig. 1 dargestellt, die aber prinzipiell analog zur oben beschriebenen arbeitet. Der Eingang des Detektors D wird mit Masse verbunden, was einer Verbindung mit einer ersten Spannungsquelle Uv1 für die Versorgungsspannung von Null Volt entspricht. Der Ausgang des Detektors D wird mit einem Eingang der Steuereinheit ST verbunden, in der das Detektorsignai ausgewertet wird. Dabei wird der Steuereinheit ST durch einen hohen Spannungspegel (logisch „1") ein unsicherer Betriebszustand und durch einen niedrigen Spannungspegel (logisch „0") ein sicherer Betriebszustand signalisiert. Weiterhin wird über einen Widerstand R, der als PuIl-Up Widerstand wirkt, die zweite Versorgungsspannung mit dem Eingang der Steuereinheit ST verbunden. 20Fig. 2 shows an alternative circuit arrangement to Fig. 1, which in principle works in a similar way to that described above. The input of the detector D is connected to ground, which corresponds to a connection to a first voltage source Uv1 for the supply voltage of zero volts. The output of the detector D is connected to an input of the control unit ST, in which the detector signal is evaluated. An unsafe operating state is signaled to the control unit ST by a high voltage level (logical "1") and a safe operating state by a low voltage level (logical "0"). Furthermore, the second supply voltage is connected to the input of the control unit ST via a resistor R, which acts as a pull-up resistor. 20

Im Vergleich zur ersten Realisierungsform werden hier lediglich die am Detektor D und Widerstand R anliegenden Versorgungsspannungen Uv vertauscht, wodurch auch die Signalpegel für sicheren und unsicheren Betriebszustand verglichen mit Fig. 1 vertauscht werden. 25In comparison to the first implementation, only the supply voltages Uv applied to the detector D and resistor R are swapped, whereby the signal levels for safe and unsafe operating states are also swapped compared to Fig. 1. 25

Daher ist auch die Wirkungsweise prinzipiell gleich der des ersten Ausführungsbeispiels. Sobald auf der Statusleitung eine Störung durch eine Unterbrechung auftritt, wird der Spannungspegel auf der Statusleitung unabhängig vom Detektorsignal über den PuII-Up Widerstand R mit der zweiten Spannungsquelle verbunden. Dadurch wechselt der Spannungspegel am Eingang der Steuereinheit ST von niedrig (logisch „0") auf hoch (logisch „1"), wodurch der Steuereinheit ST ein unsicherer Betriebszustand signalisiert wird. Ab-Therefore, the mode of operation is basically the same as that of the first embodiment. As soon as a fault occurs on the status line due to an interruption, the voltage level on the status line is connected to the second voltage source via the pull-up resistor R, independent of the detector signal. This causes the voltage level at the input of the control unit ST to change from low (logical "0") to high (logical "1"), which signals an unsafe operating state to the control unit ST.

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hängig von der überwachten Statusieitung wird die Steuereinheit ST unverzüglich Maßnahmen zur Wiederherstellung eines sicheren Betriebszustands auslösen.Depending on the monitored status line, the ST control unit will immediately initiate measures to restore a safe operating state.

Bei beiden Realisierungsformen ist dabei wichtig, daß der PuII-Up oder PuII-Down Widerstand R unmittelbar am Eingang der Steuereinheit ST vorgesehen ist, da eine Unterbrechung der Statusleitung zwischen Widerstand R und Steuereinheit ST nicht eindeutig festgestellt werden kann.In both implementation forms, it is important that the pull-up or pull-down resistor R is provided directly at the input of the control unit ST, since an interruption in the status line between resistor R and control unit ST cannot be clearly determined.

Um zusätzliche Redundanz in die Schaltung einzufügen und damit die Signalisierung eines unsicheren Betriebszustands oder eines Kabeibruchs noch zuverlässiger zu gestalten, kann der Widerstand R, der den Signalpegel auf der Statusieitung bei Kabeibruch oder im unsicheren Betriebszustand verändert, als Parallelschaltung aus mehreren Widerständen realisiert werden. Dadurch wird auch dann noch zuverlässig ein unsicherer Betriebszustand signalisiert, wenn ein Widerstand eine Unterbrechung und damit einen unendlich hohen Widerstandswert aufweist. Die parallel geschalteten Widerstände sollten dabei möglichst gleiche Widerstandswerte aufweisen.In order to add additional redundancy to the circuit and thus make the signaling of an unsafe operating state or a cable break even more reliable, the resistor R, which changes the signal level on the status line in the event of a cable break or an unsafe operating state, can be implemented as a parallel circuit of several resistors. This means that an unsafe operating state is reliably signaled even if a resistor has an interruption and therefore an infinitely high resistance value. The resistors connected in parallel should have as equal resistance values as possible.

Die Schaltungsanordnung kann selbstverständlich für alle Statusleitungen von Detektoren angewandt werden, deren Funktion und korrekte Auswertung aufgrund ihrer Bedeutung für die Betriebssicherheit von Bedeutung sind, beispielsweise Notausschalter, Schlüsselschalter für die Betriebsart, Schalter für die Achskonfiguration, Spannungsüberwachung, Temperaturüberwachung, Reset-Schalter und Drehzahlüberwachung. Für jeden Detektor bzw. jede Statusleitung ist in der Steuereinheit ST mindestens eine Maßnahme gespeichert, die bei einer Unterbrechung automatisch ausgelöst wird.The circuit arrangement can of course be used for all status lines of detectors whose function and correct evaluation are important due to their importance for operational safety, for example emergency stop switches, key switches for the operating mode, switches for the axis configuration, voltage monitoring, temperature monitoring, reset switches and speed monitoring. For each detector or status line, at least one measure is stored in the ST control unit, which is automatically triggered in the event of an interruption.

Claims (7)

-7 DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 11.09.97 Schutzansprüche-7 DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 11.09.97 Protection claims 1. Schaltungsanordnung zur automatischen Einstellung eines sicheren Betriebszustands bei einer Werkzeugmaschine, bei der Detektoren (D), welche sicherheitsrelevante Betriebszustände detektieren, über eine Statusleitung mit einer Steuereinheit (ST) zur Auswertung der Detektorsignale verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingang eines Detektors (D) mit Mitteln (Uv1) zum Einstellen eines Signalpegels verbunden ist und daß ein Eingang der Steuereinheit (ST) für eine Statusleitung mit Mitteln (R) zum Verändern eines Signalpegels verbunden ist, wodurch der Signalpege! der Statusleitung automatisch verändert wird, wenn der Eingang der Steuereinheit (ST) nicht mehr mit Mitteln (Uv1) zum Einstellen eines Signalpegels verbunden ist.1. Circuit arrangement for automatically setting a safe operating state in a machine tool, in which detectors (D) which detect safety-relevant operating states are connected via a status line to a control unit (ST) for evaluating the detector signals, characterized in that an input of a detector (D) is connected to means (Uv1) for setting a signal level and that an input of the control unit (ST) for a status line is connected to means (R) for changing a signal level, whereby the signal level! of the status line is automatically changed when the input of the control unit (ST) is no longer connected to means (Uv1) for setting a signal level. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (Uv1) zum Einstellen eines Signalpegels eine Spannungsquelle (Uv1) beinhalten.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the means (Uv1) for setting a signal level include a voltage source (Uv1). 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (R) zum Verändern eines Signalpegels eine Spannungsquelle (Uv2) und ein widerstandsbehaftetes Bauteil (R) beinhalten und daß der Eingang der Steuereinheit (ST) über das widerstandsbehaftete Bauteil (R) mit der Spannungsquelle (Uv2) verbunden ist.3. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the means (R) for changing a signal level include a voltage source (Uv2) and a resistive component (R) and that the input of the control unit (ST) is connected to the voltage source (Uv2) via the resistive component (R). J ··»· ·· 4* ItJ ··»· ·· 4* It -8--8th- 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das widerstandsbehaftete Bauteil (R) durch einen oder mehrere parallel geschaltete ohmsche Widerstände (R) realisiert wird.4. Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that the resistive component (R) is realized by one or more ohmic resistors (R) connected in parallel. 5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (R) zum Verändern eines Signalpegels in unmittelbarer Nähe des Eingangs der Steuereinheit (ST) angeordnet sind.5. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the means (R) for changing a signal level are arranged in the immediate vicinity of the input of the control unit (ST). 6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (R) zum Verändern eines Signalpegels in die Steuereinheit (ST) integriert sind.6. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the means (R) for changing a signal level are integrated in the control unit (ST). 7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spannungsquelle (Uv1) einen Signalpegel ausgibt, welcher der Steuereinheit einen ersten logischen Zustand signalisiert und der Eingang der Steuereinheit (ST) über den PuII-Up Widerstand (R) mit einer zweiten Spannungsquelle (Uv2) verbunden ist, die einen Signalpegel ausgibt, welcher der Steuereinheit (ST) einen zweiten logischen Zustand signalisiert oder daß die erste Spannungsquelle (Uv1) einen Signalpegel ausgibt, welcher der Steuereinheit einen zweiten logischen Zustand signalisiert und der Eingang der Steuereinheit (ST) über den Puli-Down Widerstand (R) mit einer zweiten Spannungsquelle (Uv2)verbunden ist, die einen Signalpegel ausgibt, welcher der Steuereinheit (ST) einen ersten logischen Zustand signalisiert.7. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that the first voltage source (Uv1) outputs a signal level which signals a first logical state to the control unit and the input of the control unit (ST) is connected via the pull-up resistor (R) to a second voltage source (Uv2) which outputs a signal level which signals a second logical state to the control unit (ST) or that the first voltage source (Uv1) outputs a signal level which signals a second logical state to the control unit and the input of the control unit (ST) is connected via the pull-down resistor (R) to a second voltage source (Uv2) which outputs a signal level which signals a first logical state to the control unit (ST).
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