-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Detektieren von optischer
Strahlung, wie Laserstrahlung, in einem definierten Teilvolumen
einer Schutzeinhausung, wobei die optische Strahlung von einem Empfänger detektiert
wird, der mit einer von einem Sender emittierten Referenzstrahlung
beaufschlagt wird. Auch nimmt die Erfindung Bezug auf eine Anordnung
zum Detektieren des Eindringens einer optischen Strahlung, insbesondere
einer kontinuierlichen oder gepulsten Laserstrahlung, in einem von
zwei Wandungen einer Einhausung eines Schutzwandsystems begrenzten
Teilvolumen, in dem zumindest ein Empfänger zum Detektieren der Strahlung
angeordnet ist, der mit einer Auswerteschaltung verbunden ist,
-
Moderne
Hochleistungslaser werden in der industriellen Fertigung zur Materialbearbeitung
eingesetzt. Portalanlagen und Robotersysteme erlauben dem Anwender
eine maximal flexible Führung der
Laserstrahlung zum Werkstück.
Kann die Laserenergie in Lichtwellenleitern zum Bearbeitungsort
geführt
werden, wird die Dynamik dieser Systeme noch wesentlich erhöht. Zur
Sicherung von Leib und Leben werden passiv wirkende (absorbierende)
Schutzwände,
meist aus Metall, mit einfachen oder mehrfach hintereinander angeordneten
Platten um den Laserbereich aufgebaut, die so genannten Einhausungen. Innerhalb
dieser Schutzwände
tritt Laserstrahlung mit extrem hoher Energiedichte auf. Durch das
Bearbeiten der Werkstücke
kommt es zusätzlich
zu unkontrollierten Reflexionen. Direkte oder indirekte Laserstrahlung,
im schlimmsten Fall der Rohstrahl, trifft auf die Umhausung, die
ihrerseits die Aufgabe hat, Personen außerhalb vor der Strahlung zu
schützen. Je
nach Betriebsart der Laseranlage muss dieser Schutz für einen
Zeitraum t gewährleistet
sein, z.B., bis der Bediener der Anlage den Fehler bemerkt und diese
stillsetzen kann. Durch die hohe Laserenergie und die oft geringen
Abstände
zur Schutzwand wird dieser Zeitraum t bis zur Abschaltung immer
geringer, oder die Materialanforderungen an die Einhausung immer
anspruchsvoller. Ausschließlich
passive Schutzwände
sind daher nur bedingt zur Absicherung von Personen geeignet.
-
Die
Patentveröffentlichungen
DE-C-100 17 284 ,
DE-A-103 25 906 ,
DE-C 196 29 037 betreffen rein
den passiven Schutz durch verschiedene Ausführungen der Oberflächenbeschaffenheiten
bzw. der Zwischenräume
der Wände.
Es werden die unterschiedlichen Wärmeleiteigenschaften oder das
Reflexionsvermögen
zur Realisierung der passiven Strahlensicherheit genutzt. In der
Praxis sind die Oberflächen
der Schutzwände
jedoch bereits nach kurzer Zeit durch Öl, Schmutz und Staub dermaßen verunreinigt,
dass die ursprünglichen
Eigenschaften der Schutzvorrichtungen nicht mehr gegeben sind.
-
DE-C-36 38 874 beschreibt
ein aktives Verfahren, wobei die dem Laser zugewandte Innenwand, ähnlich einer
Schmelzsicherung, mit einem elektrisch aktiven Leiter ausgerüstet ist.
Gegenüber dem
hier beschriebenen Verfahren ist eine sichere Funktion dabei nur
gegeben, wenn die Innenwand in ihrem Absorptionsverhalten exakt
auf die Laserwellenlänge
abgestimmt ist und zusätzlich
eine elektrisch aktive Sicherung enthält. Um dieses System z.B. für Faserlaser
mit sehr kleinem Strahldurchmesser verwenden zu können, müsste der
elektrische Leiter in sehr engen Mäandern in die Wand eingebettet
sein, was einen hohen konstruktiven und kostenintensiven Aufwand
bedeutet.
-
DE-U-89 08 806 beschreibt
ein zu dem oben Beschriebenen, nahezu identisches Verfahren.
-
DE-A-199 40 476 beschreibt
ein aktives Verfahren zur Erkennung optischer Strahlung mittels
beliebiger Sensoren. Jedoch ist in diesem Verfahren die Ausführung der
Schutzwand ein wesentlicher Bestandteil der Funktion. Die Verwendung
von Wärmesensoren
an der dem Laser zugewandten Wand erfordert, je nach den Wärmeleiteigenschaften
des Wandmaterials eine nicht unerhebliche Anzahl von Sensoren für eine sichere
Abschaltung. Die beschriebene Variante mit optischen Sensoren und
einer mit Folie ausgestatteten Lochblechwand innen erfordert wiederum
speziell konstruierte Wandelemente.
-
Im
Gegensatz zum Stand der Technik wird hier ein aktives, elektronisches
Verfahren vorgestellt welches unabhängig von der Schutzeinhausung
und deren Material, die optische Strahlung als Störung eines
Referenzsignals erkennt und im Fehlerfall sehr schnell zur Abschaltung
der Quelle führt.
-
Aus
der
EP-B-0 321 965 sind
eine Anordnung sowie ein Verfahren zum Detektieren einer Laserstrahlung
bekannt, die aus einem Arbeitsbereich austritt. Hierzu wird der
Arbeitsbereich von einer Wand umgeben, in der ein Detektor angeordnet
ist, über
den die Illumination gemessen wird, die durch auf die Wand auftreffende
Laserstrahlung erzeugt wird. Zur Überprüfung des Sensors ist in einem
die Aussparung umgebenden Gehäuse
ein Photoemitter angeordnet, dessen Strahlung von dem Empfänger zur Überprüfung dessen
Funktion empfangen wird.
-
Ein
Sicherheitssystem zur Überprüfung von Laserstrahlen
ist der
GB-A-2 171 513 zu
entnehmen. Dabei wird der Laserstrahl mittels eines Empfängers detektiert.
Zur Überprüfung der
Funktionstüchtigkeit des
Empfängers
ist eine Infrarotlichtquelle vorgesehen, dessen Strahlung von dem
Empfänger
erfasst wird.
-
Der
Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, ein aktives Verfahren
und eine Anordnung zur Erkennung des Versagens der inneren Schutzwand
sicher zu ermöglichen
und entsprechend auszuwerten. Das Verfahren soll unabhängig von
der Konstruktion der Schutzwand und dem dafür verwendeten Material und
kann so in vorhandene Systeme beliebig nachgerüstet werden.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Sender und der
Empfänger
in einem definierten Teilvolumen zwischen zwei die Schutzeinhausung
bildenden Wandungen angeordnet werden, dass im Bereich der zu detektierenden
Strahlung eine modulierte und/oder codierte Strahlung als Referenzstrahlung
von dem Sender erzeugt wird und dass eine Störung des Musters der modulierten und/oder
codierten Strah lung als Eindringen der zu detektierenden Strahlung
in das Teilvolumen gewertet wird.
-
Eine
erfindungsgemäße Anordnung
zeichnet sich dadurch aus, dass in dem begrenzten Teilvolumen ein
Sender zum Emittieren einer Referenzstrahlung angeordnet ist, die über einen
mit dem Sender verbundenen Generator erzeugbar ist, dass der Generator
ein Code- und/oder Modulationsmuster für die von dem Sender im Wellenlängenbereich
der zu detektierenden Strahlung emittierten Strahlung erzeugt, dass
der Generator mit der Auswerteelektronik verbunden ist und dass
die Auswerteelektronik das Code- und/oder Modulationsmuster mit
der von dem Empfänger
empfangenen Strahlung vergleicht und bei gestörtem Code- und/oder Modulationsmuster
die zu detektierende Strahlung abschaltet.
-
Die
Erfindung betrifft ein elektronisch aktives Verfahren und eine Anordnung
zur Erkennung von kohärenter
(Laser-) und/oder inkohärenter
(LED-) Strahlung in einem beliebigen Schutzwandsystem aus mindestens
zwei absorbierenden Wandelementen. Die Erfindung dient dem Schutz
vor gefährlicher optischer
Strahlung außerhalb
des Einhausungsbereiches durch aktive Überwachung der passiven Schutzelemente
mittels Sensoren. Das System ist sicherheitsgerichtet ausgelegt
und kann in vorhandene Einhausungen nachgerüstet werden.
-
Auf
der Erkenntnis des Absorptionsverhaltens des Schutzwandmaterials
aufbauend besteht die erfinderische Idee darin, dass die Zerstörung der inneren
Schutzwand der Schutzeinhausung zunächst billigend in Kauf genommen
wird. Hat die Laserstrahlung die erste Schutzschicht durchbrochen, kommt
es im Innen raum zwischen den beiden Wandelementen zu einer hohen
Strahlungsleistung, gestreut und/oder gerichtet, der verwendeten
Laserenergie. Optisch empfindliche Sensoren erkennen diese Strahlung
als Störung
des Puls- oder Codemusters der Strahlung eines Senders und das Ergebnis wird
entsprechend ausgewertet und umgesetzt. Dabei kann das so gewonnene
Signal zur automatischen, sicherheitsgerichteten Notabschaltung
einer Laseranlage verwendet werden.
-
Die
Dauer für
die Erwärmung
und die Ausbreitung der Wärmeenergie
im Schutzmaterial ist für das
Detektieren der Strahlung unerheblich. Ebenso ist es nicht von Bedeutung,
welches Wandmaterial verwendet wird oder welchen Grad an Verschmutzung
die Oberfläche
aufweist.
-
Die
erfindungsgemäße Lehre
ermöglicht, dass
sich nahezu alle vorhandenen Doppelwandschutzeinhausungen mit diesem
System nachrüsten lassen.
-
Zur
Vermeidung von Fehlfunktionen zum Beispiel durch Streu- oder Tageslicht
besteht die Möglichkeit,
die Sensoren mit entsprechenden Filtern auf einen zu detektierenden
Wellenlängenbereich einzuschränken.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist sicherheitsgerichtet und ermöglicht
eine Überwachung
der Sensoren auf ihren technisch einwandfreien Zustand zu jeder
Zeit. Hierzu werden die Sensoren mit Hilfe von niederenergetischen
Strahlungsquellen mit modulierter und/oder codierter Strahlung dauerhaft
beaufschlagt. Das Gebersignal wird hierbei sowohl auf elektrischem
Wege (Ausgang, Sollwert) als auch auf optischem Wege (Eingang, Istwert)
verglichen (zweifache Rückkopplung).
Nur wenn die Modulation und/oder Codierung auf beiden Kanälen identisch
ist, bleibt die Auswerteelektronik im aktiven Zustand (keine Störung detektiert).
Eine sicherheitsgerichtete Ausführung
der Elektronik (Stand der Technik) garantiert eine Fehlermeldung
bei elektrischem oder elektronischem Versagen (Bauteile, Spannungsversorgung,
Kabelbruch etc.).
-
Basierend
auf den oben beschriebenen Ausführungen
besteht die erfindungsgemäße Fehlererkennung
darin, dass Laser- oder andere optische Strahlung, die in den Zwischenraum
der Schutzeinhausung eindringt und dem zu detektierenden Wellenlängenbereich
entspricht, auf jeden Fall zu einer Störung des Puls- oder Codemusters
des Sensorsystems führt
und damit sofort ein Auslösen
des Sicherheitskreises folgt (z.B. Abfall eines Relais).
-
Das
beschriebene Verfahren ist sowohl für kontinuierliche Laserstrahlung
als auch für
gepulste Systeme gleichermaßen
geeignet.
-
Es
besteht auch die Möglichkeit,
die in sich sicherheitsgerichteten elektronischen Auswerteeinheiten
so zu gestalten, dass eine beliebige Kaskadierbarkeit entsteht.
Dies ist eine wesentliche Voraussetzung, um beliebig viele Wandelemente
miteinander verknüpfen
zu können
oder den Aufbau mehrerer Sicherheitskreise (Zonen) in einem System
zu realisieren.
-
Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines der Zeichnung zu entnehmenden
bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
Prinzipdarstellung eines Abschnitts einer Einhausung mit Sender
und Empfänger
und
-
2 ein
Blockschaltbild.
-
1 zeigt
in einer schematischen Darstellungsweise das erfindungsgemäße Verfahren,
bei dem verschiedene Strahlungsquellen (4a, 5a, 6a)
innerhalb eines Teilvolumens einer Schutzwand aus zwei Platten (inneres
Wandelement 2, äußeres Wandelement 1)
derart angeordnet sind, dass die emittierte Strahlung mit einer
Wellenlänge λ1 auf
verschiedene, in diesem Beispiel gegenüberliegende Sensoren (4b, 5b, 6b)
trifft. Zum Schutz vor Fremdstrahlung sind vor den Detektoren Filter
angebracht, die den Empfangsbereich auf ein Wellenlängenband λ2 = λ1 ± Δλ begrenzt. λ1 soll
hierbei nahe der zu detektierenden Laserstrahlung sein.
-
2 zeigt
in Form eines Blockschaltbildes eine mögliche Funktion der elektronischen
Auswertungseinheit. Der Sender 6a wird mit einer Modulation 7 beaufschlagt
und emittiert Strahlung mit diesem Modulationsmuster. Das Signal
des Generators 3 wird elektrisch direkt auf die Auswertelektronik 4 geleitet
(Rückkoppelung).
Das Signal des Empfängers 6b wird über einen
weiteren Ein gang auf die Auswerteelektronik 4 geschaltet.
Die Auswerteelektronik 4 vergleicht die Modulationsmuster 7 vom
Generator 3 mit dem Empfängersignal. Wird im Volumen
ausschließlich
Strahlung mit dem generierten Modulationsmuster detektiert gibt
die Auswertelektronik die Laseranlage frei. Dringt, z.B. nach Zerstörung der
inneren Schutzwand 2 Laserstrahlung 5 in das Teilvolumen
ein, wird das Modulationsmuster gestört. Dies geschieht unabhängig davon,
ob es sich bei der eindringenden Strahlung um kontinuierliche oder
gepulste Strahlung handelt. Die Auswerteelektronik erkennt nun einen
signifikanten Unterschied zwischen dem rückgekoppelten Sollwert und
dem detektierten Istwert. Es kommt zu einer Fehlermeldung, die einen Notstopp
der Laseranlage auslöst.