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Die
Erfindung betrifft ein bewegungsgesteuertes Werkzeug mit Sicherheitsabschaltung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Werkzeuge
mit einem besonderen Gefährdungspotential
benötigen
besondere Sicherheitsmaßnahmen
zur Gewährleistung
der Personensicherheit, wenn sie in automatisierten Prozessen betrieben
werden, die nicht ständig
beobachtet werden können.
Insbesondere besteht die Forderung, Personen, deren räumliche
Nähe zum
Werkzeug prozessbedingt erforderlich ist, von den Gefahren durch
Fehlfunktionen, insbesondere von Gefahren durch softwarebedingte
Steuerungsfehlfunktionen zu schützen.
Die Führung
und Bewegungssteuerung der Werkzeuge kann in allgemein bekannter
Weise mittels Robotern erfolgen. Ein Gefährdungspotential besteht beispielsweise
darin, dass durch Steuerungsfehlfunktionen für den Bewegungsablauf ein Werkzeug
von einem Gelenkarm-Roboter aus seinem an sich vorgegebenen Bewegungsbereich
heraus geführt
wird und mit Personen oder Sachen in der Umgebung kollidiert.
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Ein
besonderes großes
Gefährdungspotential
ergibt sich jedoch bei Laserwerkzeugen: Im Karosseriebau werden
mit zunehmender Tendenz Laserbearbeitungen vorgenommen, wobei Schweißen und Löten die
wichtigsten Bearbeitungsverfahren sind. Die Laserwerkzeuge werden
dazu mit Robotern über die
ruhenden Werkstücke
geführt.
Die Arbeitsrichtung des im Werkzeug eingesetzten Lasers ist dabei in
der Regel vertikal nach unten um beim Schweißen bzw. Löten ein entstehendes Schweißbad bzw.
ein geschmolzenes Lot gut kontrollieren zu können. Die eingesetzten Laser
stellen besondere Gefahrenquellen im Sinne der Arbeitssicherheit
dar, wenn das Laserlicht in Kontakt mit Personen kommt. Die Gefahr wird
dadurch erhöht,
dass die eingesetzten Laser mit Licht im nicht sichtbaren Wellenlängenbereich
und mit hohen Leistungen arbeiten. Daraus resultiert die Forderung
den Schutz des Produktionspersonals vor der gefährlichen Wirkung der Laserstrahlung
sicherzustellen. Dazu sind mehrere Maßnahmen bekannt:
Ein wichtiges
Element zum Schutz vor Laserstrahlung ist der Einsatz lichtdichter
Einhausungen, die üblicher
Weise in Stahlblech ausgeführt
werden. Bei einer Fehlsteuerung der Wirkrichtung des Lasers kann
der Laserstrahl auf die Wandung der Einhausung gerichtet sein, die
der Laserbestrahlung regelmäßig nur über eine
kurze Zeit von wenigen Sekunden standhält, wonach der Laserstrahl
die Einhausung mit hohem Gefährdungspotential
durchdringen kann. Es ist daher wesentlich, dass trotz einer solchen
Einhausung die Laserstrahlung ihren durch eine fehlerfreie Steuerung
vorgegebenen Wirkraum nicht verlässt.
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Dazu
ist ein Verfahren bekannt (
EP
0428 748 B1 ), bei dem die Lage und damit die Wirkrichtung
und der Wirkraum des Laserwerkzeugs aus den Daten der Robotersteuerung
für die
Gelenkwinkelstellungen des Roboters berechnet wird. Mit einem anderen bekannten
Verfahren speziell für
Laserwerkzeuge (
DE
198 39 482 A1 ) werden mit Hilfe der Reflexion eines sogenannten
Pilotstrahls die Relativlagen von Werkzeug und Werkstücken ermittelt.
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Aus
der gattungsbildenden
JP
2000 237 874 A ist ein bewegungsgesteuertes Laser-Werkzeug
mit Sicherheitsabschaltung bekannt, wobei direkt am Laser-Werkzeug wenigstens
ein Neigungssensor angebracht ist, der eine Neigungsabweichung des
Laser-Werkzeugs detektiert und der Bestandteil der Sicherheitsabschaltung
ist, die beim Überschreiten
der Neigungs-Schaltposition
und der dadurch ausgelösten
Schaltung des Neigungssensors aktivierbar ist, wodurch eine Bewegungs-Steuerung
und/oder eine Werkzeug-Steuerung
und/oder eine übergeordnete Prozess-Steuerung
abschaltbar ist.
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Konkret
ist hier ein Laser-Werkzeug als Laserkopf vorgesehen, an dem ein
Neigungssensor ausgebildet ist, der sofort unmittelbar nach einer
Auslenkung des Laserwerkzeugs aus einer vertikalen Arbeitsposition
anspricht und ein entsprechendes Signal an eine Steuereinrichtung
liefert, die dann die Sicherheitsabschaltung aktiviert und den Prozess stoppt.
Mit dieser Sicherheitsabschaltung soll erreicht werden, dass das
Laser-Werkzeug unmittelbar nach einem Kontakt mit einem unerwünschten
Gegenstand in Arbeitsbereich abgeschalten wird. Zudem wird dadurch
ausgeschlossen, dass derartige Laser-Werkzeuge eine Gefahrenquelle
für Personen darstellen
können,
z. B. falls das Laser-Werkzeug so abgelenkt wird, dass der Laserstrahl
den Arbeitsbereich verlässt.
Jedoch ist ein solcher Aufbau relativ anfällig, z. B. im Hinblick auf
Erschütterungen,
so dass das Werkzeug ggf. zu schnell abgeschalten und der Bearbeitungsprozess
gestoppt wird. Um dies zu vermeiden, ist hier vorgesehen, das Laser-Werkzeug dann
anzuheben und anschließend
weiterzuverfahren sowie neu zu positionieren, damit kein unnötiges Unterbrechen
des Bearbeitungsvorganges erfolgt.
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Weiter
ist aus der
DE 199
13 580 C1 ein Messtaster für Bearbeitungsmaschinen mit
einer Werkzeugspindel einer Bearbeitungsmaschine bekannt, bei der
das eigentliche Werkzeug, nämlich
der Messtaster als solches nicht mittels einer Sicherheitsabschaltung überwacht
wird. Dies ist in Verbindung mit einem Messtaster für Bearbeitungsmaschinen
auch gar nicht erforderlich, da hier ein Gefährdungspotential, wie dies
bei Laser-Werkzeugen gegeben ist, gar nicht erst vorhanden ist.
Vielmehr wird hier am den Messtaster als eigentliches, werkzeugtragendes
Gehäuse
ein Neigungsschalter vorgesehen, mit dem zwei Betriebsstände zu unterscheiden sind,
nämlich
einmal ein „Schlafzustand" mit sehr geringem
Stromverbrauch und andererseits ein Funktionszustand mit einer aktivierten
Infrarotstrecke zur Stromversorgung der gesamten Vorrichtung. Dabei umfasst
eine Steuereinrichtung auch einen Zähler, der beim Einschalten
des Neigungsschalters sofort zu zählen beginnt und nach einer
bestimmten Abfragezeit das sekundäre Aktivierungssignal für die Infrarotstrecke
zur Stromversorgung gibt. Dauert jedoch währenddessen die Schaltstellung
des Neigungsschalters nicht ununterbrochen an, so wird der Zähler zurückgesetzt
und beginnt wieder von neuem zu zählen. Damit soll erreicht werden,
dass nicht jedes vielleicht zufällige
kurze Ansprechen des Neigungsschalters schon zu einer Aktivierung
der Stromversorgung führt.
Dies soll vielmehr dann geschehen, wenn das Signal dieses Schalters über die
vorgegebene Abfragezeit hinweg ununterbrochen bleibt, was die Gewähr bietet,
dass der Messtaster in seiner vertikalen Stellung zur Ruhe gekommen
ist und für
die Messung bereitsteht. Bei diesem Aufbau mit einem Neigungsschalter
werden somit nicht die Bewegungen des Werkzeuges überwacht,
so dass es sich bei diesem Neigungsschalter um keinen Bestandteil
einer Sicherheitsabschaltung für
ein Laser-Werkzeug handelt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein bewegungsgesteuertes Laser-Werkzeug mit einer
Sicherheitsabschaltung zu schaffen, mit der ein automatisierter
Prozess funktionssicher durchführbar
ist und mit der Fehlsteuerungen der Wirkrichtung des Lasers im Sinne
einer hohen Arbeitssicherheit zur zuverlässigen Abschaltung des Laser-Werkkzeuges führen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Gemäß Anspruch
1 ist der Neigungssensor so eingestellt, dass dieser bei Bewegungen
des Laser-Werkzeugs innerhalb eines Wirkraums desselben nicht schaltet
und dass dieser beim Überschreiten
einer den Wirkraum begrenzenden vorgegebenen maximal zulässigen Neigungsabweichungen
des Laser-Werkzeugs schaltet.
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Vorteilhaft
wird hier somit ein bewegungsgesteuertes Laser-Werkzeug mit einer
Sicherheitsabschaltung zur Verfügung
gestellt, mit dem innerhalb eines unkritischen Wirkraumes Bewegungen
des Laser-Werkzeugs jederzeit möglich
sind, so dass ein unerwünschtes
zu frühes
Abschalten des Laser-Werkzeuges, das den Bearbeitungsprozess ggf. behindert
oder beeinträchtigt,
vorteilhaft vermieden werden kann. Dadurch wird eine hohe Funktionssicherheit
für den
Arbeitsprozess insgesamt erlangt, ohne dass dabei eine große Gefahrenquelle
für Personen
geschaffen wird, da der Wirkraum hier so festgelegt und definiert
wird, dass die Sicherheitsabschaltung über den Neigungssensor die
vorgegebene maximal zulässige
Neigungsabweichung erzielt, d. h. ein Laserstrahl z. B. im Falle
einer Fehlsteuerung einen Arbeitsbereich verlässt.
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Die
Positionserfassung und Positionskontrolle des Werkzeugs mittels
eines Neigungssensors ist zudem einfach, kostengünstig und verlässlich.
Neigungssensoren unterschiedlicher Ausführungen stehen mit guter Funktion
auf dem Markt zur Verfügung. Dabei
sind Neigungssensoren bekannt, die beim Überschreiten der Neigungs-Schaltposition
einen potentialfreien Kontakt schalten und/oder einen Schaltimpuls
erzeugen. Beide Arten von Neigungssensoren sind als Bestandteil
der Sicherheitsabschaltung geeignet.
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Mit
Anspruch 2 ist ein bevorzugter Einsatzbereich beansprucht, bei dem
das Laserwerkzeug eine im Wesentlichen vertikal nach unten weisende Arbeitsrichtung
aufweist, wobei vom mindestens einen Neigungssensor eine Neigungsabweichung
gegenüber
der Vertikalen detektierbar ist und beim Überschreiten der Neigungs-Schaltposition
durch die Sicherheitsabschaltung der Laser abgeschaltet wird. Eine
Detektierung einer Neigungsabweichung gegenüber der Vertikalen ist mit
einfachen Mitteln kostengünstig
ausführbar,
wobei unmittelbar mechanisch arbeitende Neigungsschalter einsetzbar
sind. Solche mechanischen Neigungsschalter sind äußerst robust und funktionssicher.
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Mit
Anspruch 3 wird in einer konkreten Ausführung ein Neigungsschalter
vorgeschlagen mit einem Schaltergehäuse, das mit dem Werkzeug fest verbunden
ist und damit Neigungen des Werkzeugs mitmacht. Im Schaltergehäuse ist
gehäusefest
wenigstens ein Schaltkontakt angeordnet, der damit ebenfalls die
Neigung des Werkzeugs mitmacht. Im Schaltergehäuse ist zudem wenigstens ein
Schaltelement angeordnet, das gegenüber dem wenigstens einen gehäusefesten
Schaltkontakt beweglich gehalten ist. Dieses Schaltelement behält durch
die Wirkung der Gravitationskraft seine Ausrichtung bezüglich der
Vertikalen auch bei Neigungen des Schaltergehäuses bzw. des Werkzeugs bei.
Nach Überschreiten
der Neigungs-Schaltposition bei einem vorgegebenen Relativweg zwischen
dem wenigstens einen mitneigenden Schaltkontakt und dem wenigstens
einen vertikalrichtungsstabilen Schaltelement erfolgt durch eine
dadurch herbeigeführte
Trennung zwischen Schaltelement und Schaltkontakt eine Aus-Schaltung
oder ggf. durch eine dann herbeigeführte Anlageverbindung eine
Ein-Schaltung.
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Durch
Winkelvoreinstellungen bei der Anbringung des Schaltergehäuses können auch
Neigungsabweichungen des Werkzeugs gegenüber dadurch vorgegebene Richtungen,
die nicht vertikal gerichtet sind erfasst und für Sicherheitsabschaltungen genutzt
werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
nach Anspruch 4 weist das Schaltergehäuse oder ein Gehäuseteil
des Neigungsschalters eine Bodenwanne auf, in der beabstandet wenigstens
zwei in wenigstens einem Stromkreis liegende Elektroden als Schaltkontakte
angeordnet sind. Als Schaltelement ist ein elektrisch leitfähiges Fluid
verwendet. In einer ersten Schaltstellung befindet sich das Fluid
in der Bodenwanne, wobei die wenigstens zwei Elektroden in das Fluid
eintauchen und der wenigstens eine zugeordnete Stromkreis über das
leitfähige
Fluid geschlossen ist. In einer dagegen geneigten zweiten Schaltstellung
ist die Bodenwanne gekippt und daraus das Fluid zumindest so weit
abgeflossen, dass wenigstens eine der Elektroden aus dem Fluid austaucht,
so dass der zugeordnete Stromkreis geöffnet und abgeschaltet ist.
Eine solche fluidmechanische Anordnung ist besonders funktionssicher
und einfach herstellbar.
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In
einer weiteren Konkretisierung nach Anspruch 5 soll das die Elektroden
und das Fluid enthaltene Gehäuseteil
ein im Querschnitt ovaler und in einer Horizontalebene flach liegender
Rohrabschnitt sein, in dem von der Unterseite her in den unteren Rohrabschnitt
als Bodenwanne hineinragende Elektrodenstifte angebracht sind. Damit
ergibt sich eine besonders einfache konstruktive Lösung für ein fluidmechanisches
System.
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Um
unzulässige
Neigungsabweichungen gegenüber
einer Vertikalen (Z-Richtung) in der gesamten Horizontalebene (X-Y-Ebene)
erfassen zu können,
sollen gemäß Anspruch
6, insbesondere bei Verwendung rohrförmiger Gehäuseteile, zwei um etwa 90° zueinander
verdrehte, in der Horizontalebene liegende Neigungsschalter verwendet
werden. Gegebenenfalls können
auch mehrere winkelig zueinander versetzte Neigungsschalter benutzt
werden. Die Schaltinformationen der mehreren Neigungsschalter sind
dabei in einer an sich bekannten und/oder Schaltung der Sicherheitsabschaltung
zuzuführen.
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Als
Schaltfluid kann nach Anspruch 7 in an sich bekannter Weise elektrisch
leitfähiges
und tropfenförmig
zusammenhaltendes Quecksilber vorteilhaft verwendet werden.
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Die
o.g. Sicherheitsabschaltung eignet sich allgemein für bewegungsgesteuerte
Werkzeuge unabhängig
davon womit die Bewegung ausgeführt
ist. Ein besonders hohes Gefährdungspotential
kann jedoch von robotergesteuerten Werkzeugen ausgehen, so dass
nach Anspruch 8 die Sicherheitsabschaltung besonders vorteilhaft
dafür verwendbar
ist.
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Anhand
einer Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines bewegungsgesteuerten Laser-Werkzeuges mit einer Sicherheitsabschaltung,
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2 eine
schematische Schnittdarstellung eines Neigungsschalters in einer
ersten Schaltstellung,
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3 eine
schematische Schnittdarstellung des Neigungsschalters in einer zweiten
Schaltstellung,
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4 ein
Funktionsprinzip einer Steuerung eines bewegungsgesteuerten Werkzeuges
in i.O.-Position, und
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5 ein
Funktionsprinzip der Steuerung des bewegungsgesteuerten Werkzeuges
in n.i.O.-Position.
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In 1 ist
ein bewegungsgesteuertes Laser-Werkzeug 1 mit einer Sicherheitsabschaltung 2 schematisch
dargestellt. Die Sicherheitsabschaltung 2 besteht aus einem
Neigungssensor, der in einem Gehäuse 3 angeordnet
ist. Das Gehäuse 3 mit
dem darin befindlichen Neigungssensor ist direkt am Laser-Werkzeug 1 angebracht.
Eine Arbeitsrichtung 4 des Laser-Werkzeuges 1 weist
vertikal nach unten. Mit der gepunkteten Fläche ist ein Wirkraum 5 des Laser-Werkzeuges 1 eingezeichnet.
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Mittels
eines nicht dargestellten bewegungsgesteuerten Roboters ist die
Arbeitsrichtung 4 des Laser-Werkzeuges 1 innerhalb
des Wirkraumes 5 für die
durchzuführenden
Laserarbeiten verschwenkbar. Die Hauptschwenkrichtungen sind mit
den Doppelpfeilen 6 und 7 eingezeichnet. Der in
dem Gehäuse 3 angeordnete
Neigungssensor ist so eingestellt, dass bei Bewegungen innerhalb
des Wirkraumes 5 des Laser-Werkzeuges die Neigungs-Schaltposition
nicht erreicht wird. Bei einer Fehlfunktion bzw. Fehlsteuerung des
Laser-Werkzeuges und einem daraus resultierenden Verlassen der Arbeitsrichtung 4 aus
dem Wirkraum 5 wird die Sicherheitsabschaltung 2 aktiv. D.
h., dass der Neigungssensor aktiviert wird und entweder eine Bewegungs-Steuerung
oder eine Werkzeug-Steuerung, insbesondere die Lasereinschaltung,
oder eine übergeordnete
Prozess-Steuerung abschaltbar ist. Zur Erhöhung der Sicherheit können auch
mehrere der o.g. Steuerungen abgeschalten werden.
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In 2 ist
schematisch eine Schnittdarstellung eines Neigungsschalters 8 in
einer ersten Schaltstellung gezeigt. In einem Gehäuse 3' ist ein im Querschnitt
ovaler und in einer Horizontalebene flach liegender Rohrabschnitt 9 angeordnet.
Die Unterseite des Rohrabschnittes 9 ist als Bodenwanne 10 ausgeführt, in
der sich ein elektrisch leitfähiges
Fluid 11, beispielsweise Quecksilber, befindet. Von unten
ragen zwei Elektroden 12 und 12' in die Bodenwanne 10.
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In
der in 2 dargestellten ersten Schaltstellung tauchen
beide Elektroden 12 und 12' in das elektrische leitfähige Fluid 11 ein.
Dadurch ist der zugeordnete Stromkreis geschlossen. Beim Überschreiten
der Neigungs-Schaltposition ist der Neigungsschalter 8 um
einen Winkel α 13 verschwenkt. Durch
diese Verschwenkung fließt
das elektrisch leitfähige
Fluid 11 aus der Bodenwanne 10, so dass eine der
Elektroden 12' aus
dem Fluid 11 auftaucht. Der zugeordnete Stromkreis ist
somit geöffnet.
Dies ist in 3 dargestellt.
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Mittels
der Anfangslage des Neigungsschalters 8, der Menge des
elektrisch leitfähigen
Fluids 11 und der Eintauchtiefe der Elektroden 12 und 12' ist die für die jeweilige
Sicherheitsabschaltung 2 nötige Neigungs-Schaltposition
einstellbar. Durch das Öffnen
des zugeordneten Stromkreises der beiden Elektroden 12 und 12' ist die Bewegungs-Steuerung,
die Werkzeug-Steuerung und/oder die übergeordnete Prozess-Steuerung
abschaltbar.
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In 4 ist
eine Funktionsprinzip einer Steuerung eines bewegungsgesteuerten
Werkzeuges in i.O.-Position dargestellt. Durchgezogene Pfeile kennzeichnen
einen Signalfluss, strichlierte Pfeile kennzeichnen einen Energiefluss.
Eine Prozess-Steuerung 14 ist in eine Roboter-Steuerung 15 und
eine Werkzeug-Steuerung 16 unterteilt.
Mittels der Roboter-Steuerung 15 bzw. der Bewegungs-Steuerung wird
ein Roboter 17 gesteuert und damit die Lage 18 des
Werkzeuges 19 je nach Anforderung der durchzuführenden
Arbeit des Werkzeuges 19 verändert. Mit der Werkzeug-Steuerung 16 werden
Betriebs-Parameter 20 des Werkzeuges 19 verändert bzw.
je nach Anforderung der Arbeit des Werkzeuges 19 angepasst.
Eine direkt am Werkzeug 19 befindliche Sicherheitsabschaltung 21 mit
integrierten Neigungsschalter überwacht
die Lageänderungen
des Werkzeuges 19.
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Ein
vorgegebener Ausrichtungsbereich des Werkzeuges 19 wird
von dem Neigungsschalter 21 als i.O.-Position detektiert.
Befindet sich das Werkzeug 19 innerhalb dieses Ausrichtungsbereichs
sind keine Fehlfunktionen innerhalb der Steuerung des bewegungsgesteuerten
Werkzeuges 19 vorhanden und darausfolgend bleibt der Neigungsschalter 21 inaktiv.
Wird die Neigungs-Schaltposition
des Werkzeuges 19 überschritten,
d. h der vorgegebene Ausrichtungsbereich des Werkzeuges 19 wird
verlassen, wird der Neigungsschalter 21 aktiviert. Der
Signal- bzw. Energiefluss zwischen der Roboter-Steuerung 15 und
dem Roboter 17 und/oder zwischen der Werkzeug-Steuerung 16 und
den Betriebs-Parametern 20 des Werkzeuges 19 werden
unterbrochen. Ebenso kann direkt die Prozess-Steuerung 14 unterbrochen werden.
Dies ist mit den Signalpfeilen 22 und 22' in 5 eingezeichnet.
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Um
das Werkzeug 19 abzuschalten reicht eine der o.g. Unterbrechungen
von Steuerungen aus, zur Erhöhung
der Sicherheit können
aber grundsätzlich
mehrere oder alle Steuerungen unterbrochen werden.