CH645962A5 - Als unfallschutzvorrichtung in arbeitsmaschinen dienende photoelektrische schranke. - Google Patents

Description

Vorliegende Erfindung betrifft eine als Unfallschutzvorrichtung in Arbeitsmaschinen dienenden photoelektrische Schranke.

Es sind bereits Lichtschranken die als Unfallschutzvorrichtung bei Pressen dienen, bekannt, bei denen sich ein Lichtstrahl periodisch und in rascher Aufeinanderfolge durch die zu überwachende Zone bewegt. Mittels optischer Einrichtungen wird der Lichtstrahl zu einem photoelektrischen Wandler geleitet. Wenn ein Hindernis in die zu überwachende Zone gelangt, verändert sich das Ausgangsignal des photoelektrischen Wandlers derart, dass über eine elektronische Verarbeitungseinrichtung die Presse abgestellt wird.

Bei einer bekannten Lichtschranke ist ein vieleckiger rotierender Spiegel vorgesehen, auf den ein Lichtbündel gerichtet wird. Der vieleckige Spiegel liegt im Brennpunkt eines Hohlspiegels, so dass das periodisch durch die Drehung des vielek-kigen Spiegels abgelenkte Lichtbündel parallel zu sich selbst bewegt wird und periodisch die zu überwachende Zone durchläuft, welche einerseits vom Hohlspiegel und andererseits von einem Reflektor begrenzt ist, der das Lichtbündel in jeder Stellung auf sich selbst reflektiert. Zwischen der Lichtquelle und dem vieleckigen Spiegel ist ein schräggestellter teil durchlässiger Spiegel vorgesehen, der das reflektierte Lichtbündel auf einen elektrischen Empfänger lenkt.

Bei einer solchen Vorrichtung wird die zu überwachende Zone periodisch mit grosser Frequenz abgetastet. Wenn die Zone frei ist, kann das Lichtbündel ungestört vor und zurück laufen und befindet sich der Empfänger im wesentlichen im Gleichgewicht. Wenn hingegen in die zu überwachende Zone ein Hindernis eintritt, wie beispielsweise die Hand des Arbeiters, tritt am Empfänger eine Reihe von dunklen Impulsen auf. Diese Impulse bewirken über eine entsprechende Elektronik den Abfall eines Relais, welches die Presse abstellt. Es ist ein Bedarf nach einer Sicherheit dahingehend, dass die Presse nicht eingeschaltet oder abgestellt werden kann, wenn die photoelektrische Vorrichtung wegen irgendeines Defektes nicht funktioniert, vorhanden.

Aus diesem Grund ist bei den bekannten photoelektrischen Schranken eine Funktionsüberwachung vorgesehen, welche nach jedem Pressweg die photoelektrische Schranke und deren Funktionieren kontrolliert. Dabei wird in der nicht gefährlichen Pressphase der Bewegung des Pressstempels, also während der Bewegung nach oben, die photoelektrische Schranke einem vollständigen Testgang unterworfen und nur wenn dieser Testgang bestanden wird, wird der folgende Weg der Presse freigegeben.

Diese Überwachungsart lässt jedoch die Möglichkeit offen, dass nach dem Test, also während des Weges nach unten des Pressstempels, ein Teil der Sicherheitsvorrichtung ausfällt. Wenn sich in diesem Moment jemand in der überwachten Zone befindet, kann trotz der Funktionsüberwachung ein schwerer Unfall eintreten.

Es ist weiters eine photoelektrische Schranke bekannt (DE-PS 1 221 927), bei der die obenerwähnte gefährliche Möglichkeit im allgemeinen umgangen wird, da die Funktionstüchtigkeit der Sicherheitsvorrichtung nicht nach jedem Pressweg, sondern nach jeder Abtastung der zu überwachenden Zone durch den Lichtstrahl kontrolliert wird. Dies wird durch die Verwendung eines umlaufenden Polygonspiegels (Spiegelrotors) erreicht, in dem die Spiegel abwechselnd einmal vorhanden und einmal nicht vorhanden sind, so dass jeder Schutzabtastung (Spiegel vorhanden) ein Selbstkontrollintervall (Spiegel abwesend) folgt. Die dunklen Impulse können nur als Kontrast zu einem vorhergehenden hellen Impuls vorhanden sein und wenn die Gesamthöhe der zu überwachenden Zone von einem Hindernis bedeckt ist, so dass der photoelektrische Empfänger kein Licht erhält, hören die Impulse auf.

In der DE-PS 1221 927 wird die Schutzperiode von der Kontrollperiode durch einen kurzen hellen Impuls getrennt. Diese hellen Impulse werden durch kleine Spiegel erzeugt, die auf dem Spiegelrotor angeordnet sind und das Licht direkt auf den photoelektrischen Wandler reflektieren. Die hellen Impulse sind daher auch dann vorhanden, wenn die zu überwachende Fläche zur Gänze abgedunkelt ist. Während des gefährlichen Abwärtsweges der Presse läuft eine Schutzphase und hierauf eine Kontrollphase ab, die durch die von den Spiegeln selbst erzeugten hellen Impulse gekennzeichnet ist, und so weiter in synchroner Weise. Das in der zitierten DE-PS 1 221 927 beschriebene Selbstkontrollsystem weist kein dynamisches Signal bis zu den Endrelais auf, weshalb ein zusätzlicher Defekt bei den Relais-Endstufen nicht ermittelt wird. Weiters verwendet die bekannte Vorrichtung eine Glühlampe als Lichtquelle, weshalb der photoelektrische Empfänger gegen Lichtquellen wie Sonne oder Lampen nicht abgeschirmt werden kann.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer photoelektrischen Schranke, welche in der aktiven Phase der Maschine, der sie zugeordnet ist, eine Selbstkontrolle ausführt. Dieses Ziel wird durch die im lcennzeichenden Teil des Patentanspruches 1 definierten Massnahmen gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht, in welchen:

Fig. 1 die optischen und mechanischen Elemente einer erfindungsgemässen photoelektrischen Schranke zeigt,

Fig. 2 einen Spiegelrotor mit seiner zusätzlichen zahnstan-genförmigen Spur zeigt, und

Fig. 3 das Blockschema der elektronischen Schaltung ist.

Mit 1 ist ein photoelektrischer Galliumarsenid-Sender bezeichnet, der mit einem 20 kHz-Impuls erregt wird und einen modulierten Infrarotstrahl aussendet. Der vom Sender 1 ausgesendete modulierte Strahl wird von optischen System

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2 fokussiert, durchtritt sodann einen teildurchlässigen Spiegel 3 und wird schliesslich auf einen umlaufenden Polygonspiegel bzw. Spiegelrotor 4 fokussiert. Dieser Rotor liegt im Brennpunkt eines Parabolspiegels 5. Der Spiegelrotor 4 leitet den Strahl auf den Parabolspiegel 5 und bewirkt aufgrund der Drehung eine Abtastung der zu überwachenden Zone. Alle austretende Strahlen 6 sind untereinander parallel. An der anderen Seite der zu überwachenden Zone befindet sich ein Reflektor 7, der eine reflektierende Fläche bildet. Der Reflektor 7 weist die Besonderheit auf, dass er den empfangenen Strahl unabhängig vom Einfallswinkel in der Ursprungsrichtung reflektiert. Der Strahl 6 wird sodann gegen den Parabolspiegel 5 geleitet, der ihn weiter zum Spiegelrotor 4 leitet, welcher ihn seinerseits zum teildurchlässigen Spiegel 3 reflektiert. Dieser teildurchlässige Spiegel 3 sendet den Strahl zu einem Fokussierungssystem 8, wonach er schliesslich zu einem Lichtempfänger 9 gelangt. Im dargestellten Beispiel besteht der Spiegelrotor 4 aus vier Abtastspiegeln, von denen jeder etwa 90° der Drehung des Rotors durchläuft. Bei der Drehung eines der Spiegel 10 streicht der Strahl 6 über die zu überwachende Zone und erregt den Lichtempfänger 9, wenn sich kein Hindernis in der Abtastzone befindet. Dies gilt auch für die anderen Spiegel.

Im Bereich der Verbindung zwischen den benachbarten Spiegeln 10 ist ein kleiner Hilfsspiegel 11 angeordnet, der den Strahl zum Lichtempfänger 9 leitet, um zu verhindern, dass die Verbindung zwischen den Spiegeln 10 als Hindernis auf dem Lichtempfänger 9 interpretiert wird. Ein zweiter Sender 12 sendet einen Strahl auf eine Zusatzspur 13 des Spiegelrotors 4. Diese Spur 13 wird durch eine Aufeinanderfolge von Erhebungen 14 und Vertiefungen 15 gebildet, die ein zahn-stangenförmiges Profil bilden.

Ein in bezug auf den Sender 12 entsprechend angeordneter Empfänger 16 erhält einen vom Sender ausgesendeten Strahl nur dann zurück, wenn dieser von den Erhebungen 14 reflektiert wird. Der Empfänger gibt in diesem Falle ein Signal ab. Diese Ermittlung kann auch mit anderen Systemen,wie beispielsweise magnetischen oder induktiven Systemen, durchgeführt werden. Die Erregung des Senders 1 erfolgt durch einen Impulsgenerator 17, der einen pulsierenden Strom von 20 kHz abgibt, welcher den Infrarotsender 1 während 0,5 Mikrosekunden mit derselben Frequenz erregt. Wenn die zu überwachende Zone frei ist, erhält der Lichtempfänger 9 die Infrarotimpulse, die er in elektrische Impulse umwandelt. Diese werden von einem Breitbandverstärker 18 verstärkt und digitalisiert, bevor sie von einem monostabilen Schaltkreis 19 demoduliert werden, dessen Periode eine Funktion der Impulsfrequenz ist. Der Ausgang des monostabilen Schaltkreises 19 befindet sich auf einem Pegel entsprechend logisch «0» wenn alle vom Sender 1 abgegebenen und vom Empfänger 9 aufgenommenen Impulse am Ausgang des Verstärkers 18 zugegen sind. Wenn hingegen die vom Sender 1 abgegebenen Impulse fehlen, so befindet sich während dieser Zeitdauer der Ausgang des Schaltkreises 19 auf dem Pegel logisch «1».

Das vom Empfänger 16 abgegebene Signal wird vom Verstärker 20 verstärkt und sodann vom monostabilen Schaltkreis 21 geformt, welcher ein Signal in Form einer Rechteckwelle abgibt, dessen Frequenz von der Drehgeschwindigkeit des Spiegelrotors, die als konstant angenommen wird, abhängt. Das vom monostabilen Schaltkreis 21 gelieferte Signal wird einem Schwingkreis 22 zugeführt, der auf die Frequenz der vom monostabilen Schaltkreis 21 gelieferten Signale und auf die Geschwindigkeit des Rotors 4 abgestimmt ist. Eine Trigger-Stufe 23 steuert die Amplitude des Sinussignals am Ausgang des Schwingkreises 22 und liefert seinerseits eine Rechteckwelle, wenn die Amplitude des Sinussignals richtig ist. Man erreicht auf diese Weise eine

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Kontrolle der richtigen Frequenz und folglich der Geschwindigkeit des Rotors. Die Frequenz des von der Trigger-Stufe 23 abgegebenen Signals wird in der Folge von einem Teilerkreis 24 durch vier geteilt. Das Signal wird sodann von einem monostabilen Schaltkreis 25 geformt, der bei jedem negativen Durchgang des Ausgangsignals des Teilerkreises 24 einen Impuls von bestimmten Dauer und solcher Amplitude aussendet, dass, wenn er dem Generator 17 zugeführt wird, es möglich ist, einen der Impulse des Generators 17 und des Senders 1 zu unterdrücken. Dies entspricht praktisch der Schaffung eines künstlichen Hindernisses, während welchem die Selbstkontrolle der photoelektrischen Schranke erfolgt. Der vom monostabilen Schaltkreis 25 abgegebene Impuls wird weiters einem monostabilen Schaltkreis 26 zugeführt, der seinerseits einen Impuls von doppelter Dauer als der Dauer seines Eingangssignals bei jedem negativen Durchgang des letzteren abgibt. Das vom Schaltkreis 26 abgegebene Signal wird sodann einem der Eingänge eines Paares von Diskriminatoren 27 und 28 zugeführt; dem anderen Eingang wird das vom monostabilen Schaltkreis 19 kommende Signal zugeführt.

Beim Ausgang eines jeden der Diskriminatoren 27 und 28 ist ein Impulssignal nur dann vorhanden, wenn die Selbstkontrolle durchgeführt wurde und die vorgeschalteten Stromkreise einwandfrei funktionieren. Unter diesen Bedingungen befindet sich der Ausgang der Diskriminatoren 27 und 28 während der ganzen Dauer der Selbstkontrolle auf dem logischen Pegel «0». Die Demodulatoren 29 und 30 (die ebenfalls aus monostabilen Schaltkreisen bestehen), die jeweils an die Ausgänge der Diskriminatoren 27 und 28 angeschlossen sind, liefern jeder ein Signal mit dem logischen Pegel « 1 » nur dann, wenn die Frequenz der der Ausgangsignale der Schaltkreise 27 und 28 richtig ist. Diese Signale werden jeweils einem der Eingänge eines jeden der Diskriminatoren 31 und 32 zugeführt, welche die Aufgabe haben, das System während der Selbstkontrollperiode auszuschalten. Der andere Eingang eines jeden der Diskriminatoren 31 und 32 empfängt das vom monostabilen Schaltkreis 19 abgegebene Signal. Die Ausgangssignale der Diskriminatoren 31 und 32 werden den Demodulatoren 33 und 34 zugeführt, die aus monostabilen Schaltkreisen bestehen. Wenn alle vom Sender abgegebenen Signale vom Empfänger 9 dem Verstärker 18 und dem monostabilen Schaltkreis 19 empfangen wurden, so liefern die Diskriminatoren 31 und 32 ein Signal mit dem logischen Pegel « 1 ». Die Demodulatoren 33 und 34 liefern ihrerseits ein Signal mit dem logischen Pegel « 1 ». Wenn alle vom Sender 1 abgegebenen Signale nicht vom 9,18,19 empfangen werden, beispielsweise weil sich ein Hindernis in der zu überwachenden Zone befindet, so liefern die Diskriminatoren 31 und 32 ein Impulssignal, welches, von den Demodulatoren 33 und 34 ermittelt, es diesen ermöglicht, ihrerseits ein Signal mit dem Pegel «0» abzugeben, wodurch die Gegenwart eines Hindernisses in der zu überwachenden Zone übertragen wird. Hierauf werden die von den Demodulatoren 29 und 33 ausgehenden Signale den Eingängen eines Koinzidenzschaltkreises 35 zugeführt, der ein Signal mit dem logischen Pegel «0« nur dann abgibt, wenn alle auf diesen Eingängen vorhandenen Signale auf dem logischen Pegel «1 » liegen. Vom Koinzidenzschaltkreis 35 wird das Signal über einen Photo-ankopplungskreis 36 einem Verstärker 37 zugeführt und zu einem Ausgangrelais 38 weitergeleitet, welches erregt wird, wenn einige Bedingungen eintreten, u.zw. Abwesenheit eines Hindernisses in der zu überwachenden Zone, durchgeführte Selbstkontrolle, korrekte Drehung des Spiegelrotors und Vorhandensein von Speisespannung an den Relais. Weiters werden die Ausgangssignale der Modulatoren 30 und 34 den Eingängen des Koizidenzschaltkreises 39 zugeführt, der ein logisches Signal mit dem Pegel «0» angibt, wenn sich alle an

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den Eingängen befindlichen Signale auf dem logischen Pegel « 1 » befinden. Es wird dann über eine Photoankopplung 40 und einen Verstärker 41 ein Ausgangsrelais 42 erregt, wenn ein Hindernis vorhanden ist oder wenn die Selbstkontrolle nicht stattfindet oder nicht normal reagiert.

Das von der Trigger-Stufe 23 abgegebene Signal wird sodann in ein symmetrisches Rechtecksignal über den Impulsformer 43 abgegeben, wonach es über die elektronischen Schalter 44 und 45 einen Spannungswandler 46 steuert, der, nach Gleichrichtung durch den Gleichrichter 47, die für das Relaissystem erforderliche Speisespannung liefert. Diese Speisespannung kann nur dann zugegen sein, wenn die Geschwindigkeit des Spiegelrotors 4 richtig ist und wenn alle Kreise 12,16,20-23 und 43-47 richtig arbeiten.

In der Folge wird die Funktionsweise der photoelektrischen Schranke beschrieben. Der vom Impulsgenerator 17 mit einer Frequenz von 20 kHz erregte photoelektrische Sender 1 gibt einen Zug von Impulsen ab, die, vom Lichtempfänger 9 aufgenommen und sodann vom Verstärker 18 verstärkt, zum monostabilen Schaltkreis 19 weitergeleitet werden, der ein Signal mit dem logischen Pegel «0» abgibt. Gleichzeitig mit dem Lichtempfänger 16 kommt von der Zusatzspur 13 ein Impulszug an, dessen Frequenz von der Drehgeschwindigkeit des Rotors 4 bestimmt wird. Wenn, angenommen, der Rotor mit der richtigen Geschwindigkeit läuft, so ist der von den Schaltkreisen 21-23 verarbeitete Impulszug in Form eines Rechtecksignals am Ausgang der Trigger-Stufe 23 verfügbar, so dass er über den Schaltkreis 43 und die Schalter 44,45 den Wandler 46 steuern kann, der die Wechselspannung liefert, die, vom Gleichrichter 47 gleichgerichtet, die Ausgangsrelais 38 und 42 speist.

Das Impulssignal am Ausgang der Trigger-Stufe 23 wird im Schaltkreis 24 einer Frequenzteilung unterworfen, die es ermöglicht den Abstand zwischen den Impulsen zu erhöhen, so dass diese, nachdem sie vom Schaltkreis 25 geformt und zum Generator 17 weitergeleitet wurden, in regelmässigen Intervallen einen Impuls des Impulszuges vom Generator 17 unterdrücken. Man erhält auf diese Weise dunkle Impulse, die sich auf Grund der Frequenz der Unterdrückungsimpulse wiederholen und vollkommen denen gleichhartig sind, die durch die Gegenwart eines Hindernisses in der zu überwachenden Zone hervorgerufen werden. Während dieser dunklen Impulse erfolgt die Selbstkontrolle der photoelektrischen Schranke, d.h., es wird die Funktion der Schaltkreise überprüft.

Bei normaler Funktion werden den Diskriminatoren 27,28

und 31,32 Signale zugeleitet, welche am Ausgang der Demodulatoren 29,30 und 33,34 Signale mit gleichem Vorzeichen hervorrufen, welche, den Koinzidenzschaltkreisen 39 und 35 zugeführt, am Ausgang ein Signal mit dem Pegel «0» liefern. Insbesondere ist zu beachten, dass während der Phase der Selbstkontrolle, d.h. während eines unterdrückten Impulses, die Eingangssignale der Diskriminatoren 31,32 gleichzeitig wechseln, so dass das Signal an ihrem Ausgang unverändert bleibt.

Wenn hingegen das Signal am Ausgang des Schaltkreises 19 konstant auf dem Pegel « 1 » auf Grund der Gegenwart eines Hindernisses verbleibt, ändern sich die Eingangssignale an den Diskriminatoren 31,32, weshalb zu den Koinzidenzschaltkreisen 35,39 unterschiedliche Signale gelangen, welche die Umschaltung der Relais bewirken.

Es ist zu beachten, dass die Umschaltung der Relais auch dann eintritt, wenn aus irgendeinem Grund im Generatorstromkreis der Löschimpulse eine Störung auftritt. Der besondere Speisestromkreis der Relais bringt eine zusätzliche Sicherheit mit sich, da der Wandler nur dynamisch funktioniert und alle statischen Situationen, die aus einer Anomalie des Wandlers oder eines der diesem vorgeschalteten Schaltkreise resultieren, einen Ausfall der Steuerungspannung für die Relais und folglich einen Stillstand der Arbeitsmaschine bewirken. Die beschriebene Schranke hat weiters den Vorteil, dass sie eine wirksame Ausgangsblockierung bei der Einschaltung der Spannung so lange, bis die Betriebsbedingungen des Spiegelrotors nicht erreicht sind, gewährleistet, wodurch verhindert wird, dass ein nicht vorgesehener Einschaltbefehl an die von der Schranke geschützte Maschine weitergeleitet wird. Bei der Praktischen Durchführung der Erfindung sieht die Schranke untereinander gruppierte logische Tore in Funktion AND/OR vor, um zwei unabhängige Ausgangskanäle für die Steuerung der beiden Ausgangsrelais 38,42 zu erhalten, welche in ein Relaisssystem eingeschaltet sind, das derart ausgelegt ist, dass bei jedem Zyklus der geschützten Maschine die Gesamtheit der vorhandenen Relais den Zustand ändern muss und sich in einem bestimmten Zustand befinden muss, um den folgenden Zyklus freizugeben. Dieser Umschaltbefehl wird durch die Öffnung eines Kontaktes erreicht, der von der Arbeitsmaschine während der nicht gefährlichen Phase ihrer Bewegung betätigt wird. Vorzugsweise sind die Relais mit sogenannten zwangsgeführten Festkontakten versehen, welche es ermöglichen, einen mechanischen Defekt im Betrieb, wie Kontakt-verschweissung der Steuerunganker, zu ermitteln.

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2 Blatt Zeichnungen

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645 962 PATENTANSPRÜCHE

1. Als Unfallschutzvorrichtung in Arbeitsmaschinen dienende photoelektrische Schranke, gekennzeichnet durch einen Sender (1) eines impulsmodulierten und durch optische Mittel abgelenkten Lichtstrahles, welcher die periodische Abtastung mit rascher Aufeinanderfolge einer zu überwachenden Zone bewirkt und über einen photoelektrischen Empfänger (9) geführt wird, der bei Gegenwart eines Hindernisses in der zu überwachenden Zone ein Signal zur Abschaltung der Steuerungen der Arbeitsmaschinen liefert, und durch einen Impulsgeneratorschaltkreis (12,13,16,17), welcher mit dem Sender (1) derart verbunden ist, dass er einen oder mehrere Impulse des vom Sender (1) abgegebenen Lichtstrahles unterdrückt, um die Funktion der Steuerungen während der Abtastung zu überwachen.

2. Photoelektrische Schranke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (1) des modulierten Lichtstrahles durch einen infraroten Strahlen erzeugenden Gal-liumarsenid-Sender gebildet ist.

3. Photoelektrische Schranke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Mittel, welche den Lichtstrahl über die zu überwachende Zone ablenken, aus einem rotierenden Polygonspiegel (4) bestehen, und dass der Impulsgeneratorschaltkreis aus einem Sender (12) eines zusätzlichen Lichtstrahles und einem mit diesem durch eine zahnstangenförmige Spur (13) des Polygonspiegels (4) zusammenwirkenden photoelektrischen Empfänger (16) besteht.