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Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Sicherheitseinrichtung für gewerbliche und/oder private Anwendungen, die auf der Time-of-Flight(ToF)-Technik basiert. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Überwachung eines zu schützenden Bereichs.
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Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung eine optoelektronische Einrichtung für diffuse Reflexionen (AOPDDR), welche für den Schutz von Bedienern verwendet wird, die in der Nähe laufender Maschinen tätig sind und/oder die sich Gefahrenzonen nähern, um dabei Sicherheit zu garantieren, wenn bei der Nutzung einer Maschinenanlage, eines Roboters oder im Allgemeinen irgendeines Automatisierungssystems eine Gefahr für die Bediener selbst entstehen kann. Derartige Sicherheitssysteme werden auch genutzt, um einen Gefahrenbereich zu schützen, dem sich unerfahrene Personen zufällig und in unerwünschter Weise nähern könnten.
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Optoelektronische Sicherheitseinrichtungen, die aus zwei gegenüber angeordneten Modulen zusammengesetzt sind, einem Sender und einem Empfänger, die jeweils voreingestellt sind, um ein Lichtbündel zu senden und zu empfangen, sind bekannt.
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Der Sender und der Empfänger sind an gegenüberliegenden Seiten des zu überwachenden Bereichs derart installiert, dass das Bündel dessen Grenze bildet.
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Alternativ sind der Sender und der Empfänger auf derselben Seite angeordnet, vorzugsweise in demselben Gehäuse, welches geeignet dafür ist, dass diese darin untergebracht werden, und auf der gegenüberliegenden Seite sind ein Spiegel und/oder ein reflektierendes katadioptrisches Element vorhanden, die dafür geeignet sind, das einfallende Lichtbündel, das vom Sender zum Empfänger gelangt, zu reflektieren.
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Die derzeitigen Lösungen enthalten dementsprechend immer zwei getrennte, gegenüber angeordnete Module, einen Sender und einen Empfänger.
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Wenn ein Bediener das Lichtbündel unterbricht, weil er die von ihm markierte Grenze überquert, erzeugt eine Steuereinheit, die mit dem Sender und/oder dem Empfänger auf eine an sich bekannte Art assoziiert ist, ein Warnsignal, das genutzt wird, um die Arbeit des Automatisierungssystems und/oder eines Teils von ihm, der mit der optoelektronischen Sicherheitseinrichtung verbunden ist, zu unterbrechen.
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Ein Problem bei Einrichtungen gemäß dem Stand der Technik ist verknüpft mit der vorgeschriebenen Installation von mindestens zwei Modulen oder Einheiten zum Überwachen des Gefahrenbereichs. Bei manchen gewerblichen Anwendungen ist eine Installation von diesem Typ nicht möglich wegen der Geometrie des zu überwachenden Automatisierungssystems oder der Arbeitsweise der Maschine selbst. Deshalb lässt sich der Gefahrenbereich bei derartigen Anwendungen nicht mit optischen Einrichtungen von dem Typ schützen, bei dem zwei Elemente gegenüber angeordnet sind. Ferner ist die Anwendung der bekannten Sicherheitseinrichtungen auf Maschinenanlagen mit sich bewegenden Teilen allein schon aufgrund ihres Arbeitsprinzips ausgeschlossen. Eine weitere Anwendungseinschränkung der gegenwärtigen Sicherheitseinrichtungen ist die Schwierigkeit, dass das Senderelement richtig am Empfänger auszurichten ist, vor allem über große Betriebsabstände hinweg, was eine längere Installationszeit für den Nutzer nach sich zieht.
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Außer den oben genannten Sicherheitseinrichtungen mit zwei Elementen sind auch Sicherheitsvorrichtungen bekannt, deren Arbeitsweise auf dem Time-of-Flight-Prinzip basiert, doch in diesen Vorrichtungen wird der zu kontrollierende Bereich durch ein Bündel von Licht erzeugt, das von einem galvanometrischen Spiegel reflektiert wird, der sich mit hoher Frequenz dreht (Laserscanner). Diese Systeme sind deshalb als dynamisch anzusehen. Derartige Einrichtungen erreichen aufgrund ihrer Gestaltung höchstens eine Sicherheitsstufe 3 gemäß der
Norm EN ISO 13846-1. Die Patentdokumente
DE10 2009 031732 und
EP 2270421 beschreiben optoelektronische Sicherheitseinrichtungen mit einer Erkennung von Licht, das von einem Objekt reflektiert wird, welches den von einem Sender emittierten Lichtstrahl durchquert, gemäß dem Stand der Technik. Derartige bekannte Einrichtungen könnten jedoch im Fall eines Defekts oder eines fehlerhaften Arbeitens des Lichtsenders Probleme verursachen; in derartigen Fällen nähme der Empfänger irrtümlich an, dass alles ordnungsgemäß sei, was für die Personen, die sich dem geschützten Bereich nähern müssten, eine Gefahr darstellen könnte.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue optoelektronische Sicherheitseinrichtung vorzuschlagen, die weder gegenüber angeordnete Module noch bewegliche Teile erfordert und die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme mindestens teilweise überwindet.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Überwachung eines zu schützenden Bereichs vorzuschlagen.
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Diese und andere Aufgaben werden mit einer optoelektronischen Sicherheitseinrichtung mit den Eigenschaften gemäß Anspruch 1 und mit einem Verfahren zur Überwachung eines zu schützenden Bereichs gemäß Anspruch 10 gelöst.
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Konkrete Realisierungsformen bilden den Gegenstand der abhängigen Ansprüche, deren Inhalt als fester Bestandteil der vorliegenden Beschreibung anzusehen ist.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung ergeben, die lediglich beispielhaft ist und nicht einschränkt, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
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1 eine schematische Ansicht einer optoelektronischen Sicherheitseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine weitere vereinfachte Ansicht der Einrichtung von 1 ist; und
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3 eine schematische Ansicht eines optoelektronischen Sicherheitssystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
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Insgesamt betrifft die vorliegende Erfindung eine optoelektronische Sicherheitseinrichtung, die einen Sender und einen Empfänger beinhaltet, die nicht gegenüber angeordnet sind und die in der Lage sind, das Vorhandensein eines Bedieners oder eines Objekts, der bzw. das sich dem zu überwachenden Bereich nähert, anhand von Laufzeitmessungen zu erkennen, ohne dass hierzu Spiegel oder reflektierende katadioptrische Elemente herangezogen werden.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Überwachung eines zu schützenden Bereichs, das die Sicherheitseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung nutzt.
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In 1 ist eine Sicherheitseinrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Eine Vielzahl von Einrichtungen 1 kann, vorzugsweise in Reihe, derart miteinander verbunden sein, dass ein optoelektronisches System realisiert wird.
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Die Einrichtung 1 beinhaltet einen Sender 2 und einen Empfänger 4; der Sender 2 emittiert ein Bündel von moduliertem Licht 6a, vorzugsweise Infrarotlicht, das, wenn ein Objekt 8 (oder ein Bediener oder ein Teil seines Körpers) die Grenze des Zugangs zum zu überwachenden Bereich überquert, zum Empfänger 4 hin reflektiert wird (Bündel von reflektiertem Licht 6b). Wenn der Empfänger 4 das reflektierte Bündel 6b empfängt, sendet er ein Signal an die mit ihm verbundene Steuereinheit 10, welche die Phasendifferenz zwischen dem emittierten Bündel 6a und dem reflektierten Bündel 6b misst und dementsprechend die Laufzeit berechnet. Anhand dieses Werts wird der Abstand zwischen der Einrichtung 1 und dem Objekt 8 abhängig von der Lichtgeschwindigkeit und der Modulationsfrequenz des emittierten Bündels 6a und des reflektierten Bündels 6b erhalten.
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Die Einheit 10 ist dementsprechend voreingestellt, um die Veränderungen des emittierten Lichtbündels 6a und des reflektierten Lichtbündels 6b zu analysieren, um die Aktivierung/Deaktivierung der Sicherheitsfunktion basierend auf den durchgeführten Erkennungen zu erlauben. Insbesondere emittiert die Steuereinheit 10 ein Warnsignal, das repräsentativ für das allgemeine Vorhandensein eines Objekts 8 ist (bzw. wenn sie das reflektierte Bündel 6b empfängt), oder falls das erkannte Objekt 8 um einen Abstand entfernt ist, der geringer als ein vorher festgelegter Schwellenwert ist.
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Die Einrichtung 1 ist derart ausgestaltet, dass sie die Realisierung eines optoelektronischen Sicherheitssystems in einer zu den gegenwärtig verfügbaren Lösungen alternativen Weise erlaubt.
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Die Einrichtung 1 ist so voreingestellt, dass sie in ein an sich bekanntes System mit einer redundanten Architektur eingesetzt werden kann, das ferner Leiterplattenanschlusselemente beinhaltet, die in der Figur nicht gezeigt sind, um sie mit anderen ähnlichen Modulen zu verbinden.
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Vorteilhaft beinhaltet die Einrichtung 1 ferner eine dedizierte Schnittstelle 12, um das Zusammenschalten mit einem Rechner zu erlauben, um Vorgänge zur Überwachung und Kalibrierung der Einrichtung selbst auszuführen.
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Die Einrichtung 1 hat ein Sichtfeld 14, bei dem es sich um den Bereich handelt, der zwischen dem einfallenden Bündel und dem reflektierten Bündel definiert ist. Ein derartiges Sichtfeld 14 wird anhand der zum Sender 2 und zum Empfänger 4 innerhalb der Einrichtung 1 relativen Position bestimmt.
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In einer Abwandlung der Erfindung befindet sich zwischen der Einrichtung 1 und dem Objekt 8 eine Linse 16 (Linsensystem), die vor dem Sender 2 und dem Empfänger 4 oder alternativ vor nur einem dieser Elemente positioniert ist. Die Linse 16 ist so voreingestellt, dass sie die Erkennung von Objekten 8 mit vorher festgelegten Abmessungen erlaubt, die zum Beispiel mit Körperteilen eines Benutzers vergleichbar sind, welche von den geltenden Sicherheitsvorschriften definiert werden. Die Linse 16 (optisches System) trägt zusammen mit dem Sender 2 und dem Empfänger 4 zum Definieren des Sichtfelds 14 bei.
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Das Modul 1 beinhaltet ferner mindestens einen mit der Steuereinheit 10 verbundenen Ausgang 18, vorzugsweise vom OSSD-Typ, der von ihr das Warnsignal empfängt und voreingestellt ist, um ein entsprechendes Ausgangssignal zu erzeugen, falls das Objekt 8 erkannt wird.
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Das Warnsignal wird daraufhin auf eine an sich bekannte Art genutzt, um Sicherheitsfunktionen, die mit dem zu überwachenden Automatisierungssystem/der zu überwachenden Maschinenanlage assoziiert sind, wie zum Beispiel seine/ihre Ausschaltung zu aktivieren.
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Die Einrichtung 1 beinhaltet ferner einen Steuersender 20 und einen Steuerempfänger 22, die mit der Steuereinheit 10 und mit dem Empfänger 4 bzw. dem Sender 2 verbunden sind. Der Steuersender 20 ist voreingestellt, um die Funktionalität des Empfängers 4 zu überprüfen; der Steuerempfänger 22 ist voreingestellt, um die Funktionalität des Senders 2 zu überprüfen.
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Unter Betriebsbedingungen zur Laufzeitmessung interagiert die Steuereinheit 10 mit dem Sender 2 und dem Empfänger 4, wie oben beschrieben. Wenn der Sender 2 das Bündel 6a emittiert, erkennt der Steuerempfänger 22 auf eine an sich bekannte Art das emittierte Bündel 6a und sendet ein erstes Bestätigungssignal, das repräsentativ dafür ist, dass der Sender 2 richtig arbeitet, an die Steuereinheit.
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Nach jedem Messzyklus aktiviert die Steuereinheit 10 zu vorher festgelegten Zeitpunkten einen Überprüfungszyklus.
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Die Steuereinheit 10 schaltet zuerst den Sender 2 aus und schaltet dann den Steuersender 20 an, der ein Testsignal an den Empfänger 4 sendet, wobei der Empfänger 4 wiederum ein zweites Bestätigungssignal, das repräsentativ dafür ist, dass er richtig arbeitet, an die Steuereinheit 10 sendet.
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Wenn die Steuereinheit 10 das erste und/oder das zweite Bestätigungssignal nicht empfängt, sendet sie ein Störungssignal, das repräsentativ für eine Störung des Senders 2 oder des Empfängers 4 der Einrichtung 1 ist, an den Ausgang 18.
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Der Ausgang 18 erzeugt dementsprechend ein entsprechendes Störungssignal.
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In 2 ist eine zweite vereinfachte Ansicht der Einrichtung von 1 gezeigt, die das Time-of-Flight-Arbeitsprinzip und die Interaktion zwischen der Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und dem Objekt 8, das einen geschützten Bereich durchquert, allgemeiner zeigt. Insbesondere ist das Vorhandensein einer Vielzahl von Bündeln zu beachten, die von der Einrichtung 1 kontinuierlich emittiert werden; wenn eines der Bündel, insbesondere das Bündel 6a, auf ein Objekt 8 trifft, wird ein entsprechendes reflektiertes Bündel 6b erzeugt, das genutzt wird, um die Arbeit des Automatisierungssystems und/oder eines mit der Einrichtung 1 verbundenen Teils davon zu unterbrechen.
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In 3 ist eine Vielzahl von Einrichtungen 1 gezeigt, die kaskadenartig miteinander verbunden und in der Lage sind, die Überwachung eines zu schützenden Bereichs 24 in Rechteckform und ohne tote Winkel zu garantieren, der mit den geschützten Bereichen mit den Sicherheitsbeschränkungen gemäß dem Stand der Technik vergleichbar ist.
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Vorteilhaft sind die Einrichtungen 1 innerhalb eines Gehäuses eingesetzt (Strangpressprofil aus Aluminium oder anderen Materialien).
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Dank des Vorhandenseins des Steuersenders 20 und des Steuerempfängers 22 ist die Einrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung in der Lage, die Sicherheitskategorie 4 gemäß der Norm EN ISO 13849-1 zu erreichen, was mit Bezug auf die derzeitigen Time-of-Flight-basierten Einrichtungen, die für die Kategorie 3 ausgelegt sind, eine Verbesserung darstellt.
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Ein Verfahren zum Überwachen eines zu schützenden Bereichs gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet folgende Vorgänge:
- – Voreinstellen einer Sicherheitseinrichtung, wie oben beschrieben;
- – Aktivieren des Senders 2;
- – Erkennen des Vorhandenseins des vom Sender 2 emittierten Bündels 6a und Erzeugen eines ersten Bestätigungssignals, das repräsentativ dafür ist, dass der Sender 2 richtig arbeitet;
- – Erkennen des Vorhandenseins eines reflektierten Bündels 6b;
- – Emittieren eines Warnsignals, das repräsentativ für das Vorhandensein eines Objekts 8 ist;
- – falls das reflektierte Bündel 6a nicht vorhanden ist, Ausschalten des Senders 2 und Anschalten des Steuersenders 20 zu vorher festgelegten Zeitpunkten;
- – Senden eines an den Empfänger 4 gerichteten Testsignals durch den Steuersender 20;
- – Empfangen eines zweiten Bestätigungssignals vom Empfänger (4), wobei das zweite Bestätigungssignal repräsentativ dafür ist, dass er richtig arbeitet.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Realisierung eines Sicherheitssystems für diffuse Reflexionen, ohne dass bewegliche Teile vorhanden sein müssen und wobei der Formfaktor ausgenutzt wird, der den Nutzern der gegenwärtigen Sicherheitsbeschränkungen bekannt ist.
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Die Kaskadierung der Einrichtungen 1 lässt zu, dass größere Erkennungsbereiche erzeugt werden, ohne dass tote Winkel in Erscheinung treten, die dagegen zum Beispiel in den auf reflektiertem Laserlicht basierenden Systemen auftreten und auf die Punktgeometrie der Laserscanner zurückführbar sind, wodurch sich erübrigt, dass bewegliche Elemente vorhanden sein müssen, um Erkennungsbereiche zu erzeugen.
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Das Nichtvorhandensein beweglicher Elemente im Zusammenhang mit einer gleichzeitigen Verkleinerung der Abmessungen der optischen Baugruppe erlaubt, dass die Einrichtung 1 in Gehäuse eingesetzt wird, welche denjenigen ähnlich sind, die den derzeitigen Sicherheitsbeschränkungen unterliegen.
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Die Unabhängigkeit der verschiedenen Einrichtungen 1 erlaubt ferner die Installation des Sicherheitssystems auch auf Oberflächen, die nicht vollkommen eben/plan sind, oder an Maschinenanlagen, deren Form nicht die Nutzung der gegenwärtigen, bekannten Systeme erlaubt.
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Gemäß einer Realisierungsform der vorliegenden Erfindung wird eine optoelektronische Sicherheitseinrichtung realisiert, wie zuvor beschrieben, wobei die Überprüfung der Funktionalität des Senders mittels des Steuerempfängers, auch während des Laufzeitmesszyklus, nicht davor oder danach, durchgeführt werden kann, wodurch die unmittelbare Aktivierung des Warnsignals zu den Ausgängen hin im Fall eines fehlerhaften Arbeitens des Senders garantiert wird. Der offenkundige Vorteil dieser Echtzeitdiagnose besteht darin, dass die Sicherheitseinrichtung die Ausgänge gleichzeitig mit der Erkennung der eventuellen Störung des Senders aktivieren kann, ohne auf den anschließenden Überprüfungszyklus warten zu müssen.
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Selbstverständlich können unbeschadet des Erfindungsprinzips die Arten der Umsetzung und die Einzelheiten der Realisierung mit Bezug darauf, was lediglich beispielhaft und ohne Einschränkung beschrieben und veranschaulicht wurde, weitgehend abgewandelt werden, ohne dass deswegen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, der von den beigefügten Ansprüchen definiert wird, abgewichen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009031732 [0009]
- EP 2270421 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm EN ISO 13846-1 [0009]
- Norm EN ISO 13849-1 [0039]
