DE102016103894A1

DE102016103894A1 - Sicherungsvorrichtung zur Verwendung mit einer Lichtquelle, System zur Nutzung und Sicherung einer Lichtquelle und Verfahren zur Betriebssicherung

Info

Publication number: DE102016103894A1
Application number: DE102016103894.6A
Authority: DE
Inventors: Adolf Giesen; Hans-Albert Eckel; Stephan Anders; Erik Jäger; Marko Pfeifer; Mathias Findeisen
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2016-03-03
Filing date: 2016-03-03
Publication date: 2017-09-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sicherungsvorrichtung zur Verwendung mit einer gerichtete elektromagnetische Strahlung emittierenden Lichtquelle, mit der an einer definierten Zielposition ein Leuchtfleck bereitstellbar ist, wobei die Sicherungsvorrichtung eine Detektionseinrichtung mit mindestens einer ein Sichtfeld aufweisenden ortsauflösenden Kamera umfasst, wobei die Detektionseinrichtung mit der Lichtquelle gekoppelt oder koppelbar ist, und wobei mit der Detektionseinrichtung eine Abweichung des Leuchtflecks zu einer von der Zielposition unterschiedlichen Position im Sichtfeld der mindestens einen Kamera feststellbar ist und der Lichtquelle bei positiver Feststellung ein Strahlungsunterbrechungssignal übermittelbar ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Betriebssicherung einer Lichtquelle und ein System zur Nutzung und Sicherung einer Lichtquelle.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sicherungsvorrichtung zur Verwendung mit einer gerichtete elektromagnetische Strahlung emittierenden Lichtquelle, mit der an einer definierten Zielposition ein Leuchtfleck bereitstellbar ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein System zur Nutzung und Sicherung mindestens einer gerichtete elektromagnetische Strahlung emittierenden Lichtquelle.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Betriebssicherung einer gerichtete elektromagnetische Strahlung emittierenden Lichtquelle.
Bei Lichtquellen, insbesondere Laserlichtquellen, die gerichtete elektromagnetische Strahlung emittieren, konnten in den vergangenen Jahren deutliche Steigerungen in der Ausgangsleistung bei gleichzeitiger Verbesserung der Strahlqualität erzielt werden. Dadurch eignen sich hochintensive Lichtquellen zunehmend für Anwendung in der Fertigung, beispielsweise zur Materialbearbeitung, wobei der emittierte Lichtstrahl sich über größere Distanzen von einigen Metern und darüber von der Lichtquelle bis zur definierten Zielposition ausbreitet. Entsprechendes gilt für den Einsatz der Lichtquellen zur kabellosen Energieübertragung. Anwendungsbeispiele finden sich auch hierfür in der Fertigung oder zur Energieversorgung bewegter Objekte wie etwa Flurförderfahrzeugen.
Die Ausbreitung gerichteter Strahlung über größere Distanzen führt jedoch zu erhöhten Anforderungen an den Strahlenschutz. Dies gilt insbesondere dann, wenn sich zwischen der Lichtquelle und der Zielposition personenbegehbare Bereiche im Einsatzraum der Lichtquelle befinden. Personen können unbeabsichtigterweise dem Strahl ausgesetzt sein, was zu gesundheitlicher Beeinträchtigung führen kann. Schäden können jedoch auch dadurch entstehen, dass unbeabsichtigterweise in den Strahlengang gelangende Objekte und/oder Verstellungen oder Fehlfunktionen optischer Strahlumlenk- und Strahlformungselemente zu einem Ausbrechen oder Auswandern des Strahles aus dem gewünschten Strahlengang führen und auf Personen treffen. Selbstverständlich können jedoch auch unbelebte Gegenstände durch hochintensive gerichtete Strahlung Schaden nehmen. Aus diesen Gründen sind Vorrichtungen zum Strahlungsschutz erforderlich. Beispielsweise liegt die Intensitätsschwelle für kohärente Strahlung, oberhalb derer Augenschutz erforderlich ist, bei 1 mW/cm². Neben passivem Strahlungs- und insbesondere Laserschutz, bei dem Strahlung abgeschirmt wird, kommt dem aktiven Strahlungsschutz gesteigerte Bedeutung zu. Bekannt ist es hier, zur Abschirmung aktive Laserschutzwände einzusetzen, wie sie zum Beispiel in der DE 10 2007 038 780 B3 oder der EP 1 930 114 A1 beschrieben sind. Derartige Strahlenschutzwände beanspruchen jedoch einen erheblichen Raum, so dass sie sich nicht beliebig in eine bestehende Produktionsumgebung integrieren lassen oder den nutzbaren Raum verringern und den durch räumliche Trennung von Lichterzeugung und Zielposition gewünschten Vorteil schmälern. Aktive Strahlenschutzwände sind außerdem kostenintensiv.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sicherungsvorrichtung, ein System zur Nutzung und Sicherung einer Lichtquelle und ein Verfahren zur Betriebssicherung einer Lichtquelle bereitzustellen, mit der bzw. dem eine kostengünstige und flexible Steigerung der Betriebssicherheit ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sicherungsvorrichtung zur Verwendung mit einer gerichtete elektromagnetische Strahlung emittierenden Lichtquelle gelöst, mit der an einer definierten Zielposition ein Leuchtfleck bereitstellbar ist, welche Sicherungsvorrichtung eine Detektionseinrichtung mit mindestens einer ein Sichtfeld aufweisenden ortsauflösenden Kamera umfasst, wobei die Detektionseinrichtung mit der Lichtquelle gekoppelt oder koppelbar ist, und wobei mit der Detektionseinrichtung eine Abweichung des Leuchtflecks zu einer von der Zielposition unterschiedlichen Position im Sichtfeld der mindestens einen Kamera feststellbar ist und der Lichtquelle bei positiver Feststellung ein Strahlungsunterbrechungssignal übermittelbar ist.
Bei der erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung kommt die Detektionseinrichtung mit mindestens einer ortsauflösenden Kamera zum Einsatz. Dies erlaubt es festzustellen, ob ein von der Lichtquelle erzeugter Leuchtfleck eine Position einnimmt, die von der gewünschten, definierten Zielposition abweicht. Bejahendenfalls kann die Detektionseinrichtung, die mit der Lichtquelle in Wirkverbindung steht oder bringbar ist, ein Strahlungsunterbrechungssignal bereitstellen, um die Emission von Strahlung zu unterbinden. Die erfindungsgemäße Sicherungsvorrichtung kann insbesondere als Zusatzsystem zu einer bestehenden Lichtquelle zum Einsatz kommen und lässt sich dadurch flexibel und kostengünstig in bestehende Anlagen integrieren. Aufgrund des Einsatzes mindestens einer Kamera beansprucht die Sicherungsvorrichtung nur verhältnismäßig wenig Raum, wodurch der durch räumliche Trennung der Lichterzeugung und Zielposition der Strahlung erzielbare Vorteil aufrechterhalten werden kann.
Die Sicherungsvorrichtung kann insbesondere auch mit mehr als nur einer Lichtquelle zum Einsatz kommen. Es kann daher vorgesehen sein, dass feststellbar ist, ob Leuchtflecken einer Mehrzahl von Lichtquellen an von einer jeweiligen Zielposition unterschiedlicher Position mit der mindestens einen Kamera gesehen werden können.
Alternativ zu der Möglichkeit, die Sicherungsvorrichtung als Zusatzsystem zu einer vorhandenen Lichtquelle einzusetzen, kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Sicherungsvorrichtung die Lichtquelle umfasst. Auf diese Weise kann ein erfindungsgemäßes System zur Nutzung und Sicherung der Lichtquelle gebildet werden.
Die Lichtquelle kann insbesondere eine Laserlichtquelle sein.
Die Strahlung der Lichtquelle kann im infraroten, sichtbaren und/oder ultravioletten Spektralbereich emittierbar sein.
Bei der erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung ist vorgesehen, einen möglichst großen Raumbereich des die Lichtquelle aufnehmenden Einsatzraumes, beispielsweise einer Produktionsumgebung, mit dem Sichtfeld der mindestens einen Kamera zu erfassen, damit die Betriebssicherheit so hoch wie möglich ist. Vorteilhafterweise ist die Sicherungsvorrichtung daher so ausgebildet, dass der gesamte oder im Wesentlichen gesamte die Lichtquelle umgebende Raumwinkel vom Sichtfeld der mindestens einen Kamera erfassbar ist. Mit der Sicherungsvorrichtung kann auf diese Weise der gesamte oder im Wesentlichen gesamte Raumwinkel (4π) auf Vorhandensein eines Leuchtflecks durch Streuung und/oder Reflexion der Strahlung abweichend von der Zielposition überwacht werden.
Günstig ist es, wenn die Sicherungsvorrichtung so ausgebildet ist, dass zumindest ein halber oder im Wesentlichen halber Raumwinkel (2π) vom Sichtfeld der mindestens einen Kamera erfassbar ist, zum Beispiel ausgehend von der Lichtquelle in Ausbreitungsrichtung der Strahlung auf die Zielposition. Vorzugsweise sind mindestens zwei Drittel oder im Wesentlichen zwei Drittel und noch bevorzugter mindestens drei Viertel oder im Wesentlichen drei Viertel des gesamten Raumwinkels (4π) erfassbar.
Die Sicherungsvorrichtung kann eine Mehrzahl von Kameras mit einem jeweiligen Sichtfeld aufweisen. Die Kameras können zum Beispiel rings um die Lichtquelle positioniert oder positionierbar sein.
Von Vorteil ist es, wenn die Sicherungsvorrichtung eine Mehrzahl von Kameras umfasst, die so zueinander positioniert oder positionierbar sind, dass die Lichtquelle in einer von den Kameras definierten Sphäre positioniert ist. Die Sichtfelder der Kameras können radial nach außen gerichtet sein, um bevorzugt den gesamten Raumwinkel zu überwachen.
Die Sicherungsvorrichtung kann eine Halteeinrichtung für die Detektionseinrichtung umfassen, an der mindestens eine Kamera derselben lösbar oder unlösbar festgelegt ist. Die Halteeinrichtung ist vorzugsweise an der Lichtquelle festlegbar oder umgekehrt. Dies erlaubt es, die Lichtquelle in definierte Relativposition zur mindestens einen Kamera zu bringen.
Die Sicherungsvorrichtung weist bevorzugt zwei oder mehr relativ zueinander bewegbare Kameras auf. Dies erlaubt es, die Sicherungsvorrichtung vielseitig auszugestalten. Durch unterschiedliche Relativposition(en) der zwei oder mehr Kameras zueinander und bevorzugt zur Lichtquelle kann die Sicherungsvorrichtung vielseitig an die Gegebenheiten des Einsatzraumes angepasst werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Sicherungsvorrichtung mindestens eine frei positionierbare Kamera aufweist und insbesondere zwei oder mehr relativ zueinander frei positionierbare Kameras. Die frei positionierbaren Kameras erlauben es, eine Anpassung der Sicherungsvorrichtung an die Gegebenheiten des Einsatzraumes vorzunehmen. Beispielsweise ist die Sicherungsvorrichtung modular oder teilweise modular aufgebaut, so dass Toträume von frei positionierbaren Kameras gezielt eingesehen werden können, die außerhalb eines Sichtfeldes einer an der Lichtquelle selber positionierten Kamera liegen. Die mindestens eine frei positionierbare Kamera ist daher insbesondere beweglich relativ zur vorstehend genannten Halteeinrichtung.
Das Strahlungsunterbrechungssignal kann als Abschaltsignal ausgebildet sein, mit dem die Lichtquelle abgeschaltet werden kann.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Strahlungsunterbrechungssignal als Blockiersignal ausgebildet ist, infolgedessen ein Strahlengang der Strahlung blockiert werden kann. Beispielsweise können Strahlformungs- und/oder Strahlumlenkelemente abhängig vom Blockiersignal so manipuliert werden, dass die Strahlung bei weiterhin aktivierter Lichtquelle abgeschirmt wird.
Die mindestens eine Kamera kann eine Empfindlichkeit im infraroten und/oder im sichtbaren und/oder im ultravioletten Spektrum aufweisen. Die mindestens eine Kamera kann beispielsweise in zwei unterschiedlichen Spektralbereichen empfindlich sein, um mit mehr als einer Lichtquelle zum Einsatz zu kommen oder wenn die Sicherungsvorrichtung zusammen mit der nachfolgend erwähnten Zusatzlichtquelle eingesetzt wird. Die mindestens eine Kamera kann mehr als einen Bildsensor aufweisen, wobei sich die Bildsensoren hinsichtlich ihrer spektralen Empfindlichkeit voneinander unterscheiden.
Günstigerweise kann eine zeitliche Änderung einer Leuchtintensität im Sichtfeld der Kamera innerhalb möglichst kurzer Zeit detektiert werden, beispielsweise im Millisekundenbereich.
Es kann vorgesehen sein, dass mit der Detektionseinrichtung ein Leuchtfleck der Lichtquelle selbst detektierbar ist. Weicht der Strahlengang der Lichtquelle vom vorgesehenen Strahlengang derart ab, dass ein Leuchtfleck an einer Position abweichend von der Zielposition auftritt, kann dieser selbst von der mindestens einen Kamera erfasst werden. Die Kamera weist daher insbesondere eine spektrale Empfindlichkeit für die von der Lichtquelle emittierte Wellenlänge auf.
Es kann auch vorgesehen sein, dass ein Leuchtfleck der Lichtquelle selbst von der Detektionseinrichtung nicht detektierbar ist, weil die spektrale Empfindlichkeit der mindestens einen Kamera sich von der von der Lichtquelle verwendeten Wellenlänge unterscheidet.
In letzterem Fall ist es günstig, wenn mit der Detektionseinrichtung ein Leuchtfleck einer Zusatzlichtquelle detektierbar ist, die in definierter räumlicher Orientierung zur Lichtquelle steht oder bringbar ist und von der gerichtete elektromagnetische Strahlung der Zusatzlichtquelle an die Zielposition emittierbar ist. Dies erlaubt es, anstatt der Strahlung der Lichtquelle die Strahlung der Zusatzlichtquelle zu detektieren. Vorteilhaft ist dies beispielsweise dann, wenn die Lichtquelle in einem nicht-sichtbaren Spektralbereich Strahlung emittiert. In diesem Fall bietet es sich an, eine im Bereich des sichtbaren Spektrums emittierende Zusatzlichtquelle einzusetzen, deren Leuchtfleck nicht nur von der Detektionseinrichtung detektiert werden kann, sondern auch von Personen, um diesen einen Hinweis auf den Verlauf der Strahlung der Lichtquelle zu geben.
Die Zusatzlichtquelle ist bevorzugt hinsichtlich der Ausbreitungsrichtung der Strahlung mit der Lichtquelle so gekoppelt, dass eine parallele Strahlführung vorhanden ist und die Strahlung der Zusatzlichtquelle ebenfalls auf die Zielposition gerichtet ist. Die Zusatzlichtquelle kann insbesondere eine Laserlichtquelle sein. Die Zusatzlichtquelle kann mit der Lichtquelle verbunden oder verbindbar sein und ist vorzugsweise in diese integriert, wobei sie sich zum Beispiel in demselben Gehäuse befinden kann.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Sicherungsvorrichtung umfasst die Zusatzlichtquelle, insbesondere in Gestalt einer Laserlichtquelle.
Mit der Zusatzlichtquelle kann, wie erwähnt, vorteilhafterweise Strahlung des sichtbaren Spektrums emittierbar sein.
Die Wellenlängen der Strahlung der Lichtquelle und der Zusatzlichtquelle können sich, wie bereits erwähnt, voneinander unterscheiden.
Günstig ist es, wenn die Sicherungsvorrichtung mindestens ein an der mindestens einen Kamera angeordnetes optisches Filterelement zum Filtern der Strahlung der Lichtquelle und/oder der Zusatzlichtquelle aufweist. Das Filterelement stellt vorzugsweise einen schmalbandigen Bandpass für die Strahlung der Lichtquelle und/oder der Zusatzlichtquelle bereit, um Strahlung anderer Lichtquellen (Raumbeleuchtung, Sonne, Scheinwerfer...) möglichst zu unterdrücken. Dadurch kann die Zuverlässigkeit der Sicherungsvorrichtung gesteigert werden.
Derselbe Vorteil kann dadurch erzielt werden, dass von der Detektionsvorrichtung vorzugsweise eine Intensitätsänderung in einer vorgegebenen oder vorgebbaren Zeiteinheit detektierbar ist, die eine Schwellenwertintensitätsänderung übersteigt.
Als günstig erweist es sich, wenn die mindestens eine Kamera auf von der Lichtquelle und/oder der Zusatzlichtquelle ausgesandte modulierte Strahlung empfindlich ist. Moduliert werden können beispielsweise die Amplitude und/oder die Frequenz der Strahlung der Lichtquelle und/oder der Zusatzlichtquelle. Auch die Modulation erlaubt es, die zu detektierende Strahlung zuverlässiger von Strahlung anderer Lichtquellen zu unterscheiden. Bei konkreter Umsetzung kann zum Beispiel im Falle eines Diodenlasers ungefähr 10% der Strahlungsleistung mit einer Frequenz von ungefähr 10 kHz moduliert werden, ohne die Effizienz der Laserdioden hinsichtlich der Leistungsumwandlung zu beeinträchtigen. Festkörperlaser können zum Beispiel mit einer Frequenz von ungefähr 500 Hz moduliert werden.
Von Vorteil ist es, wenn die Sicherungsvorrichtung eine wahlweise aktivierbare Kontrolllichtquelle umfasst und wenn mit der Detektionseinrichtung feststellbar ist, ob von der Kontrolllichtquelle emittierte Strahlung mit der Detektionseinrichtung detektierbar ist, und wenn bei negativer Feststellung ein Strahlungsunterbrechungssignal an die Lichtquelle übermittelbar ist. Mit der Kontrolllichtquelle kann die zuverlässige Funktion der Detektionseinrichtung überprüft werden. Beispielsweise wird die Kontrolllichtquelle aktiviert und anhand einer Prüfeinheit der Detektionseinrichtung festgestellt, ob Strahlung der Kontrolllichtquelle von der mindestens einen Kamera erfasst werden kann, in deren Sichtfeld sich die Kontrolllichtquelle befindet oder befinden sollte. Bejahendenfalls kann die zuverlässige Funktion der Sicherungsvorrichtung dadurch bestätigt werden. Wird die Strahlung der Kontrolllichtquelle nicht detektiert, kann die Prüfeinheit hieraus eine mögliche Fehlfunktion der Sicherungsvorrichtung feststellen. An einer Hinweiseinheit kann beispielsweise ein Hinweis an eine Bedienperson ausgegeben werden, dass Gegenmaßnahmen erforderlich sind. Das Strahlungsunterbrechungssignal kann zum Beispiel als Strahlungsblockiersignal ausgebildet sein und ein Einschalten der Lichtquelle verhindern.
Die eingangs genannte Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes System zur Nutzung und Sicherung mindestens einer gerichtete elektromagnetische Strahlung emittierenden Lichtquelle gelöst, welches System eine Sicherungsvorrichtung der vorstehend genannten Art und die mindestens eine Lichtquelle umfasst, wobei das System in einem von einer Einfassung umgrenzten Raum positioniert ist und zumindest personenbegehbare Bereiche des Raumes mit der Detektionseinrichtung der Sicherungsvorrichtung überwachbar sind.
Die Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit der Erläuterung der erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung erwähnt wurden, können bei dem System ebenfalls erzielt werden. Besonders vorteilhaft ist die Überwachung zumindest der personenbegehbaren Bereiche des Raumes, um eine Gefährdung von Personen durch fehlgeleitete Strahlung möglichst zu vermeiden. Auch eine Ablenkung des Strahlengangs durch in diesen unbeabsichtigterweise tretende Personen kann vermieden werden.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Betriebssicherung einer gerichtete elektromagnetische Strahlung emittierenden Lichtquelle gelöst, mit der an einer definierten Zielposition ein Leuchtfleck bereitstellbar ist, bei welchem Verfahren mit einer mindestens eine Kamera umfassenden Detektionseinrichtung festgestellt wird, ob ein von der Lichtquelle erzeugbarer Leuchtfleck von der Zielposition abweicht und bei welchem Verfahren bei positiver Feststellung ein Strahlungsunterbrechungssignal an die Lichtquelle übermittelt wird.
Die Vorteile, die unter Einsatz der erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung erzielbar sind, können bei Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens ebenfalls erzielt werden. Diesbezüglich kann auf voranstehende Erläuterungen verwiesen werden. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele des Verfahrens ergeben sich durch vorteilhafte Ausführungsformen der Sicherungsvorrichtung.
Insbesondere kann zumindest eines der nachfolgend genannten vorgesehen sein: Verwendung einer Zusatzlichtquelle, Verwendung eines optischen Filterelementes, Modulation der Strahlung der Lichtquelle und/oder der Zusatzlichtquelle, Detektion über den gesamten oder im Wesentlichen gesamten Raumwinkel, Verwendung relativ zueinander bewegbarer Kameras und/oder mindestens einer frei positionierbaren Kamera, Überwachung zumindest eines personenbegehbaren Bereiches.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1: eine erfindungsgemäße Sicherungsvorrichtung in einem erfindungsgemäßen System in schematischer Darstellung;
2: eine weitere schematische (Teil-)Darstellung des Systems und der Sicherungsvorrichtung aus 1;
3: eine schematische (Teil-)Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung in einem erfindungsgemäßen System;
4: eine schematische (Teil-)Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung in einem erfindungsgemäßen System; und
5: eine schematische (Teil-)Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung in einem erfindungsgemäßen System.
1 zeigt in schematischer Darstellung eine vorteilhafte Ausführungsform eines mit dem Bezugszeichen 10 belegten erfindungsgemäßen Systems, das eine bevorzugte, mit dem Bezugszeichen 12 belegte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung umfasst. Das System 10 umfasst ferner eine Lichtquelle 14.
Das System 10 kommt in einem Einsatzraum 16, der zum Beispiel eine Produktionsumgebung 18 definiert, zum Einsatz. Der Einsatzraum 16 weist eine Einfassung 20 auf, innerhalb derer die Sicherungsvorrichtung 12 und die Lichtquelle 14 positioniert sind. Die Einfassung 20 weist beispielsweise eine Mehrzahl von Wänden 22 auf, die in ihrer Gesamtheit nur in 1 dargestellt sind. Der Einsatzraum 16 ist bei den nachfolgend erwähnten weiteren vorteilhaften Ausführungsformen nicht gezeigt, lediglich die 4 und 5 zeigen eine der Wände 22.
Die Lichtquelle 14 ist vorliegend eine Laserlichtquelle, nachfolgend vereinfacht als Laser 24 bezeichnet. Mit dem Laser 24 kann gerichtete elektromagnetische Strahlung in Form eines Laserstrahls 26 emittiert werden. Der Laserstrahl 26 kann sich längs einer vorgebbaren Richtung 28 ausbreiten.
In der Produktionsumgebung 18 ist ein Zielobjekt 30 angeordnet, das eine Zielposition 32 definiert. Das Zielobjekt 30 ist zum Beispiel ein zu bearbeitendes Werkstück, das vom Laser 24 mittels des Laserstrahls 26 an der Zielposition 32 zu bearbeiten ist. Der Laser 24 wird daher so justiert und der Strahlengang für den Laserstrahl 26 derart gestaltet sein, dass der Laserstrahl 26 auf die Zielposition 32 gerichtet ist. Der Laserstrahl 26 erzeugt an der Zielposition einen Leuchtfleck, bei dem es sich insbesondere um einen Brennfleck handeln kann (etwaige fokussierende Strahlformungselemente sind in der Zeichnung nicht dargestellt).
Bei dem Zielobjekt 30 kann es sich beispielsweise auch um einen Empfänger für elektromagnetische Strahlung handeln, um auf diese Weise Energie vom Laser 24 auf das Zielobjekt 30 zu übertragen. Auch in diesem Fall ist der Laser 24 so justiert und der Strahlengang für den Laserstrahl 26 so gestaltet, dass der Laserstrahl 26 im bestimmungsgemäßen Gebrauch auf die Zielposition 32 gerichtet ist.
Die Wellenlänge der Laserstrahlung des Lasers 24 ist im Hinblick auf die Anwendung am Zielobjekt 30 optimiert. Mit dem Laser 24 kann Licht des infraroten und/oder sichtbaren und/oder ultravioletten Spektrums emittiert werden.
Der Laser 24 und das Zielobjekt 30 können einen räumlichen Abstand in der Größenordnung von einigen Metern und darüber aufweisen.
Speziell für den Fall der Materialbearbeitung oder Energieübertragung ist es möglich, dass die Intensität der Laserstrahlung so hoch ist, dass der Betrieb des Lasers 24 dem Arbeitsschutz unterfällt. Schutzelemente wie die eingangs genannten Laserschutzwände können zum Schutz der Produktionsumgebung 18, darin angeordneter Gerätschaften und sich darin bewegenden Personen vorgesehen sein.
Beim erfindungsgemäßen System ist zur Steigerung der Betriebssicherheit allerdings insbesondere die Sicherungsvorrichtung 12 vorgesehen. Die Sicherungsvorrichtung 12 erlaubt es festzustellen, ob ein Leuchtfleck des Laserstrahles 26 innerhalb der Produktionsumgebung 18 eine von der Zielposition 32 abweichende Position einnimmt. Dies ist beispielhaft in 2 sowie den weiteren 3 bis 5 dargestellt.
Die 2 bis 5 zeigen beispielhaft eine Ablenkung des Laserstrahls 26 zwischen dem Laser 24 und der Zielposition 32 an einer Ablenkposition 34. Die Ablenkung des Laserstrahles 26 erfolgt zum Beispiel durch einen unbeabsichtigterweise in den Strahlengang eingebrachten Gegenstand (nicht gezeigt), an dem eine Reflexion und/oder Streuung des Laserlichts auftritt. Die 2 und 3 zeigen beispielhaft die Ablenkung des Laserstrahls 26 an eine Position 36, die von der Zielposition 32 abweicht. Die 4 und 5 zeigen beispielhaft die Ablenkung des Laserstrahls 26 an ein spiegelndes Objekt 38. Am spiegelnden Objekt 38 wird der Laserstrahl 26 reflektiert und dadurch abermals abgelenkt. Der Laserstrahl 26 trifft beispielsweise an einer weiteren Position 40 auf eine Wand 22.
Die Sicherungsvorrichtung 12 umfasst eine Detektionseinrichtung 42. Die Detektionseinrichtung 42 weist mindestens eine und vorliegend eine Mehrzahl von Kameras 44 auf sowie eine Prüfeinheit 46. Die Kameras 44 sind insbesondere Digitalkameras, die bevorzugt identisch ausgestaltet sind. Jede Kamera 44 ist mit der Prüfeinheit 46 gekoppelt (nur für eine Kamera 44 gezeigt). Die Prüfeinheit 46 ist ihrerseits mit dem Laser 24 gekoppelt. Informationen wie Bildsignale der Kameras 44 können an die Prüfeinheit 46 übertragen werden. Von der Prüfeinheit 46 können Signale an den Laser 24 übertragen werden.
Die Sicherungsvorrichtung 12 kann eine nur in 1 schematisch dargestellte Halteeinrichtung 48 aufweisen. Die Kameras 44 können lösbar oder unlösbar an der Halteeinrichtung 48 festgelegt sein.
Die Kameras 44 der Detektionseinrichtung 32 sind bei der Sicherungsvorrichtung 12 in definierte räumliche Position zum Laser 24 bringbar, zum Beispiel über die Halteeinrichtung 48. Möglich ist auch, dass zumindest zwei Kameras 44 relativ zueinander und relativ zum Laser 24 bewegbar sind. Bei andersartigen vorteilhaften Ausführungsformen, auf die nachfolgend noch eingegangen wird, kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Kamera frei positionierbar ist.
Bei der Sicherungsvorrichtung 12 sind die Kameras 44 derart angeordnet, dass sie eine Sphäre definieren, in deren Zentrum der Laser 24 angeordnet ist. Anders ausgedrückt sind die Kameras 44 vorliegend rings um den Laser 24 positioniert. In 1 ist dies nur in einer Ebene dargestellt, so dass der Laser 24 innerhalb eines von den Kameras 44 definierten Kreises angeordnet ist, jedoch kann die Positionierung der Kameras 44 auch auf eine Sphäre ausgeweitet werden.
Eine jeweilige Kamera 44 weist ein radial nach außen gerichtetes Sichtfeld 50 auf. Die Kameras 44 sind so angeordnet und konfiguriert, dass mit den Sichtfeldern 50 im Wesentlichen der gesamte Raumwinkel (4π) erfasst wird. Ein vom Laserstrahl 26 erzeugter Leuchtfleck kann auf diese Weise von der Detektionseinrichtung 42 über den gesamten Raumwinkel 4π detektiert werden.
In dem bereits erwähnten Fall, dass der Laserstrahl 26 so abgelenkt wird, dass ein Leuchtfleck an der von der Zielposition 32 abweichenden Position 36 erzeugt wird, wird reflektierte oder gestreute Strahlung von den Kameras 44 erfasst. Ein diesbezügliches Signal wird an die Prüfeinheit 46 übermittelt. Die Detektionseinrichtung 42 kann feststellen, dass der Laserstrahl 26 nicht mehr auf die Zielposition 32 gerichtet ist. Dem Laser 24 kann von der Prüfeinheit 46 ein Strahlungsunterbrechungssignal zugeführt werden.
Das Strahlungsunterbrechungssignal kann einerseits ausgebildet sein, den Laser 24 abzuschalten. Andererseits kann vorgesehen sein, dass das Strahlungsunterbrechungssignal zur Manipulation von Strahlungsumlenk- und/oder Strahlformungselementen beispielsweise im Gehäuse des Lasers 24 führt, ohne dass dieser abgeschaltet wird, so dass der Laserstrahl 26 lediglich blockiert wird.
Durch die erfindungsgemäße Strahlungsvorrichtung 12 und das erfindungsgemäße System 10 kann die Betriebssicherheit erheblich gesteigert werden. Es kann sichergestellt werden, dass bei Reflexion, Streuung oder Ausbrechen des Laserstrahls 26 eine Abschaltung oder zumindest eine Blockade des Laserstrahls 26 erfolgt.
In der Zeichnung sind an den Kameras 44 angeordnete bevorzugt vorhandene optische Filterelemente 52 angedeutet. Die Filterelemente 52 dienen zum schmalbandigen Filtern der Strahlung des Lasers 24, um den Einfluss von Streulicht anderer Lichtquellen, beispielsweise Beleuchtung in der Produktionsumgebung 18 oder Sonnenlicht, zu verringern. Die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit des Systems 10 und der Sicherungsvorrichtung 12 werden dadurch gesteigert.
Um denselben Vorteil zu erzielen ist es günstig, wenn die Strahlung des Lasers 24 moduliert wird. Eine Amplitudenmodulation und eine Frequenzmodulation sind beispielsweise denkbar. Die Detektionseinrichtung 42 kann unter Berücksichtigung der Modulation Signalanteile des Laserlichts von Strahlung andersartiger Lichtquellen unterscheiden und dadurch das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessern.
Die 3 zeigt ein mit dem Bezugszeichen 60 belegtes erfindungsgemäßes System, das eine erfindungsgemäße Sicherungsvorrichtung 62 umfasst. Für gleiche oder gleichwirkende Merkmale und Bauteile der Systeme 10, 60 bzw. der Sicherungsvorrichtung 12, 62 werden identische Bezugszeichen benutzt. Entsprechendes gilt für weiter unten erläuterte Systeme 80, 100 und Sicherungsvorrichtungen 82, 102.
Nachfolgend wird nur auf die wesentlichen Unterschiede zum dem bereits Gesagten eingegangen.
Die Sicherungsvorrichtung 62 umfasst eine Zusatzlichtquelle 64, die vorliegend ebenfalls als Laserlichtquelle ausgestaltet ist und nachfolgend als Laser 66 bezeichnet wird.
Der Laser 66 ist bevorzugt in den Laser 24 integriert, wodurch insbesondere verstanden werden kann, dass diese in einem gemeinsamen Gehäuse 68 positioniert sind.
Der Laser 66 kann gerichtete elektromagnetische Strahlung mittels eines Laserstrahls 70 emittieren. Der Laserstrahl 70 ist parallel zum Laserstrahl 26 geführt und im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Systems daher ebenfalls auf die Zielposition 32 gerichtet. Die Zeichnung zeigt die Laserstrahlen 26 und 70 zur Verdeutlichung nebeneinander liegend, die Laserstrahlen 26 und 70 können selbstverständlich jedoch auch übereinander liegen, wenn sie über eine geeignete Optik ausgekoppelt werden.
Die Wellenlängen der Strahlung der Laser 24 und 66 können unterschiedlich sein. Dies ist zum Beispiel insbesondere dann von Vorteil, wenn die Strahlung des Lasers 24 außerhalb des sichtbaren Spektrums liegt. Besonders in diesem Fall ist es von Vorteil, wenn die Strahlung des Lasers 66 im Bereich des sichtbaren Spektrums liegt. Personen, die sich in der Produktionsumgebung 18 aufhalten, können dadurch anhand von Leuchtflecken des Laserstrahls 70 feststellen, dass dieser aus dem vorgesehenen Strahlengang reflektiert oder gestreut worden ist. Entsprechendes gilt dann auch für den sich in derselben Richtung 28 ausbreitenden Laserstrahl 26.
Bei Vorhandensein des Lasers 66 sind die Kameras 44 insbesondere hinsichtlich der spektralen Empfindlichkeit auf dessen Wellenlänge eingestellt. Die Filterelemente 52 sind vorzugsweise schmalbandige Bandpassfilter für die Wellenlänge der Strahlung des Lasers 66. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Kameras 44 auch bei der Sicherungsvorrichtung 62 zur Detektion der Strahlung des Lasers 24 selbst ausgelegt sind.
Die 4 zeigt ein mit dem Bezugszeichen 80 belegtes erfindungsgemäßes System und eine mit dem Bezugszeichen 82 belegte erfindungsgemäße Sicherungsvorrichtung. Diese basieren auf dem System 10 bzw. der Sicherungsvorrichtung 12, könnten jedoch auch auf dem System 60 und der Sicherungsvorrichtung 62 basieren.
Beim System 80 existiert innerhalb des Einsatzraums 16 ein Totraum 84. Der Totraum 84 entsteht dadurch, dass in der Produktionsumgebung 18 ein Strahlung abschirmendes Objekt 86 positioniert ist, beispielsweise eine Wand oder eine Gerätschaft.
Der vom spiegelnden Objekt 38 reflektierte Laserstrahl 26 trifft an der Position 40 auf die Wand 22. Die Position 40 ist im Totraum 84 in Bezug auf die Kameras 44, die den Laser 24 umgeben. Der vom Laserstrahl 26 an der Position 40 erzeugte Leuchtfleck an der Wand 22 kann daher von keiner der den Laser 24 umgebenden Kameras 44 mit deren Sichtfeldern 50 erfasst werden.
Die Sicherungsvorrichtung 82 weist allerdings zwei weitere Kameras 88 auf, die frei relativ zueinander und relativ zu den Kameras 44 positioniert sind. Auch die Kameras 88 sind mit der Prüfeinheit 46 gekoppelt. Sichtfelder 90 der Kameras 88 sind in den Totraum 84 gerichtet. Dies gibt die Möglichkeit, auch bei Auftreten des Laserstrahls 26 im Totraum 84 Strahlung zu erfassen und dadurch eine Abweichung des Laserstrahls 26 von der Zielposition 32 festzustellen. Die Betriebssicherheit kann dadurch weiter gesteigert werden.
Ein weiteres erfindungsgemäßes System 100 mit einer erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung 102. Diese basieren auf dem System 80 und der Sicherungsvorrichtung 82, wobei auch in diesem Fall das System 60 und die Sicherungsvorrichtung 62 die Basis bilden könnten.
Bei der Sicherungsvorrichtung 102 ist mindestens eine Kontrolllichtquelle 104 vorgesehen. Die Kontrolllichtquelle 104 ist mit der Detektionseinrichtung 42 gekoppelt, insbesondere mit der Prüfeinheit 46 (nicht gezeigt).
Die Kontrolllichtquelle 104 kann selektiv von der Prüfeinheit 46 aktiviert und deaktiviert werden. Die Kontrolllichtquelle 104 wird aktiviert, um die Funktion mindestens einer der Kameras 44, 88 zu überprüfen. Vorliegend ist der Einsatz der Kontrolllichtquelle 104 im Totraum 84 zur Kontrolle der Funktion der Kameras 88 dargestellt. Dabei wird die Kontrolllichtquelle 104 aktiviert, und in der Prüfeinheit 46 wird festgestellt, ob Strahlung von zumindest einer Kamera 88 detektiert werden kann. Bejahendenfalls stellt die Prüfeinheit 46 fest, dass die Sicherungsvorrichtung 102 zuverlässig arbeitet.
Anderenfalls kann die Prüfeinheit 46 ein Strahlungsunterbrechungssignal an den Laser 44 übermitteln. Dieses Strahlungsunterbrechungssignal kann ein Blockiersignal sein oder ausbilden, das die Aktivierung des Lasers 24 verhindert. An einer nicht gezeigten Hinweiseinheit kann ein Hinweis für eine Bedienperson ausgegeben werden, erforderliche Gegenmaßnahmen zu treffen.
Selbstverständlich kann eine Mehrzahl von Kontrolllichtquellen 104 vorhanden sein. Die mindestens eine Kontrolllichtquelle 104 kann fest installiert oder frei positionierbar sein.
Bezugszeichenliste

10: System
12: Sicherungsvorrichtung
14: Lichtquelle
16: Einsatzraum
18: Produktionsumgebung
20: Einfassung
22: Wand
24: Laser
26: Laserstrahl
28: Richtung
30: Zielobjekt
32: Zielposition
34: Ablenkposition
36: Position
38: spiegelndes Objekt
40: Position
42: Detektionseinrichtung
44: Kamera
46: Prüfeinheit
48: Halteeinrichtung
50: Sichtfeld
52: Filterelement
60: System
62: Sicherungsvorrichtung
64: Zusatzlichtquelle
66: Laser
68: Gehäuse
70: Laserstrahl
80: System
82: Sicherungsvorrichtung
84: Totraum
86: Objekt
88: Kamera
90: Sichtfeld
100: System
102: Sicherungsvorrichtung
104: Kontrolllichtquelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007038780 B3 [0005]
EP 1930114 A1 [0005]

Claims

Sicherungsvorrichtung zur Verwendung mit einer gerichtete elektromagnetische Strahlung emittierenden Lichtquelle (14), mit der an einer definierten Zielposition (32) ein Leuchtfleck bereitstellbar ist, wobei die Sicherungsvorrichtung (12; 62; 82; 102) eine Detektionseinrichtung (42) mit mindestens einer ein Sichtfeld (50, 90) aufweisenden ortsauflösenden Kamera (44, 88) umfasst, wobei die Detektionseinrichtung (42) mit der Lichtquelle (14) gekoppelt oder koppelbar ist, und wobei mit der Detektionseinrichtung (42) eine Abweichung des Leuchtflecks zu einer von der Zielposition (32) unterschiedlichen Position (36, 40) im Sichtfeld (50, 90) der mindestens einen Kamera (44, 88) feststellbar ist und der Lichtquelle (14) bei positiver Feststellung ein Strahlungsunterbrechungssignal übermittelbar ist.
Sicherungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsvorrichtung (12; 62; 82; 102) die Lichtquelle umfasst, insbesondere dass die Lichtquelle (14) eine Laserlichtquelle (24) ist.
Sicherungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsvorrichtung (12; 62; 82; 102) so ausgebildet ist, dass der gesamte oder im Wesentlichen gesamte die Lichtquelle (14) umgebende Raumwinkel vom Sichtfeld (50, 90) der mindestens einen Kamera (44, 88) erfassbar ist.
Sicherungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsvorrichtung (12; 62; 82; 102) eine Mehrzahl von Kameras (44, 88) umfasst, die so zueinander positioniert oder positionierbar sind, dass die Lichtquelle (14) in einer von den Kameras (44) definierten Sphäre positioniert ist.
Sicherungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsvorrichtung (12; 62; 82; 102) eine Halteeinrichtung (48) für die Detektionseinrichtung (42) umfasst, an der mindestens eine Kamera (44) festgelegt ist, und dass die Halteeinrichtung (48) vorzugsweise an der Lichtquelle (14) festlegbar ist oder umgekehrt.
Sicherungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsvorrichtung (12; 62; 82; 102) zwei oder mehr relativ zueinander bewegbare Kameras (44, 88) aufweist.
Sicherungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsvorrichtung (12; 62; 82; 102) mindestens eine frei positionierbare Kamera (88) aufweist, insbesondere zwei oder mehr relativ zueinander frei positionierbare Kameras (88).
Sicherungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsunterbrechungssignal als Abschaltsignal zum Abschalten der Lichtquelle (14) oder als Blockiersignal zum Blockieren eines Strahlenganges der Strahlung ausgebildet ist.
Sicherungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Empfindlichkeit der mindestens einen Kamera (44, 88) im infraroten und/oder sichtbaren und/oder ultravioletten Spektrum.
Sicherungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Detektionseinrichtung (42) ein Leuchtfleck der Lichtquelle (14) detektierbar ist.
Sicherungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Detektionseinrichtung (42) ein Leuchtfleck einer Zusatzlichtquelle (64) detektierbar ist, die in definierter räumlicher Orientierung zur Lichtquelle (14) steht oder bringbar ist und von der gerichtete elektromagnetische Strahlung an die Zielposition (32) emittierbar ist.
Sicherungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsvorrichtung (62; 82; 102) die Zusatzlichtquelle (64) umfasst, insbesondere dass die Zusatzlichtquelle (64) eine Laserlichtquelle (66) ist.
Sicherungsvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Zusatzlichtquelle (64) Strahlung des sichtbaren Spektrums emittierbar ist.
Sicherungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlängen der Strahlung der Lichtquelle (14) und der Zusatzlichtquelle (64) unterschiedlich sind.
Sicherungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsvorrichtung (12; 62; 82; 102) mindestens ein an der mindestens einen Kamera (44, 88) angeordnetes optisches Filterelement (52) zum Filtern der Strahlung der Lichtquelle (14) und/oder der Zusatzlichtquelle (64) aufweist.
Sicherungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Empfindlichkeit der mindestens einen Kamera (44, 88) auf von der Lichtquelle (14) und/oder der Zusatzlichtquelle (64) ausgesandte modulierte Strahlung.
Sicherungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsvorrichtung (102) eine wahlweise aktivierbare Kontrolllichtquelle (104) umfasst und dass mit der Detektionseinrichtung (42) feststellbar ist, ob von der Kontrolllichtquelle (104) emittierte Strahlung mit der Detektionseinrichtung (42) detektierbar ist, und dass bei negativer Feststellung ein Strahlungsunterbrechungssignal an die Lichtquelle (14) übermittelbar ist.
System zur Nutzung und Sicherung mindestens einer gerichtete elektromagnetische Strahlung emittierenden Lichtquelle, umfassend eine Sicherungsvorrichtung (12; 62; 82; 102) nach einem der voranstehenden Ansprüche und die mindestens eine Lichtquelle (14), wobei das System (10, 60; 80; 100) in einem von einer Einfassung (20) umgrenzten Raum positioniert ist und zumindest personenbegehbare Bereiche des Raumes mit der Detektionseinrichtung (42) der Sicherungsvorrichtung (12; 62; 82; 102) überwachbar sind.
Verfahren zur Betriebssicherung einer gerichtete elektromagnetische Strahlung emittierenden Lichtquelle, mit der an einer definierten Zielposition ein Leuchtfleck bereitstellbar ist, bei welchem Verfahren mit einer mindestens eine Kamera umfassenden Detektionseinrichtung festgestellt wird, ob ein von der Lichtquelle erzeugbarer Leuchtfleck von der Zielposition abweicht und bei dem bei positiver Feststellung ein Strahlungsunterbrechungssignal an die Lichtquelle übermittelt wird.