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Die
Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung. Eine derartige Schutzeinrichtung
ist aus der
DE 197 17
299 C2 bekannt. Diese dient zur Sicherung von Maschinen
wie zum Beispiel Abkantpressen, Schneidmaschinen oder Stanzmaschinen.
Diese Maschinen weisen ein erstes Maschinenteil auf, welches Arbeitsbewegungen
gegen ein zweites Maschinenteil ausführt. Bei einer Abkantpresse
besteht das erste Maschinenteil aus einem Oberwerkzeug, welches
in vertikaler Richtung auf ein das zweite Maschinenteil bildende
Unterwerkzeug zubewegt werden kann, um einen Abkantvorgang auszuführen.
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Um
Gefährdungen
von Personen auszuschließen,
muss das Vorfeld vor dem Oberwerkzeug oder generell vor dem ersten
Maschinenteil überwacht
werden, um bei einem Eingriff einer Person in diesen Gefahrenbereich
die Maschine sofort anzuhalten.
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Diese
Schutzfunktion wird mit der Schutzeinrichtung gewährleistet,
wobei diese Schutzeinrichtung eine optische Sensoranordnung aufweist,
mittels derer ein bestimmter Schutzbereich überwacht wird.
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Bei
der Schutzeinrichtung gemäß der
DE 197 17 299 C2 ist
die optische Sensoranordnung von einer Lichtschranke oder einer
Lichtschrankenanordnung gebildet, welche mit dem ersten Maschinenteil mitbewegt
wird. Die oder jede Lichtschranke weist einen Sendelichtstrahlen
emittierenden Sender und einen zugeordneten Empfänger auf, welche an gegenüberliegenden
Rändern
des ersten Maschinenteils befestigt werden. Die von dem oder jedem
Sender emittierten Sendelichtstrahlen verlaufen parallel zur längs einer
Geraden verlaufenden Unterkante des ersten Maschinenteils und treffen
bei freiem Schutzbereich ungehindert auf den zugeordneten Empfänger. Bei
einem Objekteingriff in den Schutzbereich wird wenigstens der Strahlengang
einer Lichtschranke unterbrochen, worauf die von dem ersten Maschinenteil
durchgeführte
Arbeitsbewegung unterbrochen wird.
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Damit
der mit der Lichtschranke oder der Lichtschrankenanordnung erfasste
Schutzbereich den Gefahrenbereich der Maschine möglichst vollständig abdeckt,
ist es erforderlich, dass die Sendelichtstrahlen der oder jeder
Lichtschranke in einem bestimmten Sicherheitsabstand zur Unterkante
des ersten Maschinenteils verlaufen. Zur Einstellung dieses Sicherheitsabstandes
ist eine weitere Lichtschranke vorgesehen, deren Sendelichtstrahlen
auf der Höhe
der Unterkante des ersten Maschinenteils verlaufen. Während eines
Justiervorganges wird die optische Sensoranordnung am ersten Maschinenteil so
lange verschoben, bis eine Strahlunterbrechung an der für die Justage
vorgesehenen Lichtschranke registriert wird. Danach wird die Sensoranordnung geringfügig wieder
in entgegengesetzter Richtung bewegt, bis die Strahlunterbrechung
an dieser Lichtschranke gerade wieder aufgehoben ist.
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Nachteilig
bei dieser Schutzeinrichtung ist zum einen, dass mit dieser ein
Gefahrenbereich nur punktuell entlang der Strahlachsen der Sendelichtstrahlen
der Lichtschranken überwacht
werden kann. Dies ist insbesondere dann problematisch, wenn zur Gewährleistung
eines ausreichenden Personenschutzes auch kleine Objektgrößen, wie
zum Beispiel Finger einer Hand oder dergleichen detektiert werden
müssen.
Weiterhin ist nachteilig, dass zur Überwachung des gewünschten
Gefahrenbereichs die Lichtschranken in einem Justiervorgang auf
einen Sicherheitsabstand zu dem ersten Maschinenteil eingestellt
werden müssen,
was umständlich
und zweitaufwändig
ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzeinrichtung der
eingangs genannten Art bereitzustellen, mit welcher eine sichere
und vollständige Überwachung
eines Gefahrenbereiches an einer Maschine ermöglicht wird.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die
erfindungsgemäße Schutzeinrichtung
für eine
Maschine weist ein erstes Maschinenteil auf, welches Arbeitsbewegungen
gegen ein zweites Maschinenteil ausführt, sowie eine mit dem ersten
Maschinenteil mitbewegte optische Sensoranordnung zur Überwachung
eines Schutzbereichs. Die optische Sensoranordnung weist eine Sendereinheit
zur Generierung von im Schutzbereich verlaufenden Projektionslichtstrahlen
auf, wobei bei freiem Schutzbereich die Projektionslichtstrahlen
auf ein Projektionsmedium als Projektionsmuster abgebildet werden,
welche mittels einer Kamera erfassbar sind. In einer Auswerteeinheit
wird ein Objektfeststellungssignal generiert, falls das Projektionsmuster
von der Kamera nicht vollständig
erfasst wird.
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Ein
wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung besteht
darin, dass mit dieser ein großflächiger Schutzbereich überwacht
werden kann, wobei die Querschnittsfläche des Schutzbereichs im Wesentlichen
durch die Fläche
des Projektionsmediums und der photoempfindlichen Fläche der
Kamera vorgegeben ist. Damit kann der Schutzbereich insbesondere
derart dimensioniert werden, dass der Gefahrenbereich der Maschine,
innerhalb dessen Eingriffe von Personen zu Verletzungen führen können, vollständig von
dem mit der optischen Sensoranordnung erfassten Schutzbereich vollständig abgedeckt
werden kann.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung besteht
darin, dass diese eine hohe Ortsauflösung aufweist, so dass mit
dieser auch kleinere Objektgrößen, insbesondere
auch Finger einer menschlichen Hand sicher erfasst werden können. Die
Ortsauflösung
der optischen Sensoranordnung kann durch das Projektionsmuster,
welches auf das Projektionsmedium projiziert wird, flexibel vorgegeben
werden. Dabei werden zur Erzeugung des Projektionsmusters von der
Sendeeinheit Projektionslichtstrahlen emittiert, die vorzugsweise
parallel innerhalb des Schutzbereichs verlaufen. Je nach Ausbildung
der Sendeeinheit werden als Projektionsmuster Linienmuster oder Punkteraster
auf das Projektionsmedium projiziert. Die Strukturbereiten des Projektionsmusters,
d. h. die Abstände
einzelner Linien oder Punkte definieren die Ortsauflösung. Die
Strukturbreiten werden dabei derart gewählt, dass diese kleiner als
die minimalen Objektgrößen der
zu erfassenden Objekte innerhalb des Schutzbereichs sind, wodurch
diese Objekte sicher erfasst werden können.
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Die
Objekterfassung erfolgt dabei mittels eines Referenzbildvergleichs.
Bei freiem Schutzbereich wird das Projektionsmuster vollständig auf
das Projektionsmedium abgebildet und mittels der Kamera erfasst.
Das so erfasste Projektionsmuster wird in der Auswerteeinheit als
Referenzbild abgespeichert. Während
des nachfolgenden Betriebs der Schutzeinrichtung werden die aktuellen
mit der Kamera registrierten Bilder mit dem Referenzbild verglichen.
Bei einer signifikanten Abweichung dieses aktuellen Bildes mit dem
Referenzbild wird in der Auswerteeinheit ein entsprechendes Objektfeststellungssignal
generiert, welches zweckmäßigerweise
zum Abschalten der Maschine und somit zum abrupten Stillstand des
ersten Maschinenteils führt.
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Generell
kann die Bildauswertung in der Auswerteeinheit auch derart erweitert
sein, dass in dieser Objekteingriffe von sicherheitskritischen Objekten, insbesondere
Personen, von Objekteingriffen von nicht sicherheitskritischen Objekten,
wie zum Beispiel den mit der Maschine zu bearbeitenden Teilen, unterschieden
werden können.
In diesem Fall wird in der Auswerteeinheit nur dann ein Abschaltbefehl
für die
Maschine generiert, falls ein sicherheitskritisches Objekt in dem
Schutzbereich registriert wurde.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung sieht hierbei vor, dass der Randbereich des ersten
Maschinenteils, insbesondere der Bereich der Kante des ersten Maschinenteils,
welcher auf das zweite Maschinenteil zubewegt wird, in dem Sichtfeld
der Kamera liegt. In diesem Fall wird dieser Teil des ersten Maschinenteils
bei der Referenzbilderfassung von der Kamera miterfasst und bildet
so einen definierten Ausschnitt des Referenzbildes. Dementsprechend
wird beim Abspeichern des Referenzbildes in der Auswerteeinheit
dieser Bereich des Maschinenteils als nicht sicherheitskritisches Objekt
innerhalb des von der optischen Sensoranordnung erfassten Schutzbereichs
klassifiziert. Da die optische Sensoranordnung mit dem ersten Maschinenteil
mitbewegt wird, ändert
sich die Lage des in das Sichtfeld der Kamera ragenden Bereichs
des ersten Maschinenteils nicht, so dass dieser Bereich innerhalb
des Referenzbildes und der darauf folgend aufgenommenen Bilder immer
konstant bleibt. Dieser Bereich kann als nicht sicherheitskritisches
Objekt somit eindeutig von in den Schutzbereich eindringenden sicherheitskritischen
Objekten eindeutig unterschieden werden.
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Ein
wesentlicher Vorteil hierbei besteht darin, dass während des
Betriebs der Schutzeinrichtung nicht nur das Eindringen von sicherheitskritischen Objekten
in den Schutzbereich erfasst werden kann. Zudem kann auch eine Information über den
Abstand eines derartigen sicherheitskritischen Objekts zum ersten
Maschinenteil direkt aus den aktuell ermittelten Bildern der Kamera
gewonnen werden.
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Die
Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1: Schematische Darstellung
eines ersten Ausführungsbeispiels
einer Schutzeinrichtung für eine
Maschine mit einer einen Schutzbereich überwachenden optischen Sensoranordnung.
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2: Schematische Darstellung
eines Projektionsmusters auf dem Projektionsmedium der optischen
Sensoranordnung gemäß 1.
a) bei freiem Strahlengang
b)
bei einem Objekteingriff
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3: Schematische Darstellung
eines zweiten Ausführungsbeispiels
einer Schutzeinrichtung.
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4: Schematische Darstellung
eines Projektionsmusters auf dem Projektionsmedium der optischen
Sensoranordnung gemäß 3.
a) bei freiem Strahlengang
b)
bei einem Objekteingriff
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1 zeigt schematisch ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer Schutzeinrichtung 1 für eine Maschine, welche ein
erstes Maschinenteil 2 aufweist, das gegen ein zweites
Maschinenteil 3 zur Durchführung von Arbeitsbewegungen
bewegt werden kann.
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Die
Maschine kann prinzipiell von einer Schneidmaschine, einer Stanzmaschine
oder dergleichen gebildet sein.
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Im
vorliegenden Fall ist die Maschine von einer Abkantpresse gebildet,
mittels derer nicht dargestellte Blechteile und dergleichen bearbeitet
werden. Das erste Maschinenteil 2 ist von einem in vertikaler Richtung
verfahrbaren Oberwerkzeug gebildet. Die Bewegungsrichtung des Oberwerkzeugs
ist mit einem Doppelpfeil in 1 veranschaulicht.
Das zweite Maschinenteil 3 ist von einem stationären Unterwerkzeug
gebildet.
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Zur
Durchführung
eines Abkantvorganges wird das Oberwerkzeug auf das Unterwerkzeug
zubewegt, wobei die Bewegungen des Oberwerkzeugs mittels einer nicht
dargestellten Steuereinheit gesteuert werden, welche Bestandteil
der Maschine ist.
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Bei
derartigen Abkantvorgängen
bildet der an die Unterkante des Oberwerkzeugs anschließende Bereich
einen Gefahrenbereich, der mit der Schutzeinrichtung 1 überwacht
wird. Eine Gefährdung
für Personen
entsteht dann, wenn eine Bedienperson mit einer Hand oder einem
Finger im Bereich zwischen Oberwerkzeug und Unterwerkzeug greift, wenn
das Oberwerkzeug bereits dicht vor dem Unterwerkzeug liegt.
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Die
Schutzeinrichtung 1 weist eine optische Sensoranordnung
auf, mittels derer ein Schutzbereich überwacht wird, welcher an diesen
Gefahrenbereich angepasst ist.
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Die
optische Sensoranordnung weist eine Projektionslichtstrahlen 4 emittierende
Sendeeinheit 5, ein Projektionsmedium 6 sowie
eine Kamera 7 auf, wobei der von Projektionslichtstrahlen 4 überdeckte Raumbereich
den Schutzbereich definiert.
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Die
optische Sensoranordnung ist dabei mittels Befestigungsmitteln 8,
wie zum Beispiel Haltewinkeln, an dem Oberwerkzeug fixiert und wird
mit diesem mitbewegt. Dadurch ist gewährleistet, dass die Lage des
Schutzbereichs relativ zum Oberwerkzeug konstant ist. Somit wird
mit der optischen Sensoranordnung der an die Unterkante des Oberwerkzeugs
angrenzende Bereich überwacht.
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Die
Sendeeinheit 5 generiert ein Bündel parallel laufender Projektionslichtstrahlen 4,
die mittels eines Strahlteilerspiegels 9 abgelenkt werden,
so dass diese parallel zur Unterkante des Oberwerkzeugs verlaufen.
Im vorliegenden Fall verläuft
der obere Rand des Strahlenbündels
in einem konstanten Abstand zur Unterkante des Oberwerkzeugs. Die Sendeeinheit 5 und
der Strahlteilerspiegel 9 sind mittels der Befestigungsmittel 8 seitlich
am Oberwerkzeug an einem ersten Rand des Schutzbereichs angeordnet.
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Die
Sendeeinheit 5 kann aus einer Flächenanordnung von einzelnen
Sendern, vorzugsweise Lasern, besehen. Alternativ kann auch ein
einzelner Sender vorgesehen sein. Weiterhin kann die Sendeeinheit 5 eine
nicht dargestellte Optikeinheit zur Generierung der Projektionslichtstrahlen 4 aufweisen.
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In
jedem Fall werden bei freiem Schutzbereich die von der Sendeeinheit 5 emittierten
Projektionslichtstrahlen 4 auf das Projektionsmedium 6 abgebildet,
wodurch dort ein Projektionsmuster 10 generiert wird.
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Im
vorliegenden Fall wird mit den Projektionslichtstrahlen 4 der
Sendeeinheit 5 ein Linienmuster generiert. 2a zeigt das bei freiem Schutzbereich
vollständig
auf das Projektionsmedium 6 abgebildete Linienmuster. Alternativ
kann als Projektionsmuster 10 auch ein Punkteraster generiert
werden.
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Das
Projektionsmedium 6 ist von einer Mattscheibe oder einer
Leinwand gebildet und ist seitlich am Oberwerkzeug montiert, so
dass die Sendeeinheit 5 mit dem Strahlteilerspiegel 9 einerseits
und das Projektionsmedium 6 andererseits beidseits des Oberwerkzeugs
einander gegenüberliegen
und so den Schutzbereich begrenzen.
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Das
Projektionsmuster 10 weist generell Strukturbreiten auf,
die kleiner als die Mindestgrößen der
zu erfassenden Objekte sind. Die Strukturbreiten sind im vorliegenden
Fall von den Abständen
benachbarter Linien des Projektionsmusters 10 gebildet.
Im Fall eines Punkterasters sind die Strukturbreiten durch die Abstände benachbarter
Lichtpunkte des Projektionsmusters 10 definiert. Generell
sind die Strukturbreiten durch die Abstände benachbarter Projektions lichtstrahlen 4 innerhalb
des den Schutzbereich definierenden Strahlenbündels definiert.
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Die
Kamera 7 ist im vorliegenden Fall hinter dem Strahlteilerspiegel 9 angeordnet,
so dass die von dem Projektionsmedium 6 reflektierten Projektionslichtstrahlen 4 und
damit das Projektionsmuster 10 von der Kamera 7 erfasst
werden. Die Kamera 7 weist eine flächige, vorzugsweise rechteckige
oder quadratische Anordnung von photoempfindlichen Elementen, insbesondere
CCD-Elementen oder CMOS-Elementen auf.
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Die
Kamera 7 ist an eine Auswerteeinheit 11 angeschlossen,
in welcher die Auswertung der mit der Kamera 7 generierten
Bildinformationen erfolgt. Weiterhin ist die Auswerteeinheit 11 auch
an die Sendeeinheit 5 angeschlossen und übernimmt
deren Ansteuerung. Die Auswerteeinheit 11 besteht im vorliegenden
Fall aus einem redundanten Mikroprozessorsystem.
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Die
Signalauswertung in der Auswerteeinheit 11 zur Erfassung
von Objekten innerhalb des Schutzbereichs erfolgt nach der Methode
eines Referenzbildvergleichs. Vor Inbetriebnahme der Schutzeinrichtung 1 wird
bei freiem Schutzbereich das Projektionsmuster 10 gemäß 2a mittels der Kamera 7 erfasst
und als Referenzbild in der Auswerteeinheit 11 abgespeichert.
Während
des nachfolgenden Betriebs der Schutzeinrichtung 1 werden
die in der Kamera 7 aktuell registrierten Bilder mit dem
Referenzbild verglichen. Stimmt das aktuelle Bild mit dem Referenzbild überein,
so liegt ein freier Schutzbereich vor. Bei einem Objekteingriff
in den Schutzbereich bei welchem wie in 2b dargestellt ein Gegenstand G in den
Strahlengang der Projektionslichtstahlen 4 ragt, wird durch
diesen ein Teil der Projektionslichtstrahlen 4 abgeschattet.
Damit weicht das aktuell mit der Kamera 7 detektierte Projektionsmuster 10 von dem
Referenzbild ab. Aufgrund dieser Abweichung wird in der Auswerteeinheit 11 ein
Objektfeststellungssignal generiert. Zweckmäßigerweise weist die Auswerteeinheit 11 einen
sicherheitsrelevanten Schaltausgang auf, über welchen ein binäres Schaltsignal
ausgegeben wird. Der erste Schaltzustand des Schaltsignals entspricht
einem freien Schutzbereich, der zweite Schaltzustand einen Objekteingriff.
Dieses Schaltsignal dient zur Steuerung der Maschine. Nimmt das
Schaltsignal den ersten Schaltzustand ein, wird die Maschine aktiviert.
Nimmt das Schaltsignal den zweiten Schaltzustand ein, so wird die
Maschine deaktiviert.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der
Schutzeinrichtung 1. Analog zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist die Schutzeinrichtung 1 an einer
Abkantpresse angeordnet. Dabei ist die optische Sensoranordnung
wiederum mit Befestigungsmitteln 8 an dem Oberwerkzeug
befestigt und wird mit diesem mitbewegt. Der Aufbau der einzelnen Komponenten
der Schutzeinrichtung 1 entspricht der Ausführungsform
gemäß 1.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 sind die Sendereinheit
und das Projektionsmedium 6 an gegenüberliegenden Rändern des
Oberwerkzeugs montiert. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 ist die Kamera 7 mit
der Auswerteeinheit 11 unmittelbar hinter dem Projektionsmedium 6 angeordnet.
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Die
mit der Sendeeinheit 5 generierten Projektionslichtstrahlen 4 bilden
ein Bündel
parallel laufender Strahlen, welche parallel zur Unterkante des Oberwerkzeugs
verlaufen. Die Projektionslichtstrahlen 4 definieren wiederum
den Schutzbereich, welcher an die Unterkante des Oberwerkzeugs anschließt.
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Im
Unterschied zum Ausführungsbeispiel
gemäß 1 wird das durch die Projektionslichtstahlen 4 auf
dem Projektionsmedium 6 generierte Projektionsmuster 10 mittels
der Kamera 7 im Durchlichtverfahren registriert, d.h. die
Kamera 7 erfasst das auf der Rückseite des Projektionsmediums 6 erscheinende
Projektionsmuster 10.
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Ein
weiterer Unterschied zur Ausführungsform
gemäß 1 besteht darin, dass im
vorliegenden Fall die Unterkante des Oberwerkzeugs in den von den
Projektionslichtstrahlen 4 erfassten Schutzbereich ragt.
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Dementsprechend
wird bei freiem Schutzbereich das in 4a dargestellte
Projektionsmuster 10 erhalten. Da die Projektionslichtstrahlen 4 durch das
Oberwerkzeug teilweise abgeschattet sind, wird das Linienmuster
der Projektionslichtstrahlen 4 nur unvollständig auf
das Projektionsmedium 6 abgebildet. Wie aus 4a ersichtlich wird somit
der mit K bezeichnete Kantenbereich des Oberwerkzeugs auf dem Projektionsmedium 6 mit
erfasst.
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Das
dem freien Schutzbereich entsprechende Projektionsmuster 10 gemäß 4a wird vor Inbetriebnahme
der Schutzeinrichtung 1 in der Auswerteeinheit 11 als
Referenzbild abgespeichert. Der in den Schutzbereich ragende Kantenbereich
des Oberwerkzeugs wird dabei als nicht sicherheitsrelevantes Objekt
definiert.
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Während des
nachfolgenden Betriebs der Schutzeinrichtung 1 werden wiederum
die aktuellen Bilder der Kamera 7 mit dem Referenzbild
verglichen. Da die optische Sensoranordnung mit dem Oberwerkzeug
mitbewegt wird, ändert
sich die Lage des Kantenbereichs des Oberwerkzeugs innerhalb des Schutzbereichs
nicht. Daher wird bei freiem Schutzbereich, d.h. für den Fall,
dass nur der Kantenbereich K als nicht sicherheitskritisches Objekt
in den Schutzbereich ragt, eine Übereinstimmung
der aktuellen Bilder mit dem Referenzbild registriert, worauf über den Schaltausgang
der Auswerteeinheit 11 die Maschine aktiviert wird.
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Ragt
wie in 4 dargestellt
ein zusätzlicher Gegenstand
G in den Schutzbereich, so stimmt das aktuelle Bild der Kamera 7 mit
dem Referenzbild nicht überein.
Das so registrierte sicherheitskritische Objekt führt dann
zur Deaktivierung der Maschine.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
kann die Auswertung der Bildinformationen in der Auswerteeinheit 11 dahingehend
erweitert werden, dass eine Information über den Abstand des sicherheitskritischen
Objekts zum Oberwerkzeug gewonnen wird. Hierzu wird in dem jeweils
aktuellen Bild der Abstand des registrierten Gegenstands G zum Kantenbereich
K ausgewertet.
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- 1
- Schutzeinrichtung
- 2
- Erstes
Maschinenteil
- 3
- Zweites
Maschinenteil
- 4
- Projektionslichtstrahlen
- 5
- Sendeeinheit
- 6
- Projektionsmedium
- 7
- Kamera
- 8
- Befestigungsmittel
- 9
- Strahlteilerspiegel
- 10
- Projektionsmuster
- 11
- Auswerteeinheit