AT505040B1 - Sicherheitseinrichtung für manuelle laserbearbeitungsvorrichtungen - Google Patents

Description

2 AT 505 040 B1

Die Erfindung betrifft eine Sicherheitseinrichtung für manuelle Laserbearbeitungsvorrichtungen, mit einem optischen, einen Lichtsender aufweisenden Detektor zur Detektion der Anwesenheit eines Körperteils einer Bedienungsperson in einer vorgegebenen Überwachungszone und mit einer mit dem Detektor verbundenen Schalteinheit zum Detektorsignal-abhängigen Ein- bzw. Ausschalten wenigstens einer Komponente einer zugeordneten Bearbeitungsvorrichtung.

Im Besonderen befasst sich die Erfindung dabei mit der elektronischen Überwachung einer Blickschutz-Sicherheitszone im Nahfeld von zugänglicher gefährlicher Laserstrahlung; dabei wird insbesondere eine mobile Ausbildung der Sicherheitseinrichtung angestrebt.

Aus der DE 101 57 893 B ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer derartigen Sicherheitseinrichtung bekannt, die dazu vorgesehen ist, Gefährdungen von Bedienungspersonen, insbesondere hinsichtlich einer Augenverletzung, zu vermeiden. Der Detektor kann dabei in Form eines Reflektionslichttasters, eines Infrarotdetektors oder eines kapazitiven Näherungs-Schalters vorgesehen sein, und es wird damit die Anwesenheit eines Körperteils, nämlich insbesondere des Kopfes einer Bedienungsperson, in der Soll-Position, in der Überwachungszone, überwacht. Wenn der Kopf aus dieser Überwachungszone herausbewegt wird, wird automatisch der Laserlichtstrahl ausgeschaltet. Umgekehrt wird der Laserlichtstrahl dann, wenn sich der Kopf in der Soll-Position befindet, und wenn überdies ein Fußschalter betätigt wird, (wieder) eingeschaltet. Im Fall des bevorzugten Reflektionslichttasters ergibt sich die Größe der Überwachungszone aus der Empfindlichkeit des Lichtempfängers in Verbindung mit der Lichtstärke des vom Lichtsender abgegebenen Lichtstrahls. Diese Empfindlichkeit kann dabei auf die Reflexionseigenschaften des überwachten Kopfes abgestimmt werden. Ein ganz wesentliches Problem ist jedoch, dass sich Lichtverhältnisse im überwachten Bereich, nämlich insbesondere im Bereich zwischen dem Detektor und dem überwachten Körperteil (insbesondere Kopf), ändern können, etwa wenn zufolge von Laserschweißarbeiten Schweißrauch, Dämpfe oder dergl. vom Werkstück aufsteigen bzw. wenn diffuse Lichtverhältnisse herrschen; dadurch wird die Funktion des Detektors beeinträchtigt, was zu nicht definierbaren unregelmäßigen Unterbrechungen im Betrieb führt, wie dies Untersuchungen gezeigt haben, die zur vorliegenden Erfindung führten. Zu beachten ist dabei auch, dass derartige Laserbearbeitungsvorrichtungen regelmäßig in geschlossenen Räumen verwendet werden, wo sich überdies auch aufgrund anderer Einflüsse diffuse Lichtverhältnisse ergeben können, die die Funktion des optischen Sensors beeinträchtigen können. In diesem Zusammenhang ist auch die bei der bekannten Sicherheitseinrichtung zur Einstellung der Empfindlichkeit des Refelexionslichttasters gegebene Justierschraube keine Hilfe, da sich aufgrund der diffusen Lichtverhältnisse bzw. der damit gegebenen Streustrahlung die Lichtstärke des Lichtsignals zum Lichtempfänger vermindert, was bei der bekannten Sicherheitseinrichtung als ein Herausbewegen des überwachten Körperteils (Kopfes) aus der überwachten Zone gewertet wird, so dass eine - ungewollte - Sicherheits-Abschaltung erfolgt.

Aus der US 4 442 457 A ist eine vergleichbare Sicherheitseinrichtung, beispielsweise mit einem LED-Lichtsender und einer Fotodiode, geoffenbart, um die Anwesenheit einer Person benachbart einem Okular zu detektieren. Bei Annäherung der Person an das Okular wird eine Aktivierung vorgenommen, sodass mit der zugehörigen Laservorrichtung gearbeitet werden kann. Bei dieser Laservorrichtung handelt es sich jedoch um eine medizinische Laservorrichtung, die für medizinische Behandlungen von Körpergeweben vorgesehen ist, wobei hier im Vergleich zu Laserbearbeitungsvorrichtungen etwa zu Schneid- oder Schweißzwecken nicht nur eine geringere Laserleistung vorgesehen ist, sondern überdies auch eine Arbeitsumgebungen vorliegen, wo sich das vorstehend erwähnte Problem auf Grund von diffusem Licht und Störstrahlung nicht ergibt.

Ein etwas andersartiges Laser-Abschaltsystem ist weiters aus der US 4 884 275 A bekannt, wobei bei diesem System lichtempfindliche Schaltelemente um ein Laserstrahl-Austrittsfenster eines Lasergeräts angeordnet sind, um so bei Reflexion durch ein Objekt innerhalb einer Gefahrenzone diese Quelle abzuschalten. Eine derartige Ausbildung wäre im Fall von Laserbear- 3 AT 505 040 B1 beitungsvorrichtungen für Schweiß- oder Schneidarbeiten ersichtlich ungeeignet.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine Sicherheitseinrichtung der eingangs angeführten Art vorzuschlagen, die die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und eine verlässlichere Feststellung erlaubt, ob ein überwachter Körperteil in der überwachten Zone vorliegt oder nicht, und zwar insbesondere unter Ausschaltung von Streulicht-Störeinflüssen im Nahbereich von Laserstrahlen emittierenden Vorrichtungen.

Die erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung der eingangs angeführten Art ist zur Lösung dieser Aufgabe dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor ein zur Messung des Abstands des Körperteils vom Detektor auf der Basis von optischer Triangulation eingerichteter Reflexions-Detektor mit dem Lichtsender und einem im Abstand hiervon vorgesehenen Foto-Sensorfeld ist und an den Detektor eine Vergleichseinheit mit Speichermitteln zum Vorgeben eines minimalen und eines maximalen Abstandwerts angeschlossen ist, und dass im Bereich des optischen Detektors ein Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des Körperteils vorgesehen ist, wobei bei einer vorgegebenen Abweichung von einem vorgegebenen Körpertemperaturwert ein Steuersignal zum Ausschalten der Komponente abgegeben wird.

Bei der vorliegenden Sicherheitseinrichtung wird ein optischer Detektor eingesetzt, der nach dem Prinzip der optischen Triangulation arbeitet und somit aufgrund der geometrischen Verhältnisse feststellt, ob in der überwachten Zone oder Messzone, also im Detektionsbereich, ein Körperteil, wie insbesondere ein Kopf, einer Bedienungsperson vorhanden ist oder nicht. Der Lichtsender emittiert dabei einen gebündelten Lichtstrahl, der vom Messobjekt, also vom Kopf etc., zurückreflektiert wird und auf ein Foto-Sensorfeld auftrifft, wobei die Position, wo der reflektierte Lichtstrahl auftrifft, zur Winkelbestimmung und damit zur Abstandsmessung herangezogen wird. Vom Detektor wird dann insgesamt ein dem ermittelten Abstand entsprechendes Spannungssignal zur weiteren Auswertung abgegeben. Der jeweilige Detektions- oder Messbereich, also die Überwachungszone, wird mit Hilfe von vorgegebenen, den Detektionsbereich begrenzenden Abstandswerten festgelegt, wobei derartige Abstandswerte in der Vergleichseinheit zugeordneten Speichermitteln als Referenzwerte abgelegt werden. Eine solche Reflexionsmessung auf Basis von Triangulation ist vergleichsweise robust bezüglich Schwankungen der Intensität der reflektierten, auf dem Sensorfeld auftreffenden Strahlung. Dadurch ist die Detektion im Vergleich zu der bekannten Sicherheitseinrichtung weniger empfindlich bei Vorliegen von diffusem Licht, bei Auftreten von Rauchschwaden oder dergl. im Messbereich und ähnlichen Störeinflüssen.

Es sei hier erwähnt, dass in der DE 4 422 497 A1 bereits eine optoelektronische Vorrichtung zum Erfassen von Gegenständen in einem Überwachungsbereich beschrieben wurde, wobei als Messprinzip für die Distanzmessung zum Objekt bevorzugt das Phasenmessprinzip angewandt wird; als Alternativen werden hierfür auch noch ganz allgemein, ohne weitere Details, das Impuls-Laufzeitverfahren oder das Triangulationsverfahren genannt. Im Übrigen wird dort speziell auf eine Referenzmessung abgestellt, um Gegenstände, die beim Eindringen in den Überwachungsbereich keine Gefahr verursachen, von anderen Gegenständen oder aber Personen, wo sich ein Sicherheitsrisiko ergibt, unterscheiden zu können. Eine Temperaturmessung ist hier im Übrigen nicht angesprochen.

Was den erfindungsgemäß im Bereich des optischen Detektors vorgesehenen Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des Körperteils betrifft, so wie bei einer vorgegebenen Abweichung von einem vorgegebenen Körpertemperaturwert ein Steuersignal zum Ausschalten der Komponente erzeugt. Ein derartiger integrierter Temperatursensor misst beispielsweise die Temperatur des Kopfes einer die Laservorrichtung bedienenden Person, wobei diese Temperaturmessung auch abhängig von der Raumtemperatur erfolgen kann. Die gemessene Temperatur wird mit einer voreingestellten Temperatur, beispielsweise mit Hilfe einer eigenen Vergleichsschaltung, z. B. mit Hilfe eines Mikroprozessors, verglichen, und die Laservorrichtung wird dann freigeschaltet, wenn sowohl die Temperatur in einem vorgegebenen Temperaturbe- 4 AT 505 040 B1 reich liegt als auch der Abstand im vorgegebenen Distanzbereich gemessen wird, d.h. wenn die Sicherheitskreise beider Sensoren "geschlossen" sind. Für eine effiziente Abstands-Vorgabe und -Bestimmung wird zweckmäßig eine digitale Vergleichseinheit eingesetzt, der das Ausgangssignal des Detektors über einen Analog/Digital-Konverter zugeführt wird. Insbesondere ist hier von Vorteil, wenn als Vergleichseinheit ein programmierbarer Mikroprozessor vorgesehen ist. Ein derartiger Mikroprozessor, insbesondere ein RISC-Prozessor, kann ferner auch zur Steuerung des Detektors bei der Abstandsmessung herangezogen werden. Außerdem kann mit Hilfe dieses Mikroprozessors auch der Temperaturvergleich durchgeführt werden. Für die Abstandsmessung ist eine möglichst scharfe Abbildung des den Lichtstrahl reflektierenden Körperteils auf dem Sensorfeld zweckmäßig, und es kann zusätzlich zur Bündelung des ausgesendeten Lichtstrahls auch mit Vorteil vorgesehen werden, dem Sensorfeld eine Blende, insbesondere eine Schlitzblende mit vorgegebener Schlitzbreite, vorzuordnen. Eine derartige Blende erleichtert zusätzlich die Bestimmung des Einfallswinkels und damit die Triangulation bei der Abstandsbestimmung. Weiters besteht ein wesentlicher Vorteil der Blende darin, dass diese dem Detektor Vorgesetzte Blende weitestgehend Streulichteinflüsse im Bereich der Ansprechempfindlichkeit des Sensorfeldes sowie auch Störeinflüsse von Lichtquellen außerhalb des Detektionsbereichs unterbindet.

Untersuchungen haben ferner gezeigt, dass manchmal der Kopf kurzzeitig aus dem Detektionsbereich heraus und sofort wieder zurückbewegt wird, was bei Abstandsmessungen in einem engen Unschärfeberich zu unerwünschten Abschaltungen der Bearbeitungsvorrichtung, also z.B. des Laserstrahls im Fall einer Laserbearbeitungsvorrichtung, führen kann. Um hier Abhilfe zu schaffen, ist es von Vorteil, wenn die Vergleichseinheit zur Abgabe von Schaltsignalen für die Schalteinheit erst nach Ablauf von vorgebbaren Hysterese-Zeiten eingerichtet ist. Im Fall des Einsatzes eines Mikroprozessors sind dabei mit Vorteil die Hysterese-Zeiten durch Programmierung des Mikroprozessors vorgebbar. Untersuchungen haben weiters gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn die Hysterese-Zeiten im ms-Bereich, z.B. im Bereich von 100 ms bis 200 ms, insbesondere in der Größenordnung von 150 ms, vorgegeben werden.

Praktische Versuche haben weiters gezeigt, dass gute Detektionsergebnisse erzielt werden, wenn der Detektor ein mit Infrarotstrahlung, insbesondere bei einer Wellenlänge von zumindest im Wesentlichen 850 nm, arbeitender Detektor ist. An sich können aber selbstverständlich auch Lichtstrahlen in anderen Wellenbereichen zur Detektion verwendet werden.

Es ist ferner günstig, wenn die Schalteinheit zur galvanischen Trennung des Detektors mit einem Optokoppler ausgebildet ist, wobei es weiters vorteilhaft ist, wenn der Optokoppler mit einem Foto-MOS-Feldeffekttransistor ausgebildet ist. Abgesehen von der hier erzielten galvanischen Trennung ist auch von Vorteil, dass im Vergleich zu herkömmlichen Relais ein kontak-verschleißfreies Schalten über praktisch beliebig viele Zyklen erfolgen kann.

Vorzugsweise wird der Optokoppler mit der Vergleichseinheit über einen Verstärker verbunden, um ein entsprechendes Schaltsignal für den Optokoppler, zur Ansteuerung von dessen Licht-sender-(LED-)Teil, zu erzielen.

Um Manipulationen durch Bedienungspersonen zu verhindern, ist vorzugsweise die Schalteinheit zusammen mit einer Versorgungsspannungs-Stabilisierungeinheit in einer abgeschlossenen Baueinheit zusammengefasst. Diese Baueinheit kann aus einem Gehäuse mit Gehäusedeckel bestehen, wobei der Gehäusedeckel mit dem Gehäuse nicht nur verschraubt, sondern auch beispielsweise durch Verlöten versiegelt ist.

In ähnlicher Weise kann der Detektor zusammen mit der Vergleichseinheit, insbesondere dem Prozessor samt Speichermittel, sowie gegebenenfalls dem Temperatursensor in einer Sensor- 5 AT 505 040 B1

Baueinheit mit einem eigenen, ähnlich verschlossenen Gehäuse zusammengebaut sein. Diese Sensor-Baueinheit wird an der jeweiligen Laserbearbeitungsmaschine, beispielsweise an einem Okular einer Laserbearbeitungsmaschine, in der Nähe der zu überwachenden Zone angebracht, wobei das Gehäuse beispielsweise mit einem Montagering versehen sein kann, der eine Klemmschraube zum Festklemmen am Okular oder dergl. Bauteil aufweist. Auch hier kann sowohl das Gehäuse, nach Anschrauben eines Deckels, als auch die Klemmschraube nach Fixieren der Sensor-Baueinheit an der Bearbeitungsvorrichtung durch Verlöten oder dergl. versiegelt werden.

Im Fall der beiden Baueinheiten wird dann über eine Kabelverbindung die Schalt-Baueinheit mit der Sensor-Baueinheit verbunden, wobei zugleich die Versorgungsspannung für den Detektor und die Vergleichseinheit in der Sensor-Baueinheit von der Schalt-Baueinheit und der darin vorgesehenen Stabilisierungseinheit zur Verfügung gestellt wird.

Von Vorteil ist hier auch, dass die Detektoreinrichtung unabhängig von der Betriebsspannung der Laserbearbeitungsvorrichtung arbeiten kann, wobei sie durch ein gesondertes Netzteil oder aber durch Batterien gespeist werden kann.

Die Speisespannung kann beispielsweise 12 V oder 24 V Gleichspannung betragen.

Im Prinzip kann die Speisespannung aber selbstverständlich anstattdessen einfach von einer in der Laserbearbeitungsvorrichtung vorhandenen Betriebsspannung abgeleitet werden. Für eine komplexere Überwachung der Anwesenheit von Bedienungspersonen können auch mehrere Sicherheitseinrichtungen, wie vorstehend angeführt, an einer Laserbearbeitungsvorrichtung angebracht werden.

Es sei erwähnt, dass die meisten Hersteller von Laserbearbeitungsvorrichtungen eine Anschlussmöglichkeit (Buchse) für die Unterbrechung des Laserstrahls an der Vorrichtung vorsehen, so dass der Einbau der vorliegenden Sicherheitseinrichtung bei derartigen Laserbearbeitungsvorrichtungen ohne Eingriff in diese Vorrichtung erfolgen kann.

An die vorliegende Sicherheitseinrichtung bzw. deren Schalteinheit können auch mehrere „Verbraucher“ angeschaltet werden, z.B. im Fall einer Laserbearbeitungsvorrichtung nicht nur die Laserstrahlerzeugungseinheit, sondern auch Absauganlagen, Signalleuchten und andere Unterbrecherschaltkreise. Insbesondere kann mit Signalleuchten auch signalisiert werden, dass der Betrieb der Laserbearbeitungsvorrichtung durch die Sicherheitseinrichtung unterbrochen wurde.

Mit der vorliegenden Sicherheitseinrichtung wird ein hohes Maß an Sicherheit für Bedienungsperson beim Arbeiten mit Laserbearbeitungsvorrichtungen, insbesondere offenen Laserbearbeitungsvorrichtungen, erreicht, bei denen der Arbeitsbereich, z. B. im Schweißbereich oder Schneidbereich, offen liegt, wobei insbesondere auch für das Auge der Bedienungsperson gefährliche Laserstrahlung vorliegt. In der Regel wird sich die Bedienungsperson nach Aktivierung der Lasereinheit, wenn dann der Laserstrahl auf ein Werkstück auftrifft, bereits im Gefahrenbereich befinden, jedoch wird mit der Sicherheitseinrichtung sicher verhindert, dass sich die Bedienungsperson danach unabsichtlich in Bereiche von gefährlicher Laserstrahlung, insbesondere auch reflektierter Streustrahlung, bewegen kann. Die Erfassung der Anwesenheit der Bedienungsperson zur Freigabe der Lasereinheit erfolgt erst, wenn die Anwesenheit durch die beschriebene Abstandsmessung und weiters durch die zusätzliche Temperaturerfassung festgestellt wurde; erst dann wird die Freischaltung der Lasereinheit zugelassen. Dadurch wird ausgeschlossen, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung durch einen Gegenstand zufällig in Betrieb genommen werden kann. Was den digitalen Detektor zur Abstandserfassung betrifft, so ist nach einer einmal erfolgten Positionierung eine Nachjustierung nicht notwendig, und die Funktion kann auch nicht durch Verschleißerscheinungen beeinträchtigt werden. Demgegen- 6 AT 505 040 B1 über haben übliche Reflexlichtdetektoren den Nachteil, dass nach einer bestimmten Funktionsdauer eine Strahlabschwächung erfolgt, sodass diese Detektoren nachjustiert werden müssen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert. In der Zeichnung zeigen im Einzelnen:

Fig. 1 den Bereich einer optischen Beobachtungseinrichtung einer Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer Sensor-Baueinheit der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung in schaubildlicher Ansicht:

Fig. 2 eine Seitenansicht dieser optischen Beobachtungseinrichtung in Verbindung mit dem Kopf einer Bedienungsperson in korrekter Arbeitsposition:

Fig. 2A eine der Fig. 2 ähnliche Seitenansicht, wobei sich jedoch die Bedienungsperson mit dem Kopf von der Beobachtungseinrichtung entfernt hat;

Fig. 3 schematisch die Komponenten der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung in Verbindung mit einem Okular einer Beobachtungseinrichtung:

Fig. 4 in einer schaubildlichen Darstellung eine Sensor-Baueinheit der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung, der in einer Art Blockschaltbild eine davon getrennt ausgeführte Schalt-Baueinheit zugeordnet ist;

Fig. 5 eine vergleichbare schaubildliche Darstellung der Sensor-Baueinheit, wobei in Fig. 5 die elektrische Anschlussseite näher gezeigt ist;

Fig. 6 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung;

Fig. 7 in einem Schema die Arbeitsweise des bei der vorliegenden Sicherheitseinrichtung eingesetzten Triangulations-Reflexions-Detektors; und

Fig. 8 schematisch in Verbindung mit einer Sensor-Baueinheit der vorliegenden Sicherheitseinrichtung die vorgebbaren Abstandsverhältnisse.

In Fig. 1 ist schematisch eine optische Beobachtungseinrichtung 1 mit einem Okular 2 und mit einer nur teilweise angedeuteten, im Übrigen nicht näher veranschaulichten Laserbearbeitungsvorrichtung 3 (nachstehend kurz Laservorrichtung 3 genannt) gezeigt, die auf an sich übliche Weise ausgebildet sein kann, vgl. in diesem Zusammenhang auch die eingangs erwähnte DE 101 57 893 B. Mit der optischen Beobachtungseinrichtung 1 kann eine Bedienungsperson 4 (vgl. Fig. 2 und 2A) den - insbesondere offenen - Arbeitsbereich der Laservorrichtung 3, wo mit Laserstrahlen beispielsweise Schneid- oder Schweißarbeiten durchgeführt werden, visuell beobachten und den Arbeitsprozess entsprechend händisch steuern. Da die Laserstrahlung für Personen, insbesondere für deren Augen, gefährlich sein kann, ist es wichtig, dass sich die Bedienungsperson 4 in der in Fig. 2 gezeigten korrekten Arbeitsposition befindet; wenn sich die Bedienungsperson 4 jedoch aus dieser Arbeitsposition wegbewegt, siehe Fig. 2A, soll dieses Verlassen der Arbeitsposition automatisch zu einer Abschaltung der Laserstrahlung führen, um so eine Gefährdung der Person zu minimieren. Hierzu ist im Bereich der Beobachtungseinrichtung 1, konkret am Okular 2, eine Sensor-Baueinheit 5 mit einem eigenen verschlossenen bzw. gekapselten Gehäuse 6 angebracht; diese Sensor-Baueinheit 5 ist Teil einer Sicherheitseinrichtung 7, vgl. Fig. 3, die zusätzlich eine beispielsweise kastenförmige Schalt-Baueinheit 8 enthält, wie in Fig. 3 schematisch dargestellt ist. Aus dieser Fig. 3 ergibt sich auch, dass die Sensor-Baueinheit 5 an einem Rohrteil 9 des Okulars 2 der optischen Beobachtungseinrichtung 1 mit Hilfe einer Klemmschraube 10 festgeklemmt ist, wobei diese Klemmschraube 10 bevorzugt versenkt in einem Ringteil 11 der Sensor-Baueinheit 5 angeordnet ist, vgl. auch Fig. 5.

Aus Fig. 2 bzw. 2A ist weiters ein Anschluss 12, insbesondere ein mehrpoliger Anschluss 12, für ein Verbindungskabel 13 gezeigt, wobei dieses Verbindungskabel 13 als Verbindungsleitung schematisch auch in Fig. 3 und 4 veranschaulicht ist.

An der der Bedienungsperson 4 im Betrieb zugewandten Seite weist das Gehäuse 6 der Sensor-Baueinheit 5 eine Blendenplatte 14 auf, die dazu dient, Blendenöffnungen 15, 16 für einen austretenden Lichtstrahl bzw. für einen eintretenden Lichtstrahl sowie weiters eine Öffnung 17 7 AT 505 040 B1 für die Temperaturmessung durch einen Temperatursensor (36 in Fig. 6) zu definieren. Die Blendenöffnungen 15, 16 werden in Anpassung an das jeweilige Arbeitsumfeld ausgewählt, d.h. je nach Arbeitsumfeld wird eine geeignete Blendenplatte 14 am Gehäuse 6 der Sensor-Baueinheit 5 befestigt, um so die Blendenöffnungen 15, 16, und dabei insbesondere die Schlitzblende 16, optimal festzulegen. Hinter dieser Blendenplatte 14 befinden sich die Detektor- bzw. Sensorelemente, wie nachfolgend anhand der Fig. 6 noch näher erläutert werden wird.

In Fig. 2 ist weiters ein korrekter Abstand D zwischen dem Kopf der Bedienungsperson 4 und der Sensor-Baueinheit 5 dargestellt, wogegen in Fig. 2A (und auch Fig. 3) ein unzulässiger Abstand X veranschaulicht ist, wobei bei diesem Abstand X eine selbsttätige Abschaltung der Laservorrichtung 3 bzw. von deren Lasereinheit erfolgt. Zu diesem Zweck ist die Schalt-Baueinheit 8, in Form einer Sicherheits-Box (Safety-Box), vorgesehen, die in den Fig. 3 und 4 nicht näher ersichtliche Schaltmittel enthält, wie anhand der Fig. 6 noch näher erläutert werden wird. Die Schalt-Baueinheit 8 kann beispielsweise, gemäß Fig. 3, einen Versorgungsspan-nungs-Eingang 18 sowie einen Schaltausgang 19 und einen Warnlampen-Ausgang 20 aufweisen; weiters kann eine Funktionskontrolllampe 21 in diese Schalteinheit 8 eingebaut sein.

Gemäß Fig. 4 weist die Schalt-Baueinheit 8 den Schaltausgang 19 für die Abschaltung der Laservorrichtung 3, weiters einen Steuerausgang 22 für ein externes Gerät, einen Ausgang 23 für die Abgabe eines Steuer- oder Zählsignals an einen Betriebsstundenzähler und beispielhaft auch einen Schaltausgang 24 für einen Tür-Sicherheitskreis auf.

Gemäß Fig. 6 enthält die Sensor-Baueinheit 5 einen optischen Detektor 25, der als Reflexionsdetektor ausgeführt ist und dabei einen Lichtsender 26, beispielsweise in Form einer InfrarotLED, sowie ein Foto-Sensorfeld 27 mit einem Array von in Zeilen und Spalten angeordneten lichtempfindlichen Sensorelementen mit zugehöriger Elektronik aufweist. Der Lichtsender 26 richtet einen Lichtstrahl 28 durch die Blendenöffnung 15, und nach Reflexion am Messobjekt, z.B. am Kopf der Bedienungsperson 4, gelangt der reflektierte Lichtstrahl 29 durch die Blendenöffnung 16 zum Sensorfeld 27, wo je nach Auftreffstelle ein die Letztere angebendes Signal generiert wird, welches zur Abstandsmessung herangezogen wird.

Dieses Prinzip ist schematisch in Fig. 7 näher veranschaulicht. In Fig. 7 ist das Messobjekt 4A, z.B. der Kopf der Bedienungsperson 4, mit einer einfachen Linie angedeutet, und an diesem Messobjekt 4A wird der Strahl 28 in einem zurücklaufenden Strahl 29 reflektiert, wobei er beispielsweise an einer Stelle 30 des Sensorfeldes 27 auftrifft. Bewegt sich nun das Messobjekt 4A näher zum Detektor 25, wie durch die strichlierte Linie 4A' angedeutet ist, so ergibt sich ein reflektierter Strahl 29' mit einer Auftreffstelle 30' in einem Abstand von der vorherigen Auftreffstelle 30. Der Abstand zwischen diesen Auftreffstellen 30, 30' kann dann nach bekannten Regeln der Trigonometrie zur Bestimmung des Abstandes X bzw. X' - bei Bekanntsein des Abstandes zwischen dem Lichtsender 26 und dem Sensorfeld 27 - herangezogen werden.

Ersichtlich ist in Fig. 6 auch, dass ein unerwünschtes seitliches Streulicht S durch die Schlitzblende 14 davon abgehalten wird, auf das Sensorfeld 27 aufzutreffen.

Das Ausgangssignal des Foto-Sensorfelds 27 wird gemäß Fig. 6 einer Signalverarbeitungs- und -aufbereitungseinheit 31 zugeführt, um ein geeignetes digitales Signal einer digitalen Vergleichseinheit 32 zuzuführen. Bevorzugt ist die digitale Vergleichseinheit 32 durch einen Mikroprozessor 33 gebildet, wobei weiters Speichermittel 34 vorgesehen sind, um einen minimalen und einen maximalen Abstandswert zur Festlegung der Überwachungszone mit zulässigem Abstand vorzusehen. Der minimale Abstandswert ist ein Abstandswert zur Detektion der sicheren Anwesenheit des Messobjekts 4A im Überwachungs- oder Blickschutzbereich, und der maximale Abstand ist jener Abstand, bei dem auf ein Herausbewegen des Messobjekts 4A, z.B. des Kopfes der Bedienungsperson, aus dem Überwachungs- oder Sicherheitsbereich entschieden wird. Dies wird nachfolgend anhand von Fig. 8 noch näher erläutert. 8 AT 505 040 B1

Bevorzugt ist der Reflexions-Detektor 25 ein Infrarot-Detektor, wobei der Lichtsender 26 beispielsweise Infrarot-Strahlung mit einer Wellenlänge von 850 nm abgibt.

Der Mikroprozessor 33 hat ebenso wie das Speichermittel 34 einen Eingang, um die vorstehend erwähnten Abstandswerte sowie weitere Werte vorgeben und den Mikroprozessor 33 entsprechend - über einen Eingang 35 - programmieren zu können. Zu diesen weiteren Vorgaben gehört beispielsweise eine zeitliche Hysterese, um bei einem nur kurzzeitigen Herausbewegen des Messobjekts 4A aus dem Überwachungsbereich, wenn das Messobjekt sofort in den Überwachungsbereich wieder zurückkehrt, von einem Abschalten des Lasers absehen zu können. Diese Hysterese oder Zeitverzögerung kann beispielsweise mit 150 ms, allgemein im Millise-kunden-Bereich, insbesondere im Bereich von 100 bis 200 ms, definiert werden, wie Tests mit Versuchspersonen gezeigt haben.

Hinter der zwischen den Blendenöffnungen 15, 16 vorgesehenen Temperatur-Mess-Öffnung 17 in der Blendenplatte 14 befindet sich ein Temperatursensor oder Thermoelement 36, der bzw. das über einen Operationsverstärker 37 und einen A/D-Konverter 38 mit dem Mikroprozessor 33 bzw. allgemein der Vergleichseinheit 32 verbunden ist. Der Operationsverstärker 37 ist als Thermoelement-Ausgangsspannungsverstärker geschaltet und sein Ausgang wird über den A/D-Konverter 38 dem Mikroprozessor 33 zugeführt.

Zwei Referenzspannungswerte werden hierbei analog zur Temperatur als Schwellwertvorgabe Prozessor-intern festgelegt. Ein Referenzwert gibt die Minimaltemperatur des Messmediums (z.B. 32°C) vor. Der andere Referenzwert definiert die Obergrenze des Temperaturwertes, also den maximal zulässigen Temperaturwert des Messmediums (z.B. 38°C). Innerhalb dieser beiden Temperaturen gilt das Messmedium als zulässig. Über den Mikroprozessor 33 wird auch hier eine Hysteresiszeit oder Zeitverzögerung eingestellt, um wiederum bei einem kurzzeitigen Verlassen der Überwachungszone und damit Abfallen der gemessenen Temperatur, beispielsweise wiederum im Bereich von 100 bis 200 ms, insbesondere 150 ms, ein Abschalten des Lasers hintanzuhalten. Zweckmäßig wird diese Hysteresis einmal, gleichzeitig, für die Distanz- und für die Temperaturmessung eingestellt (und zwar über die Eingabeeinrichtung bzw. den Eingang 35).

Solange eine zulässige Körpertemperatur durch den Kreis 37-33 festgestellt wird, und überdies das Messobjekt 4A im korrekten Abstand, d.h. innerhalb der durch den Maximalabstand und den Minimalabstand definierten Überwachungszone, festgestellt wird, bleibt die Laservorrichtung 3 aktiviert, und es erfolgt kein Abschalten. Sobald aber nur einer der beiden Parameter, entweder der Distanzwert oder der Temperaturwert, aus dem erlaubten Bereich herausfällt, gibt der Mikroprozessor 33 entsprechende Ausgangssignale über die einzelnen Adern der Verbindungsleitung 13 an die angeschlossene Schalt-Baueinheit 8 ab, um zumindest den Laser der Laservorrichtung 3 prompt abzuschalten.

Es sei erwähnt, dass in Fig. 7 der besseren Übersichtlichkeit wegen der Temperatürsensor 36 weggelassen wurde, um so das Triangulationsprinzip für sich zu veranschaulichen.

Wie in Fig. 6 gezeigt ist, kann in der Schalt-Baueinheit 8 eine eigentliche Schalteinheit 40 mit einer galvanischen Trennung von den vorhergehenden Bauteilen vorgesehen und hierfür mit einem Optokoppler 41 und einem Foto-MOS-Feldeffekttransistor 42 ausgeführt sein. In der einen Ausgangsleitung der Schalteinheit 40 ist weiters eine Warnlampe 43 enthalten.

Die Schalteinheit 40 ist über einen Verstärker 44 an die Vergleichseinheit 32 bzw. an den Mikroprozessor 33 angeschlossen, und dieser Verstärker 44 kann eine weitere Schalteinheit 40’ ansteuern, die in Fig. 6 außerhalb der Baueinheit 8 dargestellt ist, um zu zeigen, dass auch externe Schalteinheiten im Rahmen der Erfindung möglich sind. Selbstverständlich kann jedoch auch diese weitere Schalteinheit 40' innerhalb der Baueinheit 8 angeordnet und überdies ent-

Claims (13)

1. 9 AT 505 040 B1 sprechend der Schalteinheit 40 mit einem Optokoppler 41 usw. ausgeführt sein. Über diese Schalteinheit 40' kann beispielsweise ein Zähler, wie bereits vorstehend erwähnt, angesteuert werden. In Fig. 6 ist sodann noch ein weiterer Verstärker 45 mit einer Schaltleitung 46 zum Anschluss eines Sauggeräts für eine Schweißrauchabsaugung (nicht näher gezeigt) dargestellt, wobei diese Schweißrauchabsaugung bei der Freischaltung des Lasers der Laservorrichtung 3 gleichzeitig eingeschaltet wird. Hier kann beispielsweise im Sauggerät selbst ein Optokoppler oder dergl. Schalteinheit vorgesehen sein. Weiters ist in Fig. 6 noch eine eigene Versorgungsspannungseinrichtung 51 mit einer in der Schalt-Baueinheit 8 integrierten Stabilisierungseinheit 52 und einem - über das Verbindungskabel 13 angeschlossenen - Versorgungsmodul 53 in der Sensor-Baueinheit 5 dargestellt. Abschließend soll noch kurz anhand des Schemas gemäß Fig. 8 auf die bei der vorliegenden Sicherheitseinrichtung 7 gegebenen verschiedenen Abstände eingegangen werden. Mit Dmax ist dabei der maximale Abstand zwischen dem Detektor 25 und dem Messobjekt 4A angegeben, wobei dieser maximale Abstand die Abschaltdistanz definiert und beispielsweise 85 mm betragen kann. Mit Dmin ist ein minimaler Abstand, als Einschaltdistanz, angegeben, wobei dieser Abstand Dmin beispielsweise 78 mm betragen kann, so dass sich eine Überwachungszone oder Schalthysterese AD von 7 mm ergibt. Schließlich ist in Fig. 8 noch ein Abdeckschutzbereich A, beispielsweise mit einem Wert von 20 mm, für eine maximale Näherungsdistanz angegeben. Im Betrieb der vorliegenden Sicherheitseinrichtung 7 wird die Position der Bedienungsperson 4 für die Freischaltung der Lasereinheit der Laservorrichtung 3 entsprechend über den Programmiereingang 35 eingegeben und der Mikroprozessor 33 vorprogrammiert. Die Überwachungszone insgesamt reicht somit bei Zugrundelegung der vorstehend angegebenen Abstandswerte von 20 mm bis 85 mm (Abschaltdistanz) bzw. 20 mm bis 78 mm (Einschaltdistanz). Solange sich die Bedienungsperson (mit dem Kopf) in einem Abstand < Dmax (also z.B. 85 mm) vom Detektor befindet, bleibt die durch einen Fußtaster (nicht dargestellt) eingeschaltete Laservorrichtung 3 aktiv. Wenn sich die Bedienungsperson 4 jedoch aus dieser Sicherheits- oder Überwachungszone herausbewegt, wobei der Abstand X zum Detektor somit > 85 mm wird, wird der Laser automatisch unterbrochen, wobei bevorzugt jedoch eine Zeit von ca. 150 ms abgewartet wird, um im Fall einer sofortigen Zurückbewegung des Kopfs in die Überwachungszone das Abschalten des Lasers zu verhindern. Untersuchungen haben nämlich gezeigt, dass beim Arbeiten an einer Laservorrichtung 3 eine Bedienungsperson manchmal kurzzeitig den Kopf zurück- und wieder vorbewegt, wobei für dieses kurzzeitige Verlassen der Sicherheitszone ein Abschalten des Lasers nicht notwendig ist. Ebenso wird ein Abschalten des Lasers veranlasst, wenn der Temperatursensor 36 eine außerhalb des vorgegebenen Temperaturbereichs liegende Temperatur erfasst. Nach Verlassen der Sicherheitszone und Unterbrechung des aktiven Laservorgangs erfolgt ein Einschalten des Lasers nur dann, wenn sich die Bedienungsperson wieder mit dem Kopf in die Überwachungszone begibt, nämlich hier in einem Abstand von 78 mm vom Detektor, gemäß dem angeführten Beispiel, wenn weiters (wieder) eine zulässige Temperatur gemessen wird, und wenn dann auch mit Hilfe des Fußtasters der Laser wieder ausgelöst wird. Patentansprüche: 1. Sicherheitseinrichtung (7) für manuelle Laserbearbeitungsvorrichtungen (3), mit einem optischen, einen Lichtsender (26) aufweisenden Detektor (25) zur Detektion der Anwesenheit eines Körperteils einer Bedienungsperson (4) in einer vorgegebenen Überwachungszone und mit einer mit dem Detektor (25) verbundenen Schalteinheit (40) zum Detektorsignal-abhängigen Ein- bzw. Ausschalten wenigstens einer Komponente einer zugeordneten 1 0 ΑΤ 505 040 Β1 Laserbearbeitungsvorrichtung (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (25) ein zur Messung des Abstands des Körperteils vom Detektor auf der Basis von optischer Triangulation eingerichteter Reflexions-Detektor (25) mit dem Lichtsender (26) und einem im Abstand hiervon vorgesehenen Foto-Sensorfeld (27) ist und an den Detektor (25) eine Vergleichseinheit (32) mit Speichermitteln (34) zum Vorgeben eines minimalen und eines maximalen Abstandwerts angeschlossen ist, und dass im Bereich des optischen Detektors (25) ein Temperatursensor (36) zur Erfassung der Temperatur des Körperteils vorgesehen ist, wobei bei einer vorgegebenen Abweichung von einem vorgegebenen Körpertemperaturwert ein Steuersignal zum Ausschalten der Komponente abgegeben wird.
2. 2. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sensorfeld (27) eine Schlitzblende (16) mit vorgegebener Schlitzbreite vorgeordnet ist.
3. 3. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichseinheit (32) eine digitale Vergleichseinheit ist.
4. 4. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichseinheit (32) durch einen programmierbaren Mikroprozessor (33) gebildet ist.
5. 5. Sicherheitseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichseinheit (32) zur Abgabe von Schaltsignalen für die Schalteinheit erst nach Ablauf von vorgebbaren Hysterese-Zeiten eingerichtet ist.
6. 6. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 5 mit Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hysterese-Zeiten durch Programmierung des Mikroprozessors (33) vorgebbar sind.
7. 7. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hysterese-Zeiten im ms-Bereich, insbesondere in der Größenordnung von 150 ms, vorgegeben sind.
8. 8. Sicherheitseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (25) ein mit Infrarotstrahlung, insbesondere bei einer Wellenlänge von zumindest im Wesentlichen 850 nm, arbeitender Detektor ist.
9. 9. Sicherheitseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (40) zur galvanischen Trennung des Detektors (25) mit einem Optokoppler (41) ausgebildet ist.
10. 10. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Optokoppler (41) mit einem Foto-MOS-Feldeffekttransistor (42) ausgebildet ist.
11. 11. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Optokoppler (41) mit der Vergleichseinheit (32) über einen Verstärker (44) verbunden ist.
12. 12. Sicherheitseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (40) zusammen mit einer Versorgungsspannungs-Stabilisierungseinheit (52) in einer Baueinheit (8) zusammengebaut ist.
13. 13. Sicherheitseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (25) zusammen mit der Vergleichseinheit (32) sowie gegebenenfalls dem Temperatursensor (36) in einer Sensor-Baueinheit (5) mit einem eigenen Gehäuse zusammengebaut ist. Hiezu 5 Blatt Zeichnungen