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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Sicherheitsvorrichtung zur Steuerung und Absicherung einer Maschine, insbesondere einer Biegepresse, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise 11.
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Bei den zu überwachenden Maschinen handelt es sich um Gesenkbiegepressen, Scheren, Stanzen und ähnliche Maschinen zum Biegen, Abkanten, Schneiden oder Stanzen von Werkstücken, etwa von Blechteilen. Dabei wird ein erstes Werkzeugteil, welches eine langgestreckte Biegelinie oder Schnittkante besitzt, während seiner Arbeitsbewegung vertikal nach unten gegen ein feststehendes zweites Werkzeugteil bewegt, an dem das Werkstück anliegt oder aufliegt. Bei einer Biegepresse beispielsweise erfolgt dann die Umformung des Werkstücks dadurch, dass das Werkstück mit einem Biegestempel des ersten Werkzeugteils gegen eine Matrize des zweiten Werkzeugteils gepresst wird. Die gewünschte Formgebung lässt sich durch entsprechende Ausbildung des Biegestempels und der Matrize erreichen. Prinzipiell sind die Rollen der Werkzeugteile austauschbar, es kann beispielsweise auch eine Bewegung eines Werkzeugteils von unten nach oben erfolgen und kommt in erster Linie auf die Relativbewegung an.
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Der notwendige Bewegungsablauf der Werkzeugteile während der Arbeitsbewegung hängt von dem zu bearbeitenden Werkstück und der zu erzielenden Bearbeitung ab. Dieser Bewegungsablauf wird von einer Steuerung der Maschine gesteuert und ist dort beispielsweise in Form eines Biegeprogramms hinterlegt. Dabei kann die Bewegung zusätzlich durch eine Bedienperson ausgelöst oder unterbrochen werden, zum Beispiel mit Hilfe eines Fußschalters.
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Für jeden Bearbeitungsvorgang muss zunächst das zuvor bearbeitete Werkstück manuell durch die Bedienperson entnommen und das neu zu bearbeitende Werkstück in den Öffnungsspalt zwischen den Werkzeugteilen eingeführt werden. Dabei besteht während des Schließens des Öffnungsspalts in der Arbeitsbewegung der Maschine eine erhebliche Unfallgefahr für die Bedienperson, insbesondere die Gefahr von Quetschungen oder sogar Abtrennung der Hand oder des Armes. Um solche Unfälle zu vermeiden, überwacht ein optoelektronischer Sensor ein Schutzfeld, welches innerhalb des Öffnungsspalts angeordnet ist. Sobald dieser Sensor einen unzulässigen Eingriff erkennt, etwa durch einen nicht rechtzeitig aus dem Öffnungsspalt herausgenommenen Arm, wird ein Abschaltsignal an die Maschine ausgegeben, welches sofort zu einem Notstopp führt.
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Aus der
DE 103 53 353 A1 ist ein derartiger Sensor bekannt, bei dem ein Lichtstrahl den Öffnungsspalt längs der Unterkante des Oberwerkzeugs durchquert und dann auf einen Matrixempfänger trifft. Schutzfeldeingriffe werden durch Auswertung der von dem Matrixempfänger erzeugten Bilder erkannt. Dabei wird das Schutzfeld in verschiedenen Phasen der Arbeitsbewegung dynamisch angepasst, nämlich in seiner Höhenausdehnung reduziert, sobald der Öffnungsspalt sich bis zu einem bestimmten Grad geschlossen hat. Bis zu einem sogenannten Umschaltpunkt, der erreicht ist, sobald ein Schutzfeld einer vorgegebenen Höhenausdehnung nicht mehr vollständig in den Öffnungsspalt passt, kann eine schnelle Arbeitsbewegung ausgeführt werden. Das weitere Absenken erfolgt in einer langsameren Schließgeschwindigkeit. Kurz oberhalb des sogenannten Klemmpunktes, an dem das Oberwerkzeug in Kontakt mit dem Werkstück kommt, wird der optische Sensor deaktiviert (Muting). Zu diesem Zeitpunkt ist der Öffnungsspalt so klein, beispielsweise gemäß Normierungsanforderungen 6 mm, dass ohnehin kein Finger als kleinstes denkbares Körperteil mehr hineinpassen würde.
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Der Sensor bietet überdies verschiedene Schutzfeldmodi, in denen die geometrische Gestalt der Schutzfelder entsprechend den zu bearbeitenden Werkstücken umgeschaltet wird. Beispiele hierfür sind Kastenbiegen, wo also das Werkstück bereits eine Querschnittskontur aufweist und eine weitere Kante zu biegen ist, oder Anschlagbiegen, wo das Werkstück gegen einen Anschlag geführt wird, der ebenfalls innerhalb des Sichtbereichs des Sensors liegt. In diesen Schutzfeldmodi werden Teilbereiche des Schutzfeldes deaktiviert, damit nicht die gewollten Unterbrechungen des Schutzfeldes durch den Kasten oder den Anschlag in dem Öffnungsspalt zu einer Abschaltung führen.
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Der herkömmliche Sensor ist auf eine sehr autarke Funktionserfüllung bei einer minimalen Maschinenschnittstelle ausgerichtet. Um die genannten Funktionen zu erfüllen, ermittelt der Sensor selbsttätig eine Reihe von Zustandsinformationen über die gefährliche Schließbewegung und hält eine Reihe interner Steuerungsinformationen vor. Diese Informationen müssen zumindest teilweise vorab eingelernt oder konfiguriert werden. Dies führt nicht nur zu Zusatzaufwand, sondern möglicherweise auch zu Abweichungen zwischen der eingelernten und der tatsächlichen Situation. Davon ist insbesondere die Wahl des Schutzfeldmodus und die Lage des Klemmpunkts betroffen. Weiterhin beobachtet der Sensor eine Reihe von Systemzuständen, die andere Steuerungselemente beeinflussen oder regeln und die sich in Abhängigkeit von der tatsächlich ausgeführten Arbeitsbewegung ändern. Dies führt zu Inkonsistenzen zwischen der internen Erwartungshaltung des Sensors und der Steuerungsrealität und damit zu unnötigen und unerwünschten sicherheitsgerichteten Abschaltungen, welche den Arbeitsablauf verzögern.
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Die
EP 0 871 836 B1 beschreibt einen weiteren herkömmlichen Sensor, der aus drei mit dem Oberwerkzeug mitbewegten Lichtschranken besteht. Zusätzlich sind Positionsverarbeitungsmittel vorgesehen, welche die tatsächliche Bewegung des beweglichen Werkzeugteils mit einer vorgegebenen Bewegung vergleicht und die Bewegung bei Abweichungen anhält. Die beiden Systeme, also Sensor und Positionsverarbeitungsmittel, arbeiten unabhängig nebeneinander, und eine Kommunikation untereinander findet nicht statt. Da der Sensor aus einfachen Lichtschranken besteht, fehlt ihm auch die Komplexität, um überhaupt mehr als einfachste Informationen wie ein Stillsetzen des Sensors oder ein Abschaltsignal bei unterbrochenem Lichtstrahl zu erzeugen oder zu verarbeiten.
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Der herkömmliche Bewegungsablauf weist Unregelmäßigkeiten auf, die ihn verlangsamen. Wie oben schon im Zusammenhang mit der
DE 105 53 353 A1 kurz diskutiert, wird die Arbeitsbewegung bei Erreichen des Umschaltpunkts verlangsamt. Gemäß der
EP 0 871 836 B1 wird an einem sogenannten Mutingpunkt, kurz vor Erreichen des Klemmpunkts, die Bewegung angehalten und muss durch den Fußschalter freigegeben werden. Der Sensor muss diese besonderen Punkte im Bewegungsablauf kennen, und dies kostet Konfigurationsaufwand. Außerdem entstehen in der Arbeitsbewegung wegen der genannten Unregelmäßigkeiten an sich unnötige Verzögerungen.
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Daher ist Aufgabe der Erfindung, eine Absicherung derartiger Maschinen zu ermöglichen, welche die Abläufe optimiert und die Produktivität verbessert.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Steuerung und Absicherung einer Maschine gemäß Anspruch 1 und durch eine entsprechende Sicherheitsvorrichtung gemäß Anspruch 11 gelöst. Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, gezielt von der bisherigen strikten Trennung zwischen Steuerung und Absicherung der Maschine abzuweichen. Da an den Maschinen zunehmend einfache Relais-Steuerungen durch komplexere Steuerungen ersetzt werden, besteht die Möglichkeit, zusätzliche Informationen auszutauschen. Es entsteht eine integrierte Lösung, bei der die Absicherung das Steuerungsprogramm oder Biegeprogramm der Steuerungseinheit der Maschine ausnutzt.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass eine hohe Integration von Maschine und Absicherung ermöglicht wird. Dabei werden Nebenzeiten geringer, also beispielsweise Aufwände für die Konfiguration. Zugleich wird die Maschine produktiver, denn es ist möglich, eine glattere, beschleunigte Arbeitsbewegung mit längeren Phasen maximaler Arbeitsgeschwindigkeit (EIL-AB) durchzuführen. Änderungen an der Arbeitsbewegung erfordern, anders als bei herkömmlichen Systemen, keine Nacheinstellungen am Sensor. Ein Einlernen des Sensors ist nicht erforderlich. Die Bedienpersonen können sich allein auf den Arbeitsablauf, also beispielsweise den Biegeprozess selbst konzentrieren, da der Sensor sich aufgrund der Steuerungsdaten automatisch auf neue Situationen einstellt. Unnötige Notstopps der Maschine wegen fehlender Übereinstimmung der Erwartungshaltung des Sensors und der tatsächlichen Situation entfallen. Dies führt zu weniger Stillstandszeiten, geringen Nachlaufwegen und insgesamt zu einer hohen Verfügbarkeit. Dabei reduziert sich auch der Verschleiß der Bremsbauteile zur Ausführung des Notstopps.
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Die gesamte Arbeitsbewegung wird in der Steuerungseinheit ohnehin geplant, konfiguriert, ausgeführt und soweit erforderlich überwacht. Das hat zunächst mit der Sicherheitsfunktion des Sensors nichts zu tun, sondern dient dem gewünschten Arbeitsergebnis an dem Werkstück. Die Erfindung nutzt diese Informationen für die Absicherung durch den Sensor. Dabei wird der Sensor für seine Kernfunktion eingesetzt, nämlich die Schutzfeldüberwachung, und von zusätzlichen Aufgaben entlastet, die ohnehin redundant zu der Steuerungseinheit ausgeführt würden. Alle diese zusätzlichen Aufgaben verbleiben in der Steuerungseinheit, welche die notwendigen Informationen mit dem Sensor über die sichere Schnittstelle austauscht. Die herkömmliche Abweichung zwischen interner Erwartungshaltung des Sensors und dem tatsächlichen Arbeitsablauf entfällt.
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Durch die Steuerungsdaten wird bevorzugt ein Schutzfeldmodus des Sensors eingestellt, wobei sich die Schutzfeldmodi in der Geometrie des Schutzfeldes unterscheiden. Beispielsweise ist je ein Schutzfeldmodus für Vollüberwachung, Kastenbiegen oder Anschlagbiegen vorgesehen. Eine Schutzfeldumstellung durch die Bedienperson ist damit nicht mehr erforderlich. Damit sind zugleich Fehlbedienungen ausgeschlossen, denn die übrigen Schutzfeldmodi bieten gegenüber einer Vollüberwachung nur geringere Sicherheit und sollten deshalb nur dann verwendet werden, wenn es unumgänglich ist. Aufgrund der Übergabe als Steuerungsdaten passt der eingestellte Schutzfeldmodus automatisch zu dem aktuellen Arbeitsablauf und der Arbeitsbewegung.
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In dem Sensor wird durch die Steuerungsdaten bevorzugt ein Klemmpunkt eingestellt. Ein mit umfasster Sonderfall des Klemmpunkts ist ein virtueller Klemmpunkt, an dem zwar das Werkzeug das Werkstück noch gar nicht berührt, dies aber in dem von dem Sensor aufgenommenen Schattenriss so scheint. Der Klemmpunkt ist zum Beispiel deshalb relevant, weil kurz oberhalb des Klemmpunktes die Absicherungsfunktion des Sensors deaktiviert wird. Außerdem erstreckt sich das Schutzfeld jeweils nur bis kurz vor den Klemmpunkt, weil das Werkstück selbst einen Eingriff in ein über den Klemmpunkt hinaus reichendes Schutzfeld darstellen würde. Da der Klemmpunkt durch die Übergabe an der sicheren Schnittstelle genau bekannt ist, werden Klemmpunktverluste vermieden. Damit ist gemeint, dass herkömmlich der Sensor die Lage des Klemmpunkts nicht in allen Situationen erkennen kann, beispielsweise im Falle einer Innenbiegung, und deshalb mit dem virtuellen Klemmpunkt arbeiten muss. Durch die Übergabe an der sicheren Schnittstelle entfällt somit einerseits die Notwendigkeit, den Klemmpunkt einzulernen, und andererseits die Gefahr, dass der eingelernte und der tatsächliche Klemmpunkt differieren.
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Dem Sensor wird bevorzugt durch die Steuerungsdaten ein Mutingbefehl gegeben. Dies kann in Form einer direkten Anweisung geschehen, um für den Sensor nicht vorhersehbare Sonderfälle der Werkstückbearbeitung zu behandeln. Besonders bevorzugt ist, wenn der Sensor ein Muting anhand einer in den Steuerungsdaten übergebenen Position und Geschwindigkeit des ersten Werkzeugteils und eines Klemmpunkts einleitet. Somit erhält der Sensor die relevanten Informationen von der Steuerung, leitet aber den konkreten Mutingbefehl selbst ab. Während des Mutings muss die Absicherung auf andere Weise erfolgen, beispielsweise durch reduzierte Arbeitsgeschwindigkeit. Dazu gibt der Sensor Mutinginformationen an die Steuerungseinheit zurück, beispielsweise warum und bis zu welchem weiteren Ereignis die Absicherungsfunktion gemutet ist.
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Dem Sensor werden durch die Steuerungsdaten bevorzugt Informationen über die Position, Bewegungsrichtung und/oder Geschwindigkeit des ersten Werkzeugteils gegeben. Damit entfällt die Notwendigkeit, derartige Informationen aus den Sensordaten ableiten zu müssen oder zusätzliche Positionssensoren zu verwenden. Der Sensor kann auf die Informationen reagieren, beispielsweise durch Deaktivieren der Sicherheitsfunktion während der ungefährlichen Aufwärtsbewegung des ersten Werkzeugteils oder dynamische Schutzfeldanpassungen an die tatsächliche Arbeitsbewegung.
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Der Sensor übergibt der Steuerungseinheit bevorzugt über die sichere Schnittstelle Sensordaten, insbesondere das Absicherungssignal oder die von dem Sensor ermittelte Position eines Klemmpunktes. Mit Sensordaten sind hier in aller Regel verarbeitete Sensordaten gemeint, obwohl im Einzelfall für Diagnosezwecke auch denkbar ist, Rohdaten zu übertragen. Das Absicherungssignal ist ein besonderes Beispiel verarbeiteter Sensordaten, denn es ist Ergebnis der Kernfunktion des Sensors und für die Steuerungseinheit wichtig, da der Arbeitsablauf dadurch mit höchster Priorität unterbrochen oder abgebrochen wird. Die Information über die Position des Klemmpunkts erhält der Sensor in einer bevorzugten Ausführungsform von der Steuerungseinheit. Der Sensor kann den Klemmpunkt aber auch selbst anhand seiner Sensordaten ermitteln und so eine Rückmeldung über dessen Lage geben. Dadurch lässt sich beispielsweise die Lage des Klemmpunkts verifizieren, nachregeln oder sonst in der Steuerungseinheit weiterverarbeiten.
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Das Schutzfeld wird bevorzugt während der Arbeitsbewegung an den Öffnungsspalt angepasst. Nochmals bevorzugt wird dabei anfänglich eine maximale Höhe verwendet, und mit fortschreitender Arbeitsbewegung erfolgt eine Anpassung an den Öffnungsspalt. Zu Beginn der Arbeitsbewegung muss auf diese Weise nicht der gesamte Öffnungsspalt, sondern nur ein relevanter Teil als Schutzfeld überwacht werden. Gegen Ende der Arbeitsbewegung hat dann das Schutzfeld jeweils eine größtmögliche Ausdehnung, was zu einer entsprechend hohen Sicherheit führt. Da die untere Grenze des so dynamisch angepassten Schutzfeldes gegen Ende der Arbeitsbewegung durch die Lage des Klemmpunkts bestimmt wird, ist besonders vorteilhaft, dass der Sensor diese Lage über die sichere Schnittstelle ganz genau kennt. Das Schutzfeld ist somit optimal in die tatsächlichen Gegebenheiten eingepasst.
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Steuerungseinheit und Sensor werden bevorzugt über eine gemeinsame Benutzerschnittstelle, insbesondere eine grafische Benutzerschnittstelle, konfiguriert, wobei die Konfiguration insbesondere die Planung der Arbeitsbewegung, die Wahl eines Schutzfeldmodus und/oder die Einstellung eines Klemmpunkts umfasst. Zumeist erfolgt die Biegeplanung zunächst offline und unabhängig von der Maschine, so dass die Benutzerschnittstelle beispielsweise Teil eines CAD-Planungssystems ist. Die Steuerungseinheit besitzt in diesem Fall nur eine Schnittstelle, um die Ergebnisse der Planung aufzuspielen. Über die gemeinsame Benutzerschnittstelle wird somit die Arbeitsbewegung komfortabel und unter Einbeziehung der erforderlichen Absicherung geplant. Die Benutzerschnittstelle kann beispielsweise zunächst ohne Rücksicht auf Sicherheitsaspekte die Konfiguration von Ausrichtung und Ausdehnung von Werkstücken, Biegeparametern und dergleichen erlauben. Dies wird visualisiert und in diesem Kontext die Möglichkeit gegeben, die sicherheitsrelevanten Einstellungen vorzunehmen, beispielsweise die Wahl des Schutzfeldmodus oder die Einstellung eines virtuellen oder tatsächlichen Klemmpunkts. Dabei kann die Benutzerschnittstelle auch automatisiert arbeiten oder gezielte Vorschläge für eine geeignete Konfiguration des Sensors anbieten.
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Die Benutzerschnittstelle umfasst bevorzugt eine Zustandsanzeige. Darin werden beispielsweise das aktuelle Biegeprogramm, der aktuelle Schutzfeldmodus und dergleichen visualisiert. Zugleich kann die Benutzerschnittstelle eine Hilfefunktion und Möglichkeiten zur Störungsbeseitigung anbieten.
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Der Sensor sendet bevorzugt zu einer Seite des ersten Werkzeugteils ein Lichtbündel parallel zu dem ersten Werkzeugteil aus und erzeugt an der anderen Seite des ersten Werkzeugteils ein pixelaufgelöstes Bild eines Schattenwurfs von einem Querschnitt des ersten Werkzeugteils und dessen Umgebung. Mit einem solchen Überwachungsverfahren ist eine besonders einfach zu handhabende, komfortable und sichere Absicherung der Maschine möglich.
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Die erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung zur Steuerung und Absicherung einer Maschine ist dafür ausgebildet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Dabei weist bevorzugt der Lichtsender eine Optik auf, so dass das Lichtbündel auf Höhe des Lichtempfängers einen Lichtfleck bildet, der in etwa der Fläche des Lichtempfängers entspricht und/oder der Sensor ist eine sichere Kamera, deren Lichtempfänger einen pixelaufgelösten Matrixbildsensor aufweist. Ein solcher Lichtsender erzeugt in der Regel ein Lichtbündel mit einem kreisförmigen Querschnitt. Dieser Kreis sollte im Idealfall die Fläche des Lichtempfängers gerade so einschließen. Abweichungen in beiden Richtungen sind aber zulässig, solange man den Nachteil der nicht ausgenutzten Pixel des Bildsensors oder der verlorenen Sendeenergie zugunsten nicht allzu genauer Justierungsanforderungen an den Sensor beziehungsweise zugunsten eines Vibrationsausgleichs in Kauf nimmt. Es ist nicht unbedingt erforderlich, sämtliche Pixel des Bildsensors auszuwerten, solange die ausgewertete Teilmenge der Pixel noch genügend Bildinformation für die Gewährleistung der Sicherheitsfunktion enthält.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
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1 eine schematische Frontansicht einer Gesenkbiegepresse;
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2 einen schematischen Querschnitt durch die beiden Werkzeuge und das Werkstück in der Gesenkbiegepresse gemäß 1 zur Erläuterung von Schutzfeld und diversen Punkten in der Arbeitsbewegung der Werkzeuge;
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3 eine Darstellung ähnlich 2 in einem Kastenbiegemodus;
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4a–c Darstellungen ähnlich 2 in verschiedenen Stadien des Kastenbiegens zur Erläuterung von Klemmpunkt und virtuellem Klemmpunkt; und
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5 eine Blockdarstellung der Verbindungen zwischen einer abzusichernden Maschine, deren Steuerung und einem Sensor zur Absicherung.
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1 zeigt eine Gesenkbiegepresse 10 in einer Frontalansicht. Die Erfindung wird am Beispiel der Gesenkbiegepresse 10 erläutert, ist aber nicht auf Biegepressen im engeren Sinne begrenzt und kann ebenso bei Abkantpressen, Stanzmaschinen, Schneidemaschinen und anderen Maschinen verwendet werden, bei denen eine gefahrbringende Arbeitsbewegung mit zwei gegeneinander bewegten Maschinenteilen ausgeführt wird.
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Die Gesenkbiegepresse 10 besitzt einen Pressbalken 12, der zu einer Arbeitsbewegung vertikal nach unten gegen ein Maschinenbett 14 angetrieben werden kann, um ein auf dem Maschinenbett 14 aufliegendes Werkstück 16 zu biegen. Der Pressbalken 12 und das Maschinenbett 14 besitzen ein Oberwerkzeug 18 beziehungsweise ein Unterwerkzeug 20, die entsprechend geformt sind, um das Werkstück 16 in eine bestimmte Form zu biegen. Während der Arbeitsbewegung wird ein Öffnungsspalt 22 zwischen dem Oberwerkzeug 18 und dem Werkstück 16 allmählich geschlossen. Alternativ ist denkbar, die Rollen von Oberwerkzeug 18 und Unterwerkzeug 20 zu vertauschen.
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Die Gesenkbiegepresse 10 wird von einer Steuerung 24 gesteuert. In der Steuerung 24 ist ein Biegeprogramm hinterlegt, welches für das jeweils einzulegende Werkstück 16 Steuerungsdaten einer Arbeitsbewegung enthält, die zu der gewünschten Bearbeitung des Werkstücks 16 führt. Für einen anderen Arbeitsvorgang, beispielsweise bei einem anderen Werkstück 16 oder Verwendung anderer Werkzeuge 18, 20, insbesondere Biegestempel und Matrizen, wird jeweils das passende Biegeprogramm eingesetzt. Ein Fußschalter 26 ist vorgesehen, um der Steuerung 24 einfache Befehle zu geben, etwa um die Arbeitsbewegung einzuleiten, fortzusetzen oder zu stoppen.
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An beiden Seiten des Oberwerkzeugs 18 ist jeweils ein Haltearm 28 vorgesehen. Die Haltearme 28 tragen einen Lichtsender 30 und einen ortsauflösenden Empfänger 32, die Teile eines optoelektronischen Sensors sind. Der Sensor ist somit mitbewegt an dem Oberwerkzeug 18 oder alternativ an einem die Bewegung des Oberwerkzeugs 18 nachvollziehenden Teil montiert.
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Der Lichtsender 30 besitzt eine Lichtquelle, beispielsweise eine oder mehrere Laserdioden oder Leuchtdioden (LED) sowie eine nicht dargestellte Sendeoptik, die dafür sorgt, dass das Sendelicht ein aufgeweitetes oder ein weitgehend paralleles Lichtbündel 34 mit einem üblicherweise in etwa kreisförmigen Querschnitt bildet. Das Lichtbündel 34 durchquert den Öffnungsspalt 22 entlang der Unterkante des Oberwerkzeugs 18. Der Empfänger 32 umfasst einen pixelaufgelösten Matrixbildsensor, beispielsweise in CCD- oder CMOS-Technologie, und wird von dem kreisförmigen Querschnitt des Lichtbündels 34 so getroffen, dass bevorzugt der gesamte Matrixbildsensor ausgeleuchtet wird. Zum Ausgleich von Vibrationen und leichten Dejustierungen kann die Querschnittsfläche des Lichtbündels 34 am Ort des Empfängers 32 etwas größer sein als die Fläche des Matrixbildsensors. Der Sensor bildet somit insgesamt ein sicheres Kamerasystem, welches Bilder von einem Schattenriss des Oberwerkzeugs 18 und von dessen Umgebung liefert.
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Ein solcher Schattenriss ist im oberen Teil der 2 als Ausschnitt der Gesenkbiegepresse 10 mit dem Oberwerkzeug 18, dem Unterwerkzeug 20 und dem Werkstück 16 aus der Perspektive des Empfänger 32 gezeigt. Das Lichtbündel 34 ist in dieser Ansicht ein Kreis, welcher der Querschnittsfläche entspricht. Statt des größtmöglichen, der vollen Empfangsfläche des Matrixbildsensors des Empfängers 32 entsprechenden Bildausschnitts ist nur ein als Schutzfeld 36 aktivierter Anteil in Form einer grau melierten Fläche dargestellt. In diesem Bereich erkennt der Sensor in einer nicht näher dargestellten Auswertungseinheit durch Bildauswertung unzulässige Eingriffe, wie sie beispielsweise durch die Hand einer Bedienperson entstehen könnten. Im Falle eines unzulässigen Eingriffs wird sofort ein Schaltsignal ausgelöst, um die Gesenkbiegepresse 10 abzusichern, insbesondere das Oberwerkzeug 18 abzubremsen und anzuhalten. Dadurch wird die Bedienperson, die beispielsweise das Werkstück 16 in den Öffnungsspalt 22 einführt, vor Verletzungen geschützt.
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Der Sensor arbeitet beispielsweise mit der Annahme, dass das Schutzfeld 36 keinerlei Bildelemente enthalten darf, die nicht freier Sicht auf den Sender 32 entsprechen, wobei eine gewisse Toleranz kleiner oder kurzzeitiger veränderter Bildelemente als nicht sicherheitsrelevant zugelassen wird. Durch das in der Darstellung flächige Schutzfeld 36 wird aufgrund der Projektion ein dreidimensionales Schutzvolumen überwacht. Es ist nicht zwingend erforderlich, sämtliche Pixel innerhalb des Schutzfeldes 36 auszuwerten, solange genügend Pixel ausgewertet werden, um die Sicherheitsfunktion zu wahren.
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Im unteren Teil der 2 ist ein Zeigerdiagramm dargestellt, welches wichtige Punkte innerhalb der Arbeitsbewegung markiert. Diese wichtigen Punkte sind der Steuerung 24 bekannt, welche den im Folgenden geschilderten Ablauf anhand ihres Biegeprogramms steuert und dabei oder vorab die für den Sensor wesentlichen Steuerungsinformationen an den Sensor übergibt. Wie dem Zeiger zu entnehmen ist, entspricht 2 der Situation kurz nach einem Umschaltpunkt.
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An einem oberen Totpunkt beginnt die Arbeitsbewegung in einer Ausgangsstellung des Oberwerkzeugs 18. Das Lichtbündel 34 beleuchtet den gesamten Empfänger 32, und das Schutzfeld 36 kann maximal groß gewählt werden. Mit fortschreitender Arbeitsbewegung wird das Oberwerkzeug 18 abgesenkt und der Öffnungsspalt 22 geschlossen. Bei einem Umschaltpunkt ist der Öffnungsspalt 22 gerade so groß, dass ein maximal großes Schutzfeld in seiner Höhenausdehnung der Öffnung des Öffnungsspalts 22 entspricht. Unmittelbar nach dem Umschaltpunkt würde also das Unterwerkzeug 20 in das maximal große Schutzfeld 36 eingreifen. Deshalb ist vorgesehen, die Höhe des Schutzfeldes 36 bei der weiteren Arbeitsbewegung kontinuierlich zu verkleinern.
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Dies wird fortgesetzt, bis an einem Mutingpunkt der Öffnungsspalt 22 so klein geworden ist, dass kein Finger mehr hineinpasst und somit keine wesentliche Gefahr mehr droht. Der Sensor erkennt den Mutingpunkt anhand von Position und Geschwindigkeit des Oberwerkzeugs 18 sowie der Lage des Klemmpunktes, die ihm von der Steuerung 24 übermittelt werden. Deshalb leitet bei Erreichen des Mutingpunktes der Sensor ein Muting ein, währenddessen die Sicherheitsfunktion des Sensors deaktiviert ist. Danach wird das Oberwerkzeug 18 weiter abgesenkt, bis es an einem Klemmpunkt das Werkstück 16 berührt. Der Bearbeitungsvorgang wird dann vollendet und das Werkstück 16 geformt. Danach wird das Oberwerkzeug 18 wieder bis zum oberen Totpunkt angehoben, und ein weiterer Arbeitsvorgang kann sich anschließen.
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Da unterschiedliche Werkstücke 16 unterschiedliche Abmessungen aufweisen können, insbesondere wenn sie nicht plan, sondern bereits mit Biegekanten versehen sind, treten Umschalt-, Muting- und Klemmpunkt zu unterschiedlichen Zeiten eines Bearbeitungsvorganges auf. Dem Sensor müssen diese Informationen aber nicht eingelernt werden, weil sie ihm von der Steuerung 24 übergeben werden. Die Steuerung 24 kennt die Informationen ohnehin, um das Werkstück 16 richtig bearbeiten zu können, oder kann sie leicht ableiten. Allerdings müssen Sensor, Gesenkbiegepresse 10 und Steuerung 24 zueinander kalibriert sein, damit die Informationen über die Lage der besonderen Punkte in der Arbeitsbewegung gegenseitig richtig verstanden und zugeordnet werden.
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3 zeigt eine andere Bearbeitungssituation in einem Kastenbiegemodus. Dabei wird anders als in 2 keine ebene Platte, sondern ein komplexeres Werkstück 16 wie beispielsweise ein Kasten bearbeitet. Wie in der 3 deutlich zu erkennen, greift bereits das Werkstück 16 in den Sichtbereich des Sensors ein. Deshalb wird in dem Sensor ein besonderer Schutzfeldmodus für das Kastenbiegen gewählt, in dem das Schutzfeld 36 entsprechend reduziert ist, um den Schattenwurf des Werkstücks 16 selbst für die Sicherheitsfunktion unbeachtet zu lassen.
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In der Steuerung 24 wird für diese Arbeitsbewegung ein Biegeprogramm für Kastenbiegen gewählt. Die Steuerung 24 wählt oder kennt einen geeigneten Schutzfeldmodus, in diesem Falle denjenigen für Kastenbiegen, und gibt ihn dem Sensor vor. Eine Benutzereingabe für die Auswahl des Schutzfeldmodus' ist nicht erforderlich, sondern automatisch der für das Biegeprogramm geeignete Schutzfeldmodus eingestellt.
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Anhand der 4 wird nun ein virtueller Klemmpunkt erläutert, welcher bei komplizierteren Biegevorgängen, aber auch schon beim Kastenbiegen zusätzlich zu dem tatsächlichen Klemmpunkt entsteht. Dabei zeigt 4a einen ersten Bearbeitungsschritt, in dem ein planes Werkstück 16 ein erstes Mal abgekantet wird, 4b einen zweiten Bearbeitungsschritt, in dem das entstehende Werkstück 16 ein weiteres Mal abgekantet wird, und 4c einen dritten Bearbeitungsschritt, in dem eine Innenbiegung in dem gegenüber 4b um 90° aus der Papierebene heraus gedrehten Werkstück 16 vorgenommen wird. In den ersten beiden Bearbeitungsschritten stimmen tatsächlicher und virtueller Klemmpunkt überein. In der Situation der 4c aber ist im Schattenriss, der den Empfänger 32 trifft, die tatsächliche u-förmige Kontur in Längsrichtung der Werkzeuge 12, 14 nicht erkennbar, sondern nur ein kompakter Kasten. Das Oberwerkzeug 18 trifft deshalb aus Sicht des Empfängers 32 bereits dann das Werkstück 16, wenn es eigentlich erst die Höhe der Seitenwand erreicht. Dieser Punkt wird als virtueller Klemmpunkt bezeichnet, weil zwar tatsächlich noch gar kein Kontakt zwischen Oberwerkzeug 18 und Werkstück 16 besteht, dies aber für den Sensor so scheint.
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5 zeigt in einer vereinfachten Blockdarstellung die Verbindungen zwischen Gesenkbiegepresse 10, deren Steuerung 24, dem hier als symbolische Kamera gezeigten Sensor 38, welcher den Sender 30, den Empfänger 32 und die Auswertungseinheit für die Erkennung unzulässiger Schutzfeldeingriffe umfasst, und einer Sicherheitssteuerung 40, welche sämtliche sicherheitsrelevanten Signale verarbeitet und weiterleitet. Die Sicherheitssteuerung 40 erfüllt besondere Sicherheitsanforderungen, um Unfälle zuverlässig zu vermeiden, wie sie beispielsweise in der Norm EN 954-1 bzw. ISO 13849 (performance level) festgelegt sind. Die damit mögliche Sicherheitsstufe und die weiteren Sicherheitsanforderungen an eine Anwendung sind in der Norm EN 61508 bzw. EN 62061 definiert. Entsprechende hohe Sicherheitsanforderungen erfüllt auch der Sensor 38, wobei eine Norm für sichere Kamerasysteme sich derzeit noch in Vorbereitung befindet. Spezielle Regelungen für Werkzeugmaschinen und mitfahrende Sicherheitssensoren enthält die Norm EN 12622.
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Üblicherweise dient die Sicherheitssteuerung 40 in erster Linie der sicheren Bewegungssteuerung und der Positionserfassung. Die Sicherheitssteuerung 40 kann aber zusätzlich auch zumindest Teile der Steuerungsaufgaben der Steuerung 24 und/oder zumindest Teile der Auswertung des Sensors 38 auf unzulässige Schutzfeldeingriffe übernehmen. Umgekehrt ist auch denkbar, dass die Steuerung 24 in ihren sicherheitsrelevanten Funktionen, also beispielsweise der Steuerung der Arbeitsbewegung sowie dem Empfangen, Verarbeiten und Ausgeben sicherheitsrelevanter Signale als sichere Steuerung ausgebildet ist und somit die Funktion der Sicherheitssteuerung 40 mit übernimmt.
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Die Steuerung 24 übergibt dem Sensor 38 über die Sicherheitssteuerung 40 Steuerungsdaten, wie beispielsweise die Lage des Klemmpunkts, den Schutzfeldmodus für die aktuelle Arbeitsbewegung, die Bewegungssdaten oder einen Mutingbefehl. Der Sensor 38 umgekehrt übergibt die Information, ob ein unzulässiger Schutzfeldeingriff vorliegt, als sicheres Abschaltsignal (OSSD, Ouput Signal Switching Device) oder als Daten über einen sicheren Bus, und möglicherweise weitere Informationen. Um einen Sicherheitskreis zu schließen, wird beispielsweise eine aus dem von dem Matrixbildsensor des Empfängers 32 aufgenommenen Schattenriss bestimmte Lage des Klemmpunktes nicht von dem Sensor 38 selbst überprüft, sondern an die Sicherheitssteuerung 40 rückgemeldet und dort verarbeitet.
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Die Sicherheitssteuerung 40 ist ein relativ komplexes Beispiel für eine sichere Schnittstelle zwischen der Steuerung 24 und dem Sensor 38. Abweichend können auch direkte sichere Verbindungen vorgesehen sein, über die zumindest ein Teil der zu übergebenden Steuerungsdaten direkt übertragen wird. Dargestellt ist in 5 mittels Pfeilen eine Kommunikation über die Sicherheitssteuerung 40.
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In dem erfindungsgemäßen System befinden sich die benötigten Informationen für einen optimalen Biegeablauf in dem Biegeprogramm der Steuerung 24. Dazu ist bevorzugt eine Benutzerschnittstelle, beispielsweise eine grafische Benutzerschnittstelle vorgesehen, mit welcher die Arbeitsbewegung für ein jeweiliges Werkstück 16 geplant und als Teil des Biegeprogramms gespeichert werden kann. Die Biegeplanung erfolgt gewöhnlich offline auf einem eigenen Planungscomputer anhand der CAD-Daten des Werkstücks. Dabei werden Zuschnitte, Biegefolge, Werkzeuge und die Handhabung beim Biegen festgelegt. Aus dieser Planung können parallel die notwendigen Einstellungen für den Sensor 38 manuell definiert oder automatisch bestimmt und in dem Biegeprogramm hinterlegt werden. Beispielsweise wird der Klemmpunkt, auch als virtueller Klemmpunkt, und der passende Schutzfeldmodus durch eine Eingabe in die Benutzerschnittstelle oder durch eine Berechnung ermittelt. Alternativ ist, gerade für Einzelaufträge, statt einer Planung an einem externen Computer eine Programmierung oder Konfiguration an einer Benutzerschnittstelle der Maschine 10 denkbar.
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Die Steuerung 24 steuert in Kombination mit der Sicherheitssteuerung 40 die Arbeitsbewegung der Werkzeuge 12, 14 und überwacht den Antrieb in sicherer Technik. Der Sensor 38 ist von derartigen Aufgaben vollständig entlastet und übernimmt seine Kernfunktion der Schutzfeldüberwachung. Die dafür notwendigen Steuerungsdaten über die Arbeitsbewegung ermittelt der Sensor 38 nicht selbst, sondern sie werden mit der Steuerung 24 oder der Sicherheitssteuerung 40 ausgetauscht. Dadurch ist der Sensor 38 beispielsweise während der Arbeitsbewegung automatisch mit dem korrekten Klemmpunkt und dem passenden Schutzfeldmodus konfiguriert.
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Somit entfällt nicht nur ein Einlernen des Sensors 38, sondern die Arbeitsbewegung kann beschleunigt werden und möglichst lange mit schneller Arbeitsgeschwindigkeit bei maximalem Bedienerschutz erfolgen. Beispielsweise ist dem Sensor 38 im Kastenbiegemodus der virtuelle Klemmpunkt, also die Lage der obersten Kastenwand im Schattenriss, aufgrund der Übergabe von der Steuerung 24 bekannt. Das Oberwerkzeug 18 kann deshalb bis zu der Kastenwand mit maximaler Geschwindigkeit bewegt werden. Danach wird die Geschwindigkeit reduziert, weil unterhalb des virtuellen Klemmpunkts nicht mehr der Sensor 38, sondern nur noch der Fußschalter 26 und die verringerte Geschwindigkeit die Bedienperson schützen. Der herkömmlich übliche Zwischenstopp an der Kastenwand wird vermieden, indem das Oberwerkzeug 18 rechtzeitig zum virtuellen Klemmpunkt in die reduzierte Geschwindigkeit wechselt. Die Schutzfelddynamik zieht mit dem Wissen um die Lage des virtuellen Klemmpunkts die untere Schutzfeldgrenze rechtzeitig zurück, verkleinert also dynamisch das Schutzfeld 36, so dass es nicht über den virtuellen Klemmpunkt hinausreicht, und wechselt dann rechtzeitig in den Muting-Zustand. Auch der Muting-Befehl kann von der Steuerung 24 aus über die Sicherheitssteuerung 40 gegeben werden, da dem Biegeprogramm bekannt ist, auf welcher Höhe des Oberwerkzeugs 18 die Kastenwand einen unzulässigen Schutzfeldeingriff verursachen würde.
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Schließlich wird auch der Nachlaufweg, also die Weiterbewegung des Oberwerkzeugs 18 nach einem Haltebefehl aufgrund der Trägheit, in der Sicherheitssteuerung 40 überwacht. Der Nachlaufweg darf sich nicht unbemerkt vergrößern, da in den Schutzfeldern 36 eine dem Nachlaufweg entsprechende Reserve vorzuhalten ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10353353 A1 [0005]
- EP 0871836 B1 [0008, 0009]
- DE 10553353 A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm EN 954-1 [0044]
- ISO 13849 [0044]
- Norm EN 61508 [0044]
- EN 62061 [0044]
- Norm EN 12622 [0044]
