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Lichtelektrische Schranke Die Erfindung bezieht sich auf eine lichtelektrische
Schranke mit einer impulsartiges Licht ausstrahlenden Lichtquelle und einer auf
die Impulsfrequenz abgestimmten Lichtempfängeranordnung.
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Lichtelektrische Schutzeinrichtungen in Form von Lichtvorhängen sind
bekannt. Bei einer bekannten Ausführungsform wird durch einen Schwingspiegel eine
pendelnde Bewegung eines Lichtstrahls erzeugt.
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Dieser wird auf einen Dachkantspiegel und von dort auf einen aus Trippelrückstrahlern
gebildeten Spiegel geworfen. Durch eine geringe Streuung auf seinem Weg fällt das
Licht nicht mehr gebündelt auf seinen Ausgangspunkt zurück, sondern etwas darum
herum, wo es von einem Ringspiegel aufgefangen und auf ein lichtelektrisches Element
geworfen wird. Solange der Lichtvorhang nicht unterbrochen wird, erhält das lichtelektrische
Element Dauerlicht, und die zu schützende Vorrichtung bleibt einsatzbereit.
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Bei einer weiteren bekannten Ausführungsform wird zur Bewegung des
Lichtstrahlenbündels ein umlaufendes polygones Spiegelprisma verwendet, dessen Umlaufachse
parallel zur Brennlinie eines Zylinderspiegels angeordnet ist und das so bemessen
ist, daß die Spiegelprismakanten während des Umlaufes mit der Brennlinie des Zylinderspiegels
annähernd zur Deckung kommen. Die von dem Vielspiegel ausgesandten Lichtstrahlen
werden auf den Zylinderspiegel geworfen, gelangen von dort über eine Zylinderlinse
auf einen Trippelspiegel, werden zurückgeworfen und von einem halbdurchlässigen
Spiegel auf eine Fotozelle gelenkt.
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Schließlich ist eine Lichtschranke bekanntgeworden, bei der das von
einer Lichtquelle ausgehende Licht durch einen halbdurchlässigen Spiegel über den
zu schützenden Bereich auf einen aus Trippelspiegeln bestehenden Reflektor geworfen
wird, der es über den halbdurchlässigen Ablenkspiegel auf eine Fotozelle reflektiert.
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Bei den bekannten Anordnungen ist der Zustand der Schranke durch
die auf das lichtelektrische Element fallende Lichtmenge oder Lichtstärke gekennzeichnet,
die sich ändern, wenn ein abschattender Körper in den Strahlengang gebracht wird.
Sie können sich aber auch ändern durch allmähliche Veränderungen des optischen Systems,
wie z. B. Verschmutzung der Lichtaustrittsstelle oder Veränderung der Spiegelstellungen,
oder durch lichtabsorbierende oder reflektierende Zusätze in der zu überwachenden
Luftstrecke, wie z. B. Dämpfe, Rauch oder reflektierender Metallstaub. Derartige
Störungen können gerade bei empfindlich eingestellten Empfängern die Funktion von
Lichtschranken erheblich beeinträchtigen.
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Der Hauptnachteil der bisher bekannten Lichtvorhangssysteme liegt
darin, daß der lichtelektrische Teil nicht zuverlässig auf alle Störungen, insbesondere
auch nicht auf das besonders unangenehme Versagen von Fotozellen oder Fotodioden
durch Leitendwerden, überwacht werden kann. Die Möglichkeit von Versagern vermindert
aber den Sicherheitswert von Lichtvorhängen beträchtlich, die ja fast ausschließlich
in Schutzeinrichtungen besonders gefährlicher Maschinen, wie Pressen oder Stanzen,
eingebaut werden. Es sind zwar schon spezielle Störüberwachungsschaltungen bzw.
Testschaltungen bekanntgeworden, die jedoch entweder sehr aufwendig sind oder ihrer
Bauart entsprechend entweder bei intakter Schranke Fehlalarm auslösen können oder
bei fehlerhafter Schranke nicht ansprechen. Es treten deshalb in der Praxis leider
immer wieder an durch Lichtvorhänge geschützten Maschinen schwere Unfälle auf.
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Die Erfindung vermeidet die Nachteile der bekannten Einrichtungen.
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Erfindungsgemäß erreicht man dies bei der einleitend geschilderten
lichtelektrischen Schranke dadurch, daß zur Erzeugung eines zum Unfallschutz einen
Flächenbereich überstreichenden impulsförmigen Lichtstrahles ein Polygonspiegel
mit je einer nicht reflektierenden Fläche zwischen je zwei reflektierenden Flächen
vorgesehen ist.
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Es ist bei Lichtschranken für Raumsicherungsanlagen und zur Beaufschlagung
von zwei Photozellen durch eine Lichtquelle bekannt, das auf das lichtelektrische
Element, den Empfänger, auftreffende Licht periodisch zu unterbrechen und die Frequenz
der von dem Empfänger ausgehenden Impulse als ein Kennzeichen für den Zustand der
Lichtschranke zu werten.
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Bei Raumsicherungsanlagen besteht die Aufgabe immer darin, zu verhindern,
daß Unbefugte durch eine
zusätzliche in den Strahlengang eingebrachte
Lichtquelle die Lichtschranke außer Funktion setzen, ohne daß dies nach außen zu
erkennen ist. Daher wird das Licht - gegebenenfalls mit verschiedenen Frequenzen
- moduliert, so daß eine Gleichlichtquelle ein Ansprechen des Empfänger bei Schrankenunterbrechung
nicht mehr verhindern kann.
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Hingegen handelt es sich bei der Erfindung darum, die Sicherheit
einer lichtelektrischen Einrichtung zum Unfallschutz mit einen Flächenbereich überstreichenden
Lichtstrahlen gegen unbemerktes Ausfallen wichtiger Teile zu erhöhen und gleichzeitig
die Wahrscheinlichkeit von Fehlanzeigen bei intakter Schutzeinrichtung herabzusetzen.
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Das auf das lichtelektrische Element des Empfängers auftreffende,
periodisch unterbrochene Licht kann als Lichtbündel von einem Schwingspiegel über
ein weiteres Spiegelsystem im Autokollimationsverfahrens über den zu schützenden
Bereich geworfen werden. Soll die Frequenz der Lichtimpulse sehr hoch sein, so wird
das periodisch unterbrochene Lichtbündel des Lichtvorhangs von einem rotierenden
Polygonspiegel über den zu schützenden Bereich geworfen. Die periodische Unterbrechung
des Lichtbündels kann in einfacher Weise dadurch erzeugt werden, daß zwischen zwei
reflektierende Flächen des Polygonspiegeis eine nicht reflektierende Fläche angeordnet
ist.
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Der Lichtempfänger enthält mindestens ein lichtelektrisches Element,
auf das die Strahlen des Lichtvorhangs mittels eines Spiegelsystems geworfen werden.
Als ein derartiges Element kann beispielsweise eine Fotozelle vorgesehen sein. Bei
Verwendung einer Fotodiode als lichtelektrisches Element kann diese in Abhängigkeit
von dem auffallenden Licht sowohl als Spannungserzeuger als auch als steuerbarer
Widerstand verwendet werden. Bei Verwendung von Fototransistoren kann deren Verstärkerwirkung
ausgenutzt werden, was insbesondere bei empfindlichen Schaltungen von Vorteil ist.
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Zur Anpassung an bestimmte Betriebsverhältnisse oder nachgeschaltete
Auswerteinrichtungen kann es vorteilhaft sein, die Frequenz der lichtelektrischen
Impulse bei ungestörter Schranke einstellbar zu machen. Dieser Forderung kann in
einfacher Weise durch änderung der Umdrehungszahl des Polygonspiegels entsprochen
werden.
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Die von dem lichtelektrischen Element abgegebenen lichtelektrischen
Impulse werden zur Messung der Frequenz über eine von einem Impulsgeber konstanter
Frequenz gesteuerte elektronische Torschaltung einer eléktronischen Zählstufe zugeführt.
Als einfacher Impulsgeber kann die Netzfrequenz verwendet werden, wobei zu sehr
genauen Messungen eine Erhöhung der Impulsfrequenz durch einen elektronischen Impulsvervielfacher
erforderlich ist.
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Die elektronische Torschaltung wird in bestimmten, bei schnell ansprechenden
Lichtvorhängen sehr kurzen Zeitintervallen durch Impulse gesteuert, die von einem
elektronischen Zähler bei Erreichen einer bestimmten Zahl von gemessenen Netzimpulsen
abgegeben werden. Derselbe Zähler kann gleichzeitig bei Schließung des elekfronischen
Tores einen Speicherimpuls auf den Zähler geben, der die lichtelektrischen Impulse
zählt, so daß der gelöschte Zähler bei der anschließenden Öffnung des elektronischen
Tores im folgenden Meßzeiüntervall wieder funktionsbereit ist.
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Eine l\keßanordnung wesentlich geringeren Aufwands besteht in einer
Kondensator-Widerstands-Kombination, die von dem lichtelektrischen Element und dem
Impulsgeber konstanter Frequenz beaufschlagt wird. Die Kondensatorspannung. stellt
dabei ein Maß für die Frequenz der lichtelektrischèn Impulse dar und kann beispielsweise
die Steuereinrichtung eines Schaltelementes beeinflussen.
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Eine ebenfalls mit geringem Aufwand realisierbare Meßanordnung besteht
in einem mit zwei Steuerwicklungen versehenen Schaltelement. Die Steuerwicklungen
werden jeweils von dem lichtelektrischen Element oder von dem Impulsgeber beaufschlagt.
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Besonders geeignet ist ein Differenzenrelais.
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Die der Zählstufe für die lichtelektrischen Impulse nachgeschalteten
Elemente werden aus Sicherheitsgründen nach dem Ruhestromprinzip ausgelegt, so daß
die Sicherheitseinrichtung bei Ausfall eines nachgeschalteten Elementes keine Betriebsbereitschaft
vortäuscht.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung findet eine dauernde selbsttätige
und zuverlässige Überprüfung der Funktionsbereitschaft des optischen und lichtelektrischen
Systems ohne zusätzliche Kontrolleinrichtungen statt. Wird die Kontrolle auf digitalem
Weg vorgenommen, so wirken sich Schwankungen in der Lichtstärke infolge Netzsp annungsschwanküngen
und allmählicher Veränderungen- im optischen System, wie z. B. Verschmutzung der
Lichtaustrit-tsstelle und Veränderung der Spiegelstellungen, wenig aus.
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In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
Es zeigt F i g. 1 einen Lichtvorhang mit umlaufendem Polygonspiegel und elektronischer
Meß- und Überwachungseinrichtung, F i g. 2 ein aus einem RC-Glied bestehendes Vergleichselement,
F i g. 3 ein aus einem Differenzenrelais bestehendes Vergleichselement.
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In Fig. 1 geht von der Lichtquelle 1 ein Lichtstrahl aus, der über
die Linse 2 und den teildurchlässigen Spiegel 3 auf einen Polygonspiegel 4 fällt,
der im Brennpunkt des zylindrischen Parabolspiegels 5 angeordnet ist. Der von dem
Polygonspiegel reflektierte Lichtstrahl wird von dem Parabolspiegel 5 parallel zu
der Achse 5 q über die Breite des zu schützenden Bereiches hin- und herbewegt. Das
von dem aus Trippel bestehenden Reflektor 7 zurückgeworfene Licht fällt nach dem
Autokollimationsprinzip wieder auf den Polygonspiegel 4 und wird von dem teildurchlässigen
Spiegel 3 teilweise auf das lichtelektrische Element 8 geworfen. Ist zwischen zwei
spiegelnden Flächen des Polygonspiegels 4 jeweils eine nicht spiegelnde Fläche vorgesehen,
so wird der auf das lichtelektrische Element fallende Lichtstrahl impulsartig unterbrochen.
Die von dem lichtelektrischen Element 8 ausgehenden elektrischen Impulse werden
von dem Verstärker 9 verstärkt und von dem Impulsformer 10 umgeformt.
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Als VergXèichsfrequenz dient die Netzfrequenz, -die für genaue Messungen
in dem Impulsvervielfacher 11 vervielfacht und in dem Zähler 12 gezählt wird.
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Eine bestimmte Anzahl Impulse entspricht dann - konstante Netzfrequenz
vorausgesetzt - einem bestimmten Zeitintervall, währenddem die Torschaltun 13 geöffnet
ist und die von dem lichtelektrischen Element ausgehenden elektrischen Impulse die
Zähleinrichtung
14 beaufschlagen. Gleichzeitig mit dem das elektronische Tor schließenden Impuls
kann ein Speicherimpuls gegeben werden, um das im Zähler 14 anstehende Ergebnis
zu speichern und danach den Zähler zu löschen, damit er in dem anschließenden Meßzeitintervall
wieder funktionsbereit ist. Die Anzahl der während eines kurzen Zeitintervalls gezählten
elektrischen Impulse ist ein Kennzeichen für den Zustand des Lichtvorhangs. Wird
nämlich ein Gegenstand in den Lichtvorhang einige bracht, wird dieser also zumindest
teilweise abgeschattet, so ändert sich die Anzahl der elektrischen Impulse pro Zeitinervall
gegenüber der Impulszahl bei ungestörtem Betrieb. Ein durch den Verstärker 16 verstärktes
Signal des Vergleichselementes 15 betätigt in einem derartigen Fall das Relais 17,
das die Presse stillsetzt.
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Ist andererseits die Funktionsbereitschaft des lichtelektrischen
Elementes, beispielsweise einer Fotodiode oder Fotozelle, durch Leitendwerden gestört,
was durch eine Ruhestromüberwachung allein nicht festgestellt werden kann, so ist
die Anzahl der während eines Zeitintervalls übertragenen Impulse annähernd Null
und die Maschine bleibt ebenfalls stehen. Die Wirkung ist die gleiche wie bei vollkommener
Abschattung des Lichtvorhangs. Die beschriebene Lichtschranke ist bei entsprechender
Auslegung in der Lage, sehr kleine Gegenstände sicher zu erfassen. Die Zeitintervalle
zur Zählung der elektrischen Impulse und damit auch der Kontrolleinrichtung zur
Überwachung der Funktionsbereitschaft des optischen Systems können leicht kleiner
gemacht werden als die Zeit, in der z. B. das Bedienungspersonal durch eine Schranke
in den gefährlichen Raum der Presse greifen kann.
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Die der Zähleinrichtung 14 nachgeschalteten elektrischen Verstärker
und Schaltelemente können für sich ohne Schwierigkeit nach dem Ruhestromprinzip
gegen Ausfall oder Störungen überwacht werden, so daß mit der erfindungsgemäßen
Anordnung ein Höchstmaß an Sicherheit erreicht wird.
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In Fig. 2 ist ein aus dem Kondensator 18 und dem veränderbaren Widerstand
19 bestehendes RC-Glied dargestellt, dem über die Gleichrichter 20 von dem lichtelektrischen
Element 8 und dem Impulsgeber konstanter Frequenz Impulse zugeführt werden.
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Der Kondensator wird gleichzeitig über den veränderbaren Widerstand
19 entladen. Bleiben nun die elektrischen Impulse infolge einer Unterbrechung der
Schranke aus, so gibt das die Spannung des Kondensators überwachende Relais 21 einen
Schaltbefehl.
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Werden die elektrischen Impulse dagegen zu einem Dauerstrom, etwa
infolge eines Schrankenfehlers, so kann durch ein weiteres nicht dargestelltes Schaltelement,
das auf eine höhere Spannung eingestellt ist, ein entsprechender Schaltbefehl gegeben
werden.
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Fig.3 zeigt eine Meßschaltung, die im wesentlichen aus dem Differenzrelais
22 besteht, dessen Steuerwicklungen von den Impulsen des lichtelektrischen Elementes
im entgegengesetzten Sinn beaufschlagt werden. Bei intakter Lichtschranke heben
sich die Durchflutungen gerade auf. Ist die Schranke unterbrochen oder gestört,
so werden die Durchflutungen ungleich, und das Relais gibt einen Schaltbefehl.
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Patentansprüche: 1. Lichtelektrische Schranke mit einer impulsartiges
Licht aussendenden Lichtquelle und einer auf die Impulsfrequenz abgestimmten Lichtempfängeranordnung,
dadurch gekennz e i c h n e t, daß zur Erzeugung eines zum Unfallschutz einen Flächenbereich
überstreichenden impulsförmigen Lichtstrahles ein Polygonspiegel mit je einer nicht
reflektierenden Fläche zwischen je zwei reflektierenden Flächen vorgesehen ist.