DE202017100522U1

DE202017100522U1 - monitoring device

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Publication number: DE202017100522U1
Application number: DE202017100522.4U
Authority: DE
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2017-01-31
Filing date: 2017-01-31
Publication date: 2018-05-03
Anticipated expiration: 2027-02-01

Abstract

Überwachungseinrichtung (30) zur Überwachung eines bewegbaren Maschinenteils (12), welches insbesondere zur Bearbeitung oder Handhabung eines Werkstücks (14) dient,wobei die Überwachungseinrichtung (30) zumindest ein berührungsloses Sensorsystem (18, 20, 32) zur Erfassung der Position des bewegbaren Maschinenteils (12) und zur Erfassung der Position eines Objekts (24), beispielsweise einer Person oder eines Hindernisses, in der Umgebung des bewegbaren Maschinenteils (12) umfasst,wobei das Sensorsystem (18, 20, 32) mehrere Single-Photon-Avalanche-Dioden-(SPAD)-Distanzsensoren (18, 20) aufweist,wobei das Sensorsystem (18, 20, 32) ausgebildet ist, jeweils mehrere verschiedene Positionen des bewegbaren Maschinenteils (12) und mehrere verschiedene Positionen des Objekts (24) zu unterscheiden,wobei die Überwachungseinrichtung (30) ausgebildet ist, anhand der mittels des Sensorsystems (18, 20, 32) erfassten Positionen des bewegbaren Maschinenteils (12) und des Objekts (24) eine Gefahrensituation zu erkennen und bei Vorliegen der Gefahrensituation ein Brems- und/oder Abschalt- und/oder Ausweichsignal an einen Sicherheitseingang (34) des bewegbaren Maschinenteils (12) zu senden.Monitoring device (30) for monitoring a movable machine part (12), which in particular for processing or handling a workpiece (14), wherein the monitoring device (30) at least one non-contact sensor system (18, 20, 32) for detecting the position of the movable machine part (12) and for detecting the position of an object (24), for example a person or an obstacle, in the vicinity of the movable machine part (12), wherein the sensor system (18, 20, 32) comprises a plurality of single-photon avalanche diodes - (SPAD) distance sensors (18, 20), wherein the sensor system (18, 20, 32) is configured to each different several different positions of the movable machine part (12) and a plurality of different positions of the object (24) to distinguish Monitoring device (30) is formed, based on the means of the sensor system (18, 20, 32) detected positions of the movable machine part (12) and the object (24) a hazard to recognize situation and in the presence of the dangerous situation a braking and / or shutdown and / or alternate signal to a safety input (34) of the movable machine part (12) to send.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung eines bewegbaren Maschinenteils, wobei der bewegbare Maschinenteil insbesondere zur Bearbeitung oder Handhabung eines Werkstücks dient.The present invention relates to a monitoring device for monitoring a movable machine part, wherein the movable machine part is used in particular for processing or handling a workpiece.

Überwachungseinrichtungen verschiedener Arten werden beispielsweise dort eingesetzt, wo sich Menschen in der Nähe von bewegbaren Maschinenteilen, beispielsweise Robotern, aufhalten. Hierbei besteht die Gefahr, dass ein Mensch durch den sich bewegenden Roboter verletzt wird.Monitoring devices of various types are used, for example, where people are in the vicinity of movable machine parts, such as robots. There is a risk that a person will be injured by the moving robot.

Bei der Zusammenarbeit von Mensch und Roboter soll eine strikte Trennung zwischen Mensch und Roboter möglichst vermieden werden, um die Kollaboration von beiden zu ermöglichen. Herkömmliche Überwachungseinrichtungen oder Sicherheitssensoren gestatten bereits die gemeinsame Arbeit von Mensch und Roboter, wobei der Sicherheitssensor beispielsweise Bewegungsdaten der Personen erfasst, die sich in der Umgebung des Roboters befinden. Der Roboter selbst übermittelt seine eigenen Positionsdaten an eine Prozesssteuerung. Die Prozesssteuerung erhält zudem die Positions- und Bewegungsdaten der Person und führt dann eine Sicherheitsbewertung durch. Sofern bei der Sicherheitsbewertung eine Gefahrensituation erkannt wird, kann die Prozesssteuerung sicherheitsrelevante Steuersignale erzeugen, um beispielsweise eine Kollision von Roboter und Mensch zu vermeiden.In the collaboration of humans and robots a strict separation between humans and robots should be avoided if possible, in order to enable the collaboration of both. Conventional monitoring devices or safety sensors already permit the joint work of humans and robots, wherein the safety sensor, for example, detects movement data of the persons who are in the vicinity of the robot. The robot itself transmits its own position data to a process control. The process control also receives the person's position and movement data and then performs a safety assessment. If a dangerous situation is detected in the safety assessment, the process control can generate safety-relevant control signals in order to avoid, for example, a collision between robot and human.

Die Sicherheitssensoren sind häufig groß in ihrem Bauraum, teuer sowie aufwändig und komplex in ihrer Integration. Um die Erfassung einer Person zu ermöglichen ist daher ein hoher Aufwand und Platzbedarf notwendig.The safety sensors are often large in their space, expensive and complex and complex in their integration. To enable the detection of a person therefore a high effort and space is necessary.

Die Zeitdauer, die benötigt wird, bis die Positionsdaten des Roboters in der Prozesssteuerung vorliegen, ist relativ lang und für gewisse Anwendungen nicht kurz genug, um eine Kollision von Mensch und Roboter zu vermeiden. Diese Zeitdauer würde daher eine zu große „Pufferzone“ zwischen Mensch und Roboter erfordern, die mit Einschränkungen für die Zusammenarbeit von Mensch und Roboter einhergeht. Überdies ist die Ankopplung eines Sicherheitssensors an die Prozesssteuerung (z.B. eine übliche Industriesteuerung, wie eine speicherprogrammierbare Steuerung), wie oben erwähnt, aufwändig und teuer. Der hohe Aufwand und die hohen Kosten sind darin begründet, dass üblicherweise die Sensorsignale zusammengefasst werden müssen und meistens ein Gateway zwischen dem Sicherheitssensor und der Prozesssteuerung notwendig ist. Aufgrund dieser langen Signalkette sind die Signallaufzeiten zwischen dem Sicherheitssensor und der Prozesssteuerung relativ hoch. Schließlich sind auch die üblicherweise verwendeten Prozesssteuerungen für die zeitkritische Aufgabe der Verhinderung einer Kollision von Mensch und Roboter oftmals zu langsam.The amount of time it takes for the position data of the robot to be present in the process control is relatively long and, for certain applications, not short enough to avoid a human-robot collision. This period of time would therefore require a too large "buffer zone" between human and robot, which is accompanied by restrictions for the cooperation of humans and robots. Moreover, the coupling of a safety sensor to the process controller (e.g., a common industrial controller, such as a programmable logic controller), as mentioned above, is cumbersome and expensive. The high cost and high costs are due to the fact that usually the sensor signals must be summarized and usually a gateway between the safety sensor and the process control is necessary. Due to this long signal chain, the signal propagation times between the safety sensor and the process control are relatively high. Finally, the commonly used process controls for the time-critical task of preventing a collision of humans and robots are often too slow.

Darüber hinaus müssen Latenzzeiten, die aufgrund der Sensoransprechzeit, der Reaktionszeit des Roboters oder der Verarbeitungszeit einer Steuerung entstehen, durch größere Sicherheitsabstände zwischen Person und Gefahrstelle ausgeglichen werden. Je langsamer das Sicherheitssystem, desto größer die Sicherheitsabstände, die ein Mensch vom Roboter einhalten muss. Größere Sicherheitsabstände beeinträchtigen aber die Zusammenarbeit von Mensch und Roboter.In addition, latency times due to sensor response time, robot response time, or controller processing time must be compensated by greater safety margins between the operator and the hazardous agency. The slower the security system, the greater the safety distances a human needs to comply with the robot. Greater safety margins, however, impair the cooperation of humans and robots.

Es ist deshalb die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung eines bewegbaren Maschinenteils anzugeben, welche kompakt ausgebildet ist und mit geringem Aufwand eine ausreichend schnelle Erkennung von Gefahrensituationen ermöglicht.It is therefore the object underlying the invention to provide a monitoring device for monitoring a movable machine part, which is compact and allows with little effort, a sufficiently rapid detection of dangerous situations.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Überwachungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a monitoring device with the features of claim 1.

Die Überwachungseinrichtung umfasst zumindest ein berührungsloses Sensorsystem zur Erfassung der Position des bewegbaren Maschinenteils und zur Erfassung der Position eines Objekts, beispielsweise einer Person oder eines Hindernisses, wobei sich das Objekt in der Umgebung des bewegbaren Maschinenteils befindet. Das Sensorsystem umfasst hierzu mehrere Single-Photon-Avalanche-Dioden-(SPAD)-Distanzsensoren. Dabei ist das Sensorsystem ausgebildet, jeweils mehrere verschiedene Positionen des bewegbaren Maschinenteils und mehrere verschiedene Positionen des Objekts zu unterscheiden. Ferner ist die Überwachungseinrichtung ausgebildet, anhand der mittels des Sensorsystems erfassten Positionen des bewegbaren Maschinenteils und der erfassten Position des Objekts eine Gefahrensituation zu erkennen und bei Vorliegen einer Gefahrensituation ein Brems- und/oder Abschalt- und/oder Ausweichsignal an einen Sicherheitseingang des bewegbaren Maschinenteils zu senden.The monitoring device comprises at least one non-contact sensor system for detecting the position of the movable machine part and for detecting the position of an object, for example a person or an obstacle, wherein the object is located in the vicinity of the movable machine part. The sensor system includes several single photon avalanche diode (SPAD) distance sensors for this purpose. In this case, the sensor system is designed to distinguish in each case a plurality of different positions of the movable machine part and a plurality of different positions of the object. Furthermore, the monitoring device is designed to detect a dangerous situation based on the detected by the sensor system positions of the movable machine part and the detected position of the object and in the presence of a dangerous situation a braking and / or shutdown and / or avoidance signal to a safety input of the movable machine part send.

Anders ausgedrückt erkennt die Überwachungseinrichtung (z.B. ausschließlich) selbst, d.h. ohne auf Daten des Maschinenteils bzw. einer Prozesssteuerung angewiesen zu sein, wo sich der bewegbare Maschinenteil gerade befindet. Auch erfasst die Überwachungseinrichtung, wo sich das Objekt, also z.B. eine Person, eine Hand oder ein Bein der Person oder eine andere Art von Hindernis für den bewegbaren Maschinenteil, gerade befinden.In other words, the monitoring device (e.g., only) recognizes itself, i. without relying on data of the machine part or a process control, where the movable machine part is currently located. Also, the monitoring device detects where the object, e.g. a person, a hand or a leg of the person or some other type of obstacle to the moving machine part, are located straight.

Durch die Verwendung der SPAD-Distanzsensoren, welche sehr kompakt ausgebildet sein können und zudem kostengünstig sind, kann die Überwachungseinrichtung einen geringen Platzbedarf aufweisen und auf kostengünstige und damit wirtschaftliche Art herstellbar sein. Aufgrund des geringen Platzbedarfs eignet sich die Überwachungsvorrichtung damit besonders zur Absicherung von kleinen Robotern.By using the SPAD distance sensors, which can be very compact and are also inexpensive, the Monitoring device have a small footprint and be produced in a cost effective and therefore economical way. Due to the small space requirement, the monitoring device is thus particularly suitable for securing small robots.

Die SPAD-Distanzsensoren können jeweils eine eigene Lichtquelle aufweisen, die wiederholt Lichtpulse aussendet. Rückgestrahlte Lichtpulse werden von einer oder mehreren Single-Photon-Avalanche-Dioden empfangen, wobei anhand einer Laufzeit des Lichtpulses auf die Distanz zu einem Gegenstand geschlossen werden kann, welcher den Lichtpuls rückgestrahlt hat. Die SPAD-Distanzsensoren können jeweils eingerichtet sein, eine Distanz zu einem Gegenstand in genau einer Raumrichtung oder in einem kegelförmigen Raumbereich zu erfassen. Die Verwendung von mehreren SPAD-Distanzsensoren ermöglicht es dem Sensorsystem, einen Überwachungsbereich aufzuspannen, in welchem die Position des bewegbaren Maschinenteils und des Objekts mittels der SPAD-Distanzsensoren ermittelt werden kann. Die SPAD-Distanzsensoren sind also Lichtlaufzeitsensoren (Time Of Flight/TOF-Sensoren).The SPAD distance sensors can each have their own light source, which emits light pulses repeatedly. Reflected light pulses are received by one or more single-photon avalanche diodes, it being possible to deduce the distance to an object which has returned the light pulse on the basis of a transit time of the light pulse. The SPAD distance sensors may each be arranged to detect a distance to an object in exactly one spatial direction or in a conical spatial region. The use of multiple SPAD distance sensors allows the sensor system to span a surveillance area in which the position of the movable machine part and the object can be detected by means of the SPAD distance sensors. The SPAD distance sensors are thus light transit time sensors (Time Of Flight / TOF sensors).

Aufgrund der der Überwachungseinrichtung somit bekannten Positionen von Objekt und Maschinenteil kann erkannt werden, ob eine Gefahrensituation vorliegt. Eine Gefahrensituation kann beispielsweise dann vorliegen, wenn sich das Objekt und das Maschinenteil zu nahe kommen. In diesem Fall erzeugt die Überwachungseinrichtung ein Brems- und/oder Abschalt- und/oder Ausweichsignal, welches direkt an den Sicherheitseingang des Maschinenteils gesendet wird.Due to the monitoring device thus known positions of the object and machine part can be detected whether a dangerous situation exists. A dangerous situation may be present, for example, when the object and the machine part come too close. In this case, the monitoring device generates a brake and / or shutdown and / or alternate signal, which is sent directly to the safety input of the machine part.

Die Erfindung macht sich hierbei zunutze, dass durch die direkte Erfassung der Positionen von Objekt und Maschinenteil die Positionserfassung besonders schnell erfolgen kann, da nicht auf Daten des Maschinenteils bzw. des Roboters oder einer Prozesssteuerung gewartet werden muss. Auch die Verwendung des Sicherheitseingangs an dem Maschinenteil trägt zu einer schnellen Abbremsung bzw. Abschaltung des Maschinenteils bei, da ein solcher Sicherheitseingang das Maschinenteil bzw. den Roboter innerhalb sehr kurzer Zeit stoppen kann.The invention makes use of the fact that the position detection can take place particularly quickly by the direct detection of the positions of the object and the machine part, since it is not necessary to wait for data of the machine part or the robot or a process control. The use of the safety input to the machine part contributes to a quick braking or shutdown of the machine part, since such a safety input can stop the machine part or the robot within a very short time.

Die Erfindung schafft somit eine Überwachungseinrichtung, die aufgrund ihrer eigenen Sensorik (d.h. aufgrund der SPAD-Distanzsensoren) und der Verwendung des Sicherheitseingangs an dem Maschinenteil eine einfache und schnelle Möglichkeit zur Verhinderung von Unfällen mit dem Maschinenteil bereitstellt.The invention thus provides a monitoring device which, due to its own sensors (i.e., due to the SPAD distance sensors) and the use of the safety input on the machine part, provides a simple and quick way of preventing accidents with the machine part.

Überdies kann durch die Erfindung auf sehr leistungsfähige und damit teure Industriesteuerungen verzichtet werden, wodurch die Erfindung auch bei kleinen und einfachen Applikationen eingesetzt werden kann. Hierdurch können neue Anwendungsgebiete für Mensch-Roboter-Kollaborationen erschlossen werden.Moreover, can be dispensed with very powerful and therefore expensive industrial controls by the invention, whereby the invention can also be used in small and simple applications. This opens up new application areas for human-robot collaboration.

Auch ist die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung unabhängig von der jeweils verwendeten Industriesteuerung/Prozesssteuerung des Roboters. Eine aufwändige Anpassung der Überwachungseinrichtung an die jeweilige Prozesssteuerung kann daher entfallen.Also, the monitoring device according to the invention is independent of the particular industrial control / process control of the robot used. A complex adaptation of the monitoring device to the respective process control can therefore be omitted.

Nachfolgend werden verschiedene Aspekte der Überwachungseinrichtung noch genauer erläutert.Various aspects of the monitoring device will be explained in more detail below.

Bevorzugt ist das Sensorsystem ausgebildet, zumindest jeweils drei oder vier verschiedene Positionen des bewegbaren Maschinenteils und/oder des Objekts zu erfassen. Hierdurch wird es ermöglicht, dass das Sensorsystem nicht bloß eine Information liefert, ob z.B. eine Person anwesend ist oder nicht, sondern dass das Sensorsystem auch Informationen darüber liefert, an welchem Ort sich der Maschinenteil oder das Objekt gerade befinden. Die Erfassung der Position von Maschinenteil und/oder Objekt kann dabei auch dann erfolgen, wenn keine Gefahrensituation vorliegt und sich das Objekt z.B. mehrere Meter von dem Maschinenteil entfernt befindet. Die Erfassung kann beispielsweise eine Genauigkeit von etwa einem Zentimeter aufweisen.Preferably, the sensor system is designed to detect at least three or four different positions of the movable machine part and / or the object. This will allow the sensor system to provide not only information, e.g. a person is present or not, but that the sensor system also provides information about where the machine part or object is currently located. The detection of the position of the machine part and / or object can also take place when there is no danger situation and the object is e.g. several meters away from the machine part. The detection may, for example, have an accuracy of about one centimeter.

Die SPAD-Distanzsensoren können an verschiedenen Positionen in der Umgebung des Maschinenteils angeordnet sein. Auf diese Weise können die verschiedenen SPAD-Distanzsensoren aus verschiedenen Blickrichtungen auf das Maschinenteil blicken. Aus den unterschiedlichen Messwerten (beispielsweise aus unterschiedlichen Distanz-Messwerten) der Sensoren kann dann auf eine jeweilige Position des Maschinenteils im Raum geschlossen werden. Auf dieselbe Art und Weise kann durch die Zusammenschau der Messdaten der verschiedenen Sensoren auch die Position des Objekts sowohl absolut als auch relativ zu dem Maschinenteil erfasst werden. Mittels des Sensorsystems wird die Position des Maschinenteils und/oder des Objekts bevorzugt auch dann erfasst, wenn keine Gefahrensituation vorliegt.The SPAD distance sensors may be located at various positions in the vicinity of the machine part. In this way, the various SPAD distance sensors can look at the machine part from different directions. From the different measured values (for example, from different distance measured values) of the sensors it is then possible to deduce a respective position of the machine part in space. In the same way can be detected by the synopsis of the measurement data of the various sensors and the position of the object both absolutely and relative to the machine part. By means of the sensor system, the position of the machine part and / or the object is preferably also detected when there is no danger situation.

Die Überwachungseinrichtung kann eine Recheneinheit aufweisen, die die von dem Sensorsystem gelieferten Daten verarbeitet und bevorzugt die Positionen des bewegbaren Maschinenteils und des Objekts berechnet. Die Recheneinheit kann zudem anhand der Positionen das Vorliegen der Gefahrensituation erkennen und auch das Brems- und/oder Abschalt- und/oder Ausweichsignal an den Sicherheitseingang des bewegbaren Maschinenteils senden.The monitoring device can have a computing unit which processes the data supplied by the sensor system and preferably calculates the positions of the movable machine part and the object. The arithmetic unit can also detect the presence of the dangerous situation based on the positions and also send the braking and / or shutdown and / or avoidance signal to the safety input of the movable machine part.

Die Geschwindigkeit der Detektion einer Gefahrensituation durch die Recheneinheit kann zudem dadurch gesteigert werden, dass als Recheneinheit eine an die Datensignale des Sensorsystems angepasste Schaltung verwendet wird. Beispielweise kann die Recheneinheit einen Microcontroller, einen FPGA (Field Programmable Gate Array) oder einen ASIC (Application Specific Integrated Circuit) aufweisen, der an die erforderlichen Berechnungen angepasst ist und diese mit hoher Geschwindigkeit durchführen kann. The speed of detection of a dangerous situation by the arithmetic unit can also be increased by using a circuit adapted to the data signals of the sensor system as the arithmetic unit. For example, the arithmetic unit may include a microcontroller, a Field Programmable Gate Array (FPGA), or an Application Specific Integrated Circuit (ASIC) adapted to and capable of high speed computation.

Bei dem bewegbaren Maschinenteil kann es sich insbesondere um einen Roboter, bevorzugt um einen sicheren Kleinroboter handeln. Der bewegbare Maschinenteil kann dazu ausgebildet sein, mittels eines Werkzeugs ein Werkstück zu bearbeiten.The movable machine part may in particular be a robot, preferably a safe small robot. The movable machine part can be designed to machine a workpiece by means of a tool.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind der Beschreibung, den Zeichnungen sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.Advantageous developments of the invention are described in the description, the drawings and the dependent claims.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Überwachungseinrichtung ausgestaltet, die Position des bewegbaren Maschinenteils ausschließlich mittels des Sensorsystems zu bestimmen. Auch die Position des Objekts kann ausschließlich anhand des Sensorsystems bestimmt werden. Die Überwachungseinrichtung benötigt also gerade keine Informationen einer Prozesssteuerung oder anderer externer Komponenten, wodurch Verzögerungen durch solche externen Komponenten vermieden werden.According to an advantageous embodiment, the monitoring device is designed to determine the position of the movable machine part exclusively by means of the sensor system. The position of the object can also be determined solely on the basis of the sensor system. The monitoring device therefore does not require information from a process control or other external components, which avoids delays caused by such external components.

Anders ausgedrückt ist die Überwachungseinrichtung bevorzugt zumindest zum Teil unabhängig von dem bewegbaren Maschinenteil und zumindest zum Teil beabstandet von dem bewegbaren Maschinenteil angeordnet. Dies bedeutet, dass die Überwachungseinrichtung beispielsweise nicht mit einer Steuerung bzw. Prozesssteuerung des Maschinenteils gekoppelt ist, sondern unabhängig von dieser ist. Auch ist die Überwachungseinrichtung beispielsweise nicht in den Maschinenteil integriert und somit zumindest zum Teil beabstandet zu dem Maschinenteil angeordnet.In other words, the monitoring device is preferably arranged at least partially independent of the movable machine part and at least partially spaced from the movable machine part. This means that the monitoring device, for example, is not coupled to a control or process control of the machine part, but is independent of this. For example, the monitoring device is not integrated in the machine part and thus at least partially spaced from the machine part.

Bevorzugt umfasst die Überwachungseinrichtung einen Kommunikationsausgang zur Datenübertragung an den Sicherheitseingang des bewegbaren Maschinenteils, wobei der Kommunikationsausgang ausgebildet ist, Daten nur von der Überwachungseinrichtung zu dem Sicherheitseingang zu übertragen. Es besteht also kein Rückkanal von dem Sicherheitseingang zu der Überwachungseinrichtung. Preferably, the monitoring device comprises a communication output for data transmission to the safety input of the movable machine part, wherein the communication output is designed to transmit data only from the monitoring device to the safety input. Thus, there is no return channel from the safety input to the monitoring device.

Der Kommunikationsausgang stellt somit nur eine Kommunikation in eine Richtung (d.h. unidirektional) bereit, nämlich von der Überwachungseinrichtung zu dem Sicherheitseingang.The communication output thus provides only one way (i.e., unidirectional) communication, from the monitoring device to the safety input.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Überwachungseinrichtung ausgebildet, ausschließlich durch eine unidirektionale Kommunikation mittels des Brems- und/oder Abschalt- und/oder Ausweichsignals mit dem bewegbaren Maschinenteil zu kommunizieren. Alternativ oder zusätzlich kann die Überwachungseinrichtung ausgebildet sein, ausschließlich anhand der mittels des Sensorsystems erfassten Positionen des bewegbaren Maschinenteils und der erfassten Position des Objekts eine Gefahrensituation zu erkennen.According to a further advantageous embodiment, the monitoring device is designed to communicate with the movable machine part exclusively by unidirectional communication by means of the braking and / or shutdown and / or avoidance signal. Alternatively or additionally, the monitoring device may be configured to detect a hazardous situation solely on the basis of the positions of the movable machine part detected by means of the sensor system and the detected position of the object.

Durch die ausschließliche Verwendung des Sensorsystems zur Erfassung der Positionen von Maschinenteil und Objekt benötigt die Überwachungseinrichtung also gerade keine Informationen einer Prozesssteuerung oder anderer externer Komponenten, wodurch Verzögerungen durch solche externen Komponenten vermieden werden.By the exclusive use of the sensor system for detecting the positions of the machine part and the object, the monitoring device therefore does not require information from a process control or other external components, which avoids delays caused by such external components.

Neben der unidirektionalen Kommunikation mittels des Brems- und/oder Abschalt- und/oder Ausweichsignals existiert insbesondere keine Datenkommunikation zwischen dem bewegbaren Maschinenteil, oder dessen Prozesssteuerung, und der Überwachungseinrichtung. Die Überwachungseinrichtung ist also hinsichtlich der Datenkommunikation bevorzugt selbstständig bzw. unabhängig von dem bewegbaren Maschinenteil.In addition to the unidirectional communication by means of the brake and / or shutdown and / or avoidance signal, in particular there is no data communication between the movable machine part, or its process control, and the monitoring device. The monitoring device is thus preferably independent of the movable machine part with regard to the data communication.

Bevorzugt ist die Überwachungseinrichtung ausgebildet, jeweils eine Position des bewegbaren Maschinenteils und des Objekts im dreidimensionalen Raum zu berechnen, beispielsweise in dreidimensionalen kartesischen Koordinaten oder in Polarkoordinaten. Bei größeren Maschinenteilen und/oder Objekten können auch jeweils mehrere Positionen des Maschinenteils und/oder des Objekts bestimmt werden. Hierfür kann der Maschinenteil und/oder das Objekt in seiner Gesamtheit von dem Sensorsystem erfasst werden. Alternativ kann z.B. von dem Maschinenteil jeweils nur derjenige Teil mittels des Sensorsystems überwacht werden, von welchem eine Gefährdung für das Objekt ausgehen kann. Hierbei kann es sich z.B. um den Bereich in der Nähe eines Werkzeugs des Maschinenteils handeln.Preferably, the monitoring device is designed to calculate in each case a position of the movable machine part and of the object in three-dimensional space, for example in three-dimensional Cartesian coordinates or in polar coordinates. For larger machine parts and / or objects also several positions of the machine part and / or the object can be determined in each case. For this purpose, the machine part and / or the object in its entirety can be detected by the sensor system. Alternatively, e.g. in each case only that part of the machine part is monitored by means of the sensor system, from which a danger to the object may arise. This may be e.g. to act around the area near a tool of the machine part.

Ebenfalls kann das Sensorsystem den bewegbaren Maschinenteil nur bereichsweise erfassen oder überwachen. Aus einer jeweiligen eindeutigen Signatur der Überwachungsdaten des Sensorsystems kann die Position des Maschinenteils dann abgeleitet werden.Likewise, the sensor system can only detect or monitor the movable machine part in regions. From a respective unique signature of the monitoring data of the sensor system, the position of the machine part can then be derived.

Beispielsweise kann eine erste Position angeben, wo sich das Ende eines Roboterarms befindet. Eine zweite Position kann hingegen darstellen, an welcher Stelle im Raum sich die Basis des Roboterarms gerade befindet. Aus der Position des Maschinenteils und des Objekts kann dann der Abstand von Maschinenteil und Objekt berechnet werden, wobei der Abstand die Distanz zwischen den sich am nächsten liegenden Bereichen des Maschinenteils und des Objekts ist.For example, a first position may indicate where the end of a robotic arm is. By contrast, a second position can represent at which point in the room the base of the robot arm is currently located. From the position of the machine part and the object can then Distance from the machine part and object are calculated, wherein the distance is the distance between the closest areas of the machine part and the object.

Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die SPAD-Distanzsensoren derart angeordnet sind, dass sich der Maschinenteil im Betrieb nacheinander an verschiedenen der Sensoren vorbei bewegt, wobei die Sensoren als Lichtschranken oder Lichttastern wirken und die Bewegung des Maschinenteils anhand der „ausgelösten“ Sensoren nachvollzogen werden kann.Alternatively or additionally, it is possible for the SPAD distance sensors to be arranged in such a way that the machine part successively moves past different sensors during operation, the sensors acting as light barriers or light sensors and reproducing the movement of the machine part on the basis of the "triggered" sensors can be.

Beispielsweise bei der Installation der Überwachungseinrichtung kann der bewegbare Maschinenteil, z.B. automatisiert, in verschiedene bekannte Positionen bewegt werden. Die bekannten Positionen können dann mit den Messdaten des Sensorsystems verglichen werden, um auf diese Weise die Positionen dem Sensorsystem einzulernen („Teach-In“).For example, in the installation of the monitoring device, the movable machine part, e.g. automated, moved in various known positions. The known positions can then be compared with the measurement data of the sensor system in order to teach the positions to the sensor system in this way ("teach-in").

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst der bewegbare Maschinenteil einen kollaborierenden Roboter. Dies bedeutet, der Roboter ist ausgelegt, mit einem Menschen gemeinsam Arbeitsvorgänge auszuführen. Beispielsweise kann es sich bei dem kollaborierenden Roboter um den bereits oben erwähnten sicheren Kleinroboter handeln. Ein solcher kollaborierender Roboter kann eine Kraftbegrenzung aufweisen. Die maximale Kraft die der Roboter ausüben kann, bevor eine Bewegung automatisch gestoppt wird, ist dann so eingestellt, dass im Falle einer Kollision des Roboters mit einem Menschen eine Krafteinwirkung nicht zu ernsthaften Verletzungen führen kann. Zudem kann der Roboter zumindest bereichsweise kantenfreie, runde oder weiche Außenkonturen aufweisen, um eine mögliche Kollisionskraft großflächig zu verteilen. Hierdurch wird die Gefahr von Schnittwunden und dergleichen verringert.According to a further advantageous embodiment, the movable machine part comprises a collaborating robot. That is, the robot is designed to perform operations with a human together. For example, the collaborating robot may be the secure small robot already mentioned above. Such a collaborative robot may have a force limit. The maximum force the robot can exert before automatically stopping a movement is then adjusted so that in the event of a robot colliding with a human, a force can not cause serious injury. In addition, the robot can at least partially have edge-free, round or soft outer contours to distribute a potential collision force over a large area. This reduces the risk of cuts and the like.

Bevorzugt gilt eine Gefahrensituation dann als erkannt, wenn der Abstand zwischen dem bewegbaren Maschinenteil und dem Objekt einen vorbestimmten Mindestabstand unterschreitet. Der Mindestabstand kann beispielsweise im Bereich von 2 bis 50 cm definiert sein. Aufgrund des Mindestabstands ergibt sich ein mitbewegter Schutzbereich um den bewegbaren Maschinenteil herum. Dies bedeutet, dass eine Bewegung des bewegbaren Maschinenteils zu einem sich ständig ändernden Schutzbereich führt. Der Schutzbereich ist derjenige Bereich, in dem sich das Objekt nicht befinden darf, da dann eine Gefahrensituation als erkannt gilt und der Maschinenteil abgebremst oder gestoppt wird.Preferably, a dangerous situation is considered to be recognized when the distance between the movable machine part and the object falls below a predetermined minimum distance. The minimum distance can be defined, for example, in the range of 2 to 50 cm. Due to the minimum distance results in a mitbewegter protection area around the movable machine part around. This means that a movement of the movable machine part leads to a constantly changing protection area. The protected area is the area in which the object may not be located, since a dangerous situation is then recognized and the machine part is braked or stopped.

Der sich ändernde Schutzbereich kann beispielsweise auch davon abhängen, ob z.B. ein Werkstück gegriffen wurde oder ein Greifer des bewegbaren Maschinenteils leer ist. Um hier die Notwendigkeit eines Rückkanals der Steuerung zu umgehen, kann zum Beispiel einer der Sensoren des Sensorsystems dazu verwendet werden, die Belegung des Greifers zu ermitteln. Hierdurch können dann durch das Sensorsystem verschiedenartige Informationen bereitgestellt werden, die der Absicherung des Werkzeugbereichs, der Positionsermittlung des Roboters und der Belegungskontrolle des gegebenenfalls verwendeten Greifers dienen.The changing range of protection may, for example, also depend on whether e.g. a workpiece has been gripped or a gripper of the movable machine part is empty. To circumvent the need for a return channel of the controller here, for example, one of the sensors of the sensor system can be used to determine the occupancy of the gripper. As a result, various types of information can then be provided by the sensor system which serve to safeguard the tool area, to determine the position of the robot and to control the occupancy of the optionally used gripper.

Die SPAD-Distanzsensoren erfassen bevorzugt gemeinsam den Überwachungsbereich, beispielsweise durch eine Fusion der Daten verschiedener Sensoren (d.h. SPAD-Distanzsensoren). Ein einzelner SPAD-Distanzsensor kann jeweils einen Teilbereich des Überwachungsbereichs erfassen, wobei sich benachbarte Teilbereiche bevorzugt überlappen. Der Überwachungsbereich ist der Bereich, in dem das Sensorsystem in der Lage ist, die Position des Objekts und/oder des Maschinenteils zu bestimmen. Der vorgenannte Schutzbereich ist ein Teil des Überwachungsbereichs, in den das Objekt nicht eindringen darf, wobei beim Eindringen des Objekts in den Schutzbereich eine Gefahrensituation als erkannt gilt.The SPAD distance sensors preferably collectively detect the surveillance area, for example by fusion of the data from various sensors (i.e., SPAD distance sensors). A single SPAD distance sensor can each detect a subarea of the surveillance area, wherein adjacent subareas preferably overlap. The monitoring area is the area in which the sensor system is able to determine the position of the object and / or the machine part. The aforementioned protection area is a part of the surveillance area into which the object is not allowed to penetrate, whereby a dangerous situation is recognized as the object enters the protected area.

Bevorzugt ist die Überwachungseinrichtung ausgebildet, bei Erkennen, dass eine Bearbeitung des Werkstücks bevorsteht, das Sensorsystem zeitweise zumindest zum Teil abzuschalten oder dessen Messwerte auszublenden, um einen Kontakt zwischen dem bewegbaren Maschinenteil und dem Werkstück zu ermöglichen. Ohne eine solche Abschaltung könnte die Überwachungseinrichtung das Eindringen des Werkstücks in den Schutzbereich erkennen und den bewegbaren Maschinenteil dann stoppen. Um nun einen Kontakt zwischen dem Maschinenteil und dem Werkstück zu ermöglichen, kann kurz vor dem Erreichen des Werkstücks das Sensorsystem zumindest zum Teil abgeschaltet werden (es erfolgt ein sogenanntes „Muting“). Während der Abschaltung des Sensorsystems kann der bewegbare Maschinenteil und insbesondere ein an dem Maschinenteil befestigtes Werkzeug mit dem Werkstück in Kontakt gebracht werden.Preferably, the monitoring device is designed, upon detecting that machining of the workpiece is imminent, temporarily shutting off the sensor system, at least in part, or masking out its measured values in order to enable contact between the movable machine part and the workpiece. Without such a shutdown, the monitoring device could detect the penetration of the workpiece into the protected area and then stop the movable machine part. In order to enable a contact between the machine part and the workpiece, the sensor system can be switched off at least in part shortly before reaching the workpiece (there is a so-called "muting"). During the shutdown of the sensor system, the movable machine part and in particular a tool fastened to the machine part can be brought into contact with the workpiece.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Sensorsystem ausgebildet, zumindest die Position eines an dem bewegbaren Maschinenteil befestigten Werkzeugs mittels eines (z.B. weiteren) Schutzbereichs zu umschließen und ein Eindringen des Objekts in den Schutzbereich zu erkennen. Das Sensorsystem bzw. die Überwachungseinrichtung muss also nicht das komplette Maschinenteil überwachen und mit einem Schutzbereich umschließen, sondern es reicht aus, lediglich das Werkzeug mit einem Schutzbereich zu umschließen.According to a further advantageous embodiment, the sensor system is designed to surround at least the position of a tool fastened to the movable machine part by means of a (for example further) protective area and to detect penetration of the object into the protected area. The sensor system or the monitoring device therefore does not have to monitor the complete machine part and enclose it with a protected area, but it is sufficient to surround only the tool with a protected area.

Von dem Werkzeug geht (insbesondere bei dessen Verwendung) eine besondere Gefahr für den Menschen aus. Das Werkzeug kann beispielsweise mittels der optischen Sensoren direkt erfasst werden. Alternativ kann die Position des Werkzeugs auch indirekt zum Beispiel anhand der Position weiterer Bereiche des Maschinenteils ermittelt werden. The tool is a particular danger to humans (especially when it is used). The tool can be detected directly, for example, by means of the optical sensors. Alternatively, the position of the tool can also be determined indirectly, for example, based on the position of further areas of the machine part.

Es besteht die Möglichkeit, nur das Werkzeug mittels des Schutzbereichs zu umschließen. Dies ist z.B. bei sicheren Kleinrobotern möglich, welche sonstige Kollisionen selbst erkennen können und bei welchen eine maximale Kraft begrenzt ist. Der Schutzbereich kann nach Art eines „optischen Käfigs“ um das Werkzeug herum errichtet werden.It is possible to enclose only the tool by means of the protection zone. This is e.g. in safe small robots possible, which can detect other collisions themselves and in which a maximum force is limited. The protection zone can be built around the tool in the manner of an "optical cage".

Bevorzugt ist die Überwachungseinrichtung ausgebildet, die Bewegungsrichtung des bewegbaren Maschinenteils und/oder die Bewegungsrichtung des Objekts zu erfassen und auch anhand der erfassten Bewegungsrichtung(en) eine Gefahrensituation zu erkennen. Zusätzlich zu der Ermittlung der Positionen des Maschinenteils und des Objekts kann also auch eine Erfassung der Bewegungsrichtung erfolgen. Bevorzugt kann neben der Bewegungsrichtung auch die Geschwindigkeit des Maschinenteils und/oder des Objekts in der jeweiligen Bewegungsrichtung ermittelt werden. Anhand der Bewegungsrichtung und/oder der Geschwindigkeit kann eine Wahrscheinlichkeit einer Kollision zwischen Maschinenteil und Objekt berechnet werden. Übersteigt die Wahrscheinlichkeit einen vorbestimmten Schwellenwert, so kann eine Gefahrensituation als erkannt gelten.Preferably, the monitoring device is designed to detect the direction of movement of the movable machine part and / or the direction of movement of the object and to detect a dangerous situation based on the detected direction of movement (s). In addition to the determination of the positions of the machine part and the object, therefore, a detection of the direction of movement can also take place. Preferably, in addition to the direction of movement, the speed of the machine part and / or of the object in the respective direction of movement can also be determined. On the basis of the direction of movement and / or the speed, a probability of a collision between the machine part and the object can be calculated. If the probability exceeds a predetermined threshold value, then a dangerous situation can be considered as recognized.

Der mit dem Roboter bzw. dem bewegbaren Maschinenteil mitbewegte Schutzbereich kann bevorzugt in Abhängigkeit der Geschwindigkeit der Bewegung des bewegbaren Maschinenteils und/oder der Geschwindigkeit des Objekts vergrößert und verkleinert werden. Je höher die Geschwindigkeit des Maschinenteils und/oder des Objekts ist, umso größer kann der Schutzbereich gewählt werden.The protective area which is moved along with the robot or the movable machine part can preferably be enlarged and reduced in dependence on the speed of the movement of the movable machine part and / or the speed of the object. The higher the speed of the machine part and / or the object, the greater the protection range can be selected.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Prozesssystem mit einem bewegbaren Maschinenteil insbesondere zur Bearbeitung eines Werkstücks, wobei das bewegbare Maschinenteil von einer Prozesssteuerung gesteuert wird. Das Prozesssystem umfasst eine Überwachungseinrichtung, die unabhängig von dem bewegbaren Maschinenteil ist. Dabei umfasst die Überwachungseinrichtung zumindest ein berührungsloses Sensorsystem zur Erfassung der Position des bewegbaren Maschinenteils und zur Erfassung der Position eines Objekts in der Umgebung des bewegbaren Maschinenteils. Das Sensorsystem umfasst mehrere Single-Photon-Avalanche-Dioden-(SPAD)-Distanzsensoren und ist ausgebildet, jeweils mehrere verschiedene Positionen des bewegbaren Maschinenteils und mehrere verschiedene Positionen des Objekts zu unterscheiden. Dabei ist die Überwachungseinrichtung ausgebildet, anhand der mittels des Sensorsystems erfassten Positionen des bewegbaren Maschinenteils und des Objekts eine Gefahrensituation zu erkennen und bei Vorliegen der Gefahrensituation ein Brems- und/oder Abschalt- und/oder Ausweichsignal an einen Sicherheitseingang des bewegbaren Maschinenteils zu senden, um den bewegbaren Maschinenteil zu verlangsamen, ausweichen zu lassen und/oder zum Stillstand zu bringen.The invention further relates to a process system with a movable machine part, in particular for processing a workpiece, wherein the movable machine part is controlled by a process controller. The process system includes a monitoring device which is independent of the movable machine part. In this case, the monitoring device comprises at least one non-contact sensor system for detecting the position of the movable machine part and for detecting the position of an object in the vicinity of the movable machine part. The sensor system comprises a plurality of single-photon avalanche diode (SPAD) distance sensors and is designed to distinguish in each case a plurality of different positions of the movable machine part and a plurality of different positions of the object. In this case, the monitoring device is designed to detect a danger situation based on the detected by means of the sensor system positions of the movable machine part and the object and to send a brake and / or shutdown and / or avoidance signal to a safety input of the movable machine part in the presence of the dangerous situation to to slow down the movable machine part, to dodge and / or bring to a standstill.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die SPAD-Distanzsensoren (nur) teilweise an dem bewegbaren Maschinenteil angebracht. Dies bedeutet, nur eine Teilmenge der SPAD-Distanzsensoren ist an dem bewegbaren Maschinenteil angebracht. Dabei sind zumindest die an dem bewegbaren Maschinenteil angebrachten SPAD-Distanzsensoren modular angeordnet und definieren einen an das Werkzeug angepassten Schutzbereich. Der Schutzbereich, welcher durch die SPAD-Distanzsensoren beobachtet wird, kann das Werkzeug in einem vorbestimmten Abstand umhüllen. Der Abstand kann in Abhängigkeit von der Ansprechzeit des Sensors und der Zeit, die notwendig ist, um eine Bewegung des bewegbaren Maschinenteils und/oder des Werkzeugs zu stoppen, gewählt werden. Hierzu können die SPAD-Distanzsensoren benachbart zu dem Werkzeug an dem bewegbaren Maschinenteil angeordnet sein. Durch die Anordnung unmittelbar in der Umgebung des Werkzeugs und durch die Verwendung mehrerer SPAD-Distanzsensoren können Totzonen der Überwachung vermieden werden, da sich die Kontur des Schutzbereichs gut an den von dem Werkzeug beanspruchten Bereich anpassen lässt. Auch eine komplexe Geometrie des Schutzbereichs kann durch die Verwendung der modular angeordneten SPAD-Distanzsensoren konturgenau abgesichert werden, beispielsweise um eine Annäherung durch einen Menschen in einem bestimmten Bereich zu erlauben. Außerdem wird es ermöglicht, bei bewegbaren Maschinenteilen mit komplexen Bewegungsprofilen die Absicherung des Werkzeugs zu vereinfachen, da die SPAD-Distanzsensoren ortsfest relativ zur „Gefahrenstelle“ angeordnet sind.According to an advantageous embodiment, the SPAD distance sensors are (only) partially attached to the movable machine part. This means that only a subset of the SPAD distance sensors are attached to the movable machine part. In this case, at least the SPAD distance sensors mounted on the movable machine part are arranged modularly and define a protection area adapted to the tool. The guard area observed by the SPAD distance sensors may envelop the tool at a predetermined distance. The distance may be selected depending on the response time of the sensor and the time necessary to stop movement of the movable machine part and / or the tool. For this purpose, the SPAD distance sensors can be arranged adjacent to the tool on the movable machine part. By placing it directly in the vicinity of the tool and by using several SPAD distance sensors, dead zones of the monitoring can be avoided, since the contour of the protection zone can be adapted well to the area occupied by the tool. Even a complex geometry of the protected area can be ensured by the use of modular SPAD distance sensors contour accurate, for example, to allow an approach by a human in a particular area. It also makes it possible to simplify the protection of the tool in the case of movable machine parts with complex movement profiles, since the SPAD distance sensors are arranged stationarily relative to the "danger spot".

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die SPAD-Distanzsensoren ausgebildet, gemeinsam einen Überwachungsbereich zu erfassen, wobei ein jeder SPAD-Distanzsensor zumindest jeweils einen Teilbereich des Überwachungsbereichs erfasst, wobei sich benachbarte Teilbereiche bevorzugt überlappen. Die gemeinsame Erfassung des Überwachungsbereichs, kann - wie oben ausgeführt - z.B. durch eine Fusion der Daten der einzelnen Sensoren erfolgen.According to an advantageous embodiment, the SPAD distance sensors are designed to collectively detect a surveillance area, wherein each SPAD distance sensor detects at least one subarea of the surveillance area, whereby adjacent subareas preferably overlap. The common detection of the surveillance area can, as stated above, e.g. by a fusion of the data of the individual sensors.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der bewegbare Maschinenteil ausgebildet, eine vorbestimmte Referenzposition einzunehmen, wobei die Überwachungseinrichtung eingerichtet ist, einen Selbsttest vorzunehmen, während der bewegbare Maschinenteil in der Referenzposition ist. Bei dem Selbsttest werden bevorzugt von dem Sensorsystem erfasste Positionsdaten des bewegbaren Maschinenteils mit erwarteten Positionsdaten verglichen. Durch die Referenzposition und den Selbsttest kann auf einfache Weise ein mittleres Sicherheits-Performance-Level erreicht werden, da die korrekte Funktion des Sensorsystems anhand der Referenzposition überprüft werden kann. Eine korrekte Funktion des Sensorsystems liegt beispielsweise dann vor, wenn die von dem Sensorsystem erfassten Positionsdaten des bewegbaren Maschinenteils in der Referenzposition um nicht mehr als einen vorbestimmten Schwellenwert von den erwarteten Positionsdaten abweichen. Die Referenzposition kann durch Stoppen des Maschinenteils oder auch nur kurzzeitig „im Vorbeifahren“ (d.h. ohne ein Anhalten des Maschinenteils) eingenommen werden. Bevorzugt findet der Selbsttest in der Nähe der Bearbeitungsposition für das Werkstück statt.According to a further advantageous embodiment, the movable machine part is formed, a predetermined reference position wherein the monitoring device is arranged to perform a self-test while the movable machine part is in the reference position. In the self-test, position data of the movable machine part detected by the sensor system are preferably compared with expected position data. The reference position and the self-test can easily achieve a medium safety performance level, since the correct function of the sensor system can be checked based on the reference position. A correct function of the sensor system is present, for example, if the position data of the movable machine part detected by the sensor system in the reference position does not deviate from the expected position data by more than a predetermined threshold value. The reference position can be taken by stopping the machine part or even briefly "on the way" (ie without stopping the machine part). The self-test preferably takes place in the vicinity of the machining position for the workpiece.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Sensorsystem SPAD-Distanzsensoren, welche ortsfest und bevorzugt beabstandet zu dem bewegbaren Maschinenteil angeordnet sind. Neben den benachbart zu dem Werkzeug an dem Maschinenteil angeordneten SPAD-Distanzsensoren kann das Sensorsystem also auch weitere SPAD-Distanzsensoren umfassen, die beispielsweise unabhängig und beabstandet zu dem bewegbaren Maschinenteil sind.According to a further advantageous embodiment, the sensor system comprises SPAD distance sensors, which are arranged fixed and preferably spaced from the movable machine part. In addition to the SPAD distance sensors arranged adjacent to the tool on the machine part, the sensor system can therefore also comprise further SPAD distance sensors which, for example, are independent and spaced from the movable machine part.

Bevorzugt sind an dem bewegbaren Maschinenteil optische Referenzmarken angebracht. Die Referenzmarken vereinfachen die Positionserkennung mittels der optischen Sensoren, d.h. der SPAD-Distanzsensoren. Die Referenzmarken können daher für die Erkennung mittels der SPAD-Distanzsensoren optimiert sein.Preferably, optical reference marks are attached to the movable machine part. The reference marks facilitate position detection by means of the optical sensors, i. the SPAD distance sensors. The reference marks can therefore be optimized for detection by means of the SPAD distance sensors.

Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung eines bewegbaren Maschinenteils mittels einer Überwachungseinrichtung, bei welchem

- die Überwachungseinrichtung mittels zumindest eines berührungslosen Sensorsystems jeweils mehrere verschiedene Positionen des bewegbaren Maschinenteils und mehrere verschiedene Positionen eines Objekts erfasst,
- das Sensorsystem mehrere Single-Photon-Avalanche-Dioden-(SPAD)-Distanzsensoren verwendet, um die Positionen des bewegbaren Maschinenteils und des Objekts zu erfassen,
- die Überwachungseinrichtung anhand der mittels des Sensorsystems erfassten Positionen des bewegbaren Maschinenteils und des Objekts eine Gefahrensituation erkennt und bei Vorliegen der Gefahrensituation ein Brems- und/oder Abschalt- und/oder Ausweichsignal an einen Sicherheitseingang des bewegbaren Maschinenteils sendet, um den bewegbaren Maschinenteil zu verlangsamen, ausweichen zu lassen und/oder zum Stillstand zu bringen.

Finally, the invention relates to a method for monitoring a movable machine part by means of a monitoring device, in which

the monitoring device detects a plurality of different positions of the movable machine part and a plurality of different positions of an object by means of at least one non-contact sensor system,
the sensor system uses several single-photon avalanche diode (SPAD) distance sensors to detect the positions of the movable machine part and the object,
- The monitoring device based on the detected by means of the sensor system positions of the movable machine part and the object detects a dangerous situation and transmits a brake and / or shutdown and / or avoidance signal to a safety input of the movable machine part in the presence of the dangerous situation to slow the movable machine part to dodge and / or bring to a halt.

Für das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Prozesssystem gelten die Ausführungen zu der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung entsprechend, insbesondere hinsichtlich Vorteilen und bevorzugten Ausführungsformen.For the method according to the invention and the process system according to the invention, the statements relating to the monitoring device according to the invention apply correspondingly, in particular with regard to advantages and preferred embodiments.

Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 ein Prozesssystem mit einem Roboter und einer Überwachungseinrichtung; und
2 einen schematischen Aufbau der Komponenten des Prozesssystems von 1.

Hereinafter, the invention will be described purely by way of example with reference to the drawings. Show it:

1 a process system with a robot and a monitoring device; and
2 a schematic structure of the components of the process system of 1 ,

1 zeigt ein Prozesssystem 10, welches einen bewegbaren Maschinenteil in Form eines kollaborierenden Roboters 12 aufweist. Der Roboter 12 dient der Bearbeitung eines Werkstücks 14. Zur Bearbeitung des Werkstücks 14 umfasst der Roboter 12 ein Werkzeug 16, beispielsweise einen Bohrer. 1 shows a process system 10 , which is a movable machine part in the form of a collaborating robot 12 having. The robot 12 is used to process a workpiece 14 , For machining the workpiece 14 includes the robot 12 a tool 16 for example a drill.

Das Prozesssystem 10 umfasst weiterhin mehrere ortsfeste SPAD-(Single-Photon-Avalanche-Dioden)-Distanzsensoren 18 sowie mit dem Roboter 12 mitbewegte SPAD-Distanzsensoren 20. Die SPAD-Distanzsensoren 18, 20 sind zur Entfernungsmessung ausgebildet.The process system 10 Also includes a plurality of stationary SPAD (single photon avalanche diode) distance sensors 18 and the robot 12 moving SPAD distance sensors 20 , The SPAD distance sensors 18 . 20 are designed for distance measurement.

Die ortsfesten SPAD-Distanzsensoren 18 erfassen gemeinsam einen Überwachungsbereich 22, in welchem sich der Roboter 12 und auch ein Objekt, hier beispielsweise als menschlicher Bediener 24 dargestellt, bewegen können. In dem Überwachungsbereich 22 befindet sich zudem das Werkstück 14.The stationary SPAD distance sensors 18 collect a surveillance area together 22 in which the robot is 12 and also an object, here for example as a human operator 24 shown, can move. In the surveillance area 22 is also the workpiece 14 ,

Das zur Bearbeitung des Werkstücks 14 dienende Werkzeug 16 wird von einem Schutzbereich 26 eingeschlossen, welcher durch die mitbewegten SPAD-Distanzsensoren 20 beobachtet und überwacht wird. Der Schutzbereich 26 ist an die Größe des Werkzeugs 16 angepasst. Greift der Bediener 24 in den Schutzbereich 26 ein, wird das Werkzeug 16 sofort gestoppt, wie unten näher erläutert.The for machining the workpiece 14 serving tool 16 is from a protected area 26 enclosed by the moving SPAD distance sensors 20 is monitored and monitored. The protection area 26 is due to the size of the tool 16 customized. Attacks the operator 24 in the protection area 26 one, becomes the tool 16 stopped immediately, as explained below.

Neben dem in der 1 gezeigten Schutzbereich 26, der sich um das Werkzeug 16 herum erstreckt, beobachten die ortsfesten SPAD-Distanzsensoren 18 einen sich mit dem Roboter 12 mitbewegenden dynamischen Schutzbereich 27, welcher ein Teilbereich des Überwachungsbereichs 22 ist, den Roboter 12 umgibt und sich in Abhängigkeit der Geschwindigkeit der Bewegung des Roboters 12 vergrößert und verkleinert.In addition to in the 1 shown protection area 26 , which extends around the tool 16, observe the stationary SPAD distance sensors 18 one with the robot 12 moving dynamic protection range 27 , which is a subarea of the surveillance area 22 is that robot 12 surrounds and varies depending on the speed of movement of the robot 12 enlarged and reduced.

In 2 ist nun die schematische Verschaltung des Prozesssystems 10 von 1 dargestellt. In dem Prozesssystem 10 übernimmt eine Prozesssteuerung 28 die Steuerung des Roboters 12. Die Prozesssteuerung 28 sorgt insbesondere dafür, dass das Werkstück 14 korrekt bearbeitet wird. Hierfür ist die Prozesssteuerung 28 in bidirektionaler Kommunikation mit dem Roboter 12.In 2 is now the schematic interconnection of the process system 10 from 1 shown. In the process system 10 takes over a process control 28 the control of the robot 12 , The process control 28 ensures in particular that the workpiece 14 is processed correctly. For this, the process controller 28 is in bidirectional communication with the robot 12 ,

Eine Überwachungseinrichtung 30 des Prozesssystems 12 umfasst die bereits erwähnten ortsfesten und mitbewegten SPAD-Distanzsensoren 18, 20. Die SPAD-Distanzsensoren 18, 20 sind alle mit einer Recheneinheit in Form eines SPAD-Masters 32 gekoppelt. Um den Roboter 12 bei einer Gefahrensituation abzuschalten, kann der SPAD-Master 32 an einen schnellen Sicherheitseingang 34 des Roboters 12 ein Brems- und/oder Abschalt- und/oder Ausweichsignal senden. Der SPAD-Master 32 ist hierfür mittels eines unidirektionalen Kommunikationsausgangs 36 mit dem Sicherheitseingang 34 verbunden.A monitoring device 30 of the process system 12 includes the already mentioned stationary and co-moving SPAD distance sensors 18 . 20 , The SPAD distance sensors 18 . 20 are all coupled to a computing unit in the form of a SPAD master 32. To the robot 12 In the event of a dangerous situation, the SPAD master can 32 to a fast security entrance 34 of the robot 12 send a brake and / or shutdown and / or alternate signal. The SPAD master 32 is for this purpose by means of a unidirectional communication output 36 with the security entrance 34 connected.

Im Betrieb senden die SPAD-Distanzsensoren 18, 20 mittels (nicht gezeigter) Lichtquellen jeweils Lichtimpulse in den Überwachungsbereich 22 aus und ermitteln eine jeweilige Lichtlaufzeit der rückgestrahlten Lichtsignale. Aus der Lichtlaufzeit kann ein Abstand des jeweiligen SPAD-Distanzsensors 18, 20 zu dem Roboter 12 bzw. zu dem Bediener 24 ermittelt werden. Aus den ermittelten Abständen und der bekannten Position der ortsfesten SPAD-Distanzsensoren 18, können die Positionen des Roboters 12 und des Bedieners 24 im Überwachungsbereich 22 ermittelt werden.During operation, the SPAD distance sensors send 18 . 20 by means of (not shown) light sources each light pulses into the surveillance area 22 from and determine a respective light transit time of the reflected light signals. The distance of the respective SPAD distance sensor can be calculated from the light transit time 18 . 20 to the robot 12 or to the operator 24 be determined. From the determined distances and the known position of the stationary SPAD distance sensors 18 , can the positions of the robot 12 and the operator 24 in the surveillance area 22 be determined.

Bei Bewegungen des Roboters 12 findet nun eine kontinuierliche Erfassung der Position des Roboters 12 und auch der Position des Werkzeugs 16 mittels der ortsfesten SPAD-Distanzsensoren 18 statt. Die Position des Roboters 12 wird ständig mit der Position des Bedieners 24 verglichen, um eine mögliche Kollision oder Gefahrensituation schnell zu erkennen.During movements of the robot 12 now finds a continuous detection of the position of the robot 12 and also the position of the tool 16 by means of the stationary SPAD distance sensors 18 instead of. The position of the robot 12 is constantly with the position of the operator 24 compared to quickly detect a potential collision or dangerous situation.

Bewegt sich der Roboter 12 auf das Werkstück 14 zu, so verharrt der Roboter 12 kurz vor dem Erreichen des Werkstücks 14 für eine vorbestimmte Zeitspanne in seiner Position. Dieses Verharren wird von dem SPAD-Master 32 erkannt, wobei die dann ermittelte Position des Roboters 12 mit einer erwarteten Position verglichen wird, um eine Funktionsüberprüfung der Überwachungseinrichtung 30 durchzuführen.Does the robot move? 12 on the workpiece 14 too, so the robot stops 12 just before reaching the workpiece 14 for a predetermined period of time in its position. This persistence comes from the SPAD master 32 detected, the then determined position of the robot 12 is compared with an expected position to perform a functional check of the monitoring device 30 perform.

Alternativ kann die Funktionsprüfung auch im Vorbeifahren (d.h. ohne ein Anhalten des Roboters 12) durchgeführt werden, was aufgrund der schnellen Messvorgänge der Sensoren 18, 20 möglich ist. Der hierdurch erreichte Zeitgewinn kann zum Einhalten geforderter Zykluszeiten und zur Steigerung der Produktivität beitragen.Alternatively, the function test can also be used while driving by (ie without stopping the robot 12 ), due to the rapid measuring operations of the sensors 18 . 20 is possible. The time savings achieved thereby can help to maintain required cycle times and increase productivity.

Bewegt sich der Roboter 12 dann weiter auf das Werkstück 14 zu, werden die mitbewegten SPAD-Distanzsensoren 20 kurz vor Erreichen des Werkstücks 14 kurzzeitig abgeschaltet („Muting“), um den Roboter 12 nicht durch das Erkennen des Werkstücks 14 als unzulässiges Objekt in dem Schutzbereich 26 zu stoppen.Does the robot move? 12 then continue on the workpiece 14 too, the moving SPAD distance sensors become 20 just before reaching the workpiece 14 briefly switched off ("Muting") to the robot 12 not by recognizing the workpiece 14 as an inadmissible object in the protected area 26 to stop.

Sobald der Roboter 12 das Werkstück 14 mittels des Werkzeugs 16 bearbeitet, werden die mitbewegten SPAD-Distanzsensoren 20 wieder aktiviert, wobei während der Bearbeitung des Werkstücks 14 der Schutzbereich 26 (beispielsweise dynamisch) verkleinert ist.Once the robot 12 the workpiece 14 by means of the tool 16 The moving SPAD distance sensors are processed 20 re-activated, taking during the machining of the workpiece 14 the protection area 26 (for example, dynamically) is reduced.

Bewegt z.B. der Bediener 24 seine Hand in den Schutzbereich 26 hinein, so wird dies durch eine Veränderung des Messsignals der mitbewegten SPAD-Distanzsensoren 20 erfasst, woraufhin der SPAD-Master 32 dies als Gefahrensituation einstuft und ein Abschaltsignal an den schnellen Sicherheitseingang 34 sendet, was zur sofortigen Abschaltung des Roboters 12 samt dessen Werkzeug 16 führt.For example, the operator moves 24 his hand in the protection area 26 This is done by changing the measurement signal of the moving SPAD distance sensors 20 captured, whereupon the SPAD master 32 classifies this as a dangerous situation and a shutdown signal to the fast safety entrance 34 sends, resulting in immediate shutdown of the robot 12 together with its tool 16 leads.

In ähnlicher Art und Weise erkennt der SPAD-Master 32 eine Gefahrensituation, wenn sich der Roboter 12 bewegt und sich in seiner Bewegung dem Bediener 24 zu schnell oder zu stark nähert. Eine zu schnelle Annäherung und/oder eine zu starke Annäherung (d.h. eine Annäherung, bei der der Abstand zwischen Roboter 12 und Bediener 24 einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet) können mittels der ortsfesten SPAD-Distanzsensoren 18 erfasst werden. Der SPAD-Master 32 erzeugt daraufhin ein Brems- und/oder Abschalt- und/oder Ausweichsignal, welches über den Kommunikationsausgang 36 an den schnellen Sicherheitseingang 34 des Roboters 12 gesendet wird, woraufhin der Roboter 12 abbremst, ausweicht oder ganz stoppt.Similarly, the SPAD master recognizes 32 a dangerous situation when the robot 12 moves and moves in its motion to the operator 24 approaching too fast or too hard. Too fast approximation and / or too close approximation (ie, an approximation where the distance between robot 12 and operator 24 below a predetermined threshold) can be detected by means of the stationary SPAD distance sensors 18 be recorded. The SPAD master 32 then generates a brake and / or shutdown and / or alternate signal, which via the communication output 36 to the fast safety entrance 34 of the robot 12 is sent, whereupon the robot 12 decelerates, evades or stops completely.

Aus 2 ist zu erkennen, dass eine Datenübertragung ausschließlich von der Überwachungseinrichtung 30 hin zu dem Roboter 12 erfolgt. Eine Datenübertragung von dem Roboter 12 oder dessen Prozesssteuerung 28 hin zu der Überwachungseinrichtung 30 wird nicht benötigt. Da die Überwachungseinrichtung 30 sämtliche benötigten Informationen über die Position des Roboters 12 und des Bedieners 24 ausschließlich selbst erfasst, muss die Überwachungseinrichtung 30 nicht warten, bis die benötigten Informationen beispielsweise von der Prozesssteuerung 28 geliefert werden. Aus diesem Grund kann die Überwachungseinrichtung 30 besonders schnell auf Gefahrensituationen reagieren, wobei zusätzlich der schnelle Sicherheitseingang 34 des Roboters 12 zum Abschalten verwendet wird, der keinen Umweg über die Prozesssteuerung 28 erforderlich macht.Out 2 It can be seen that a data transmission exclusively by the monitoring device 30 to the robot 12 he follows. A data transfer from the robot 12 or its process control 28 towards the monitoring device 30 is not needed. Because the monitoring device 30 all the information you need about the position of the robot 12 and the operator 24 exclusively self-recorded, the monitoring device must 30 Do not wait for the required information, for example, from the process controller 28 to be delivered. For this reason, the monitoring device 30 respond very quickly to dangerous situations, in addition to the fast safety entrance 34 of the robot 12 is used to shut down, which does not detour through the process control 28 required.

Die Sicherheit des gesamten Prozesssystems 10 kann aufgrund der so erreichten schnellen Reaktionszeit gesteigert werden.The security of the entire process system 10 can be increased due to the thus achieved fast reaction time.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: Prozesssystemprocess system
1212: Roboterrobot
1414: Werkstückworkpiece
1616: WerkzeugTool
1818: ortsfester SPAD-Distanzsensorfixed SPAD distance sensor
2020: mitbewegter SPAD-Distanzsensormoving SPAD distance sensor
2222: Überwachungsbereichmonitoring area
2424: Bedieneroperator
2626: Schutzbereichthe scope
2727: dynamischer Schutzbereichdynamic protection range
2828: Prozesssteuerungprocess control
3030: Überwachungseinrichtungmonitoring device
3232: SPAD-MasterSPAD Master
3434: schneller Sicherheitseingangfast security entrance
3636: Kommunikationsausgangcommunication output

Claims

Monitoring device (30) for monitoring a movable machine part (12), which serves in particular for processing or handling a workpiece (14), wherein the monitoring device (30) at least one non-contact sensor system (18, 20, 32) for detecting the position of the movable machine part (12) and detecting the position of an object (24), for example a person or an obstacle, in the vicinity of the movable Comprises machine part (12), wherein the sensor system (18, 20, 32) comprises a plurality of single photon avalanche diode (SPAD) distance sensors (18, 20), wherein the sensor system (18, 20, 32) is designed to distinguish in each case a plurality of different positions of the movable machine part (12) and a plurality of different positions of the object (24), wherein the monitoring device (30) is designed to detect a dangerous situation on the basis of the positions of the movable machine part (12) and the object (24) detected by the sensor system (18, 20, 32) and, in the presence of the dangerous situation, a brake and / or brake Abschalt- and / or avoidance signal to a safety input (34) of the movable machine part (12) to send.

Monitoring device (30) after Claim 1 , characterized in that the monitoring device (30) is configured to determine the position of the movable machine part (12) exclusively by means of the sensor system (18, 20, 32).

Monitoring device (30) after Claim 1 or 2 , characterized by a communication output (36) for data transmission to the safety input (34) of the movable machine part (12), wherein the communication output (36) is adapted to transmit data only from the monitoring device (30) to the safety input (34).

Monitoring device (30) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the monitoring device (30) is adapted to communicate exclusively by a unidirectional communication by means of the braking and / or shutdown and / or avoidance signal with the movable machine part (12) , and / or only on the basis of the detected by means of the sensor system (18, 20, 32) positions of the movable machine part (12) and the detected position of the object (24) to detect a dangerous situation.

Monitoring device (30) according to at least one of the preceding claims, characterized in that a dangerous situation is considered to be recognized when the distance between the movable machine part (12) and the object (24) falls below a predetermined minimum distance.

Monitoring device (30) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the monitoring device (30) is formed upon detection that machining of the workpiece (14) is about to temporarily shut off the sensor system (18, 20, 32) at least in part or to hide its measured values in order to allow contact between the movable machine part (12) and the workpiece (14).

Monitoring device (30) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the sensor system (18, 20, 32) is formed, at least the position of a tool (16) attached to the movable machine part (12) by means of a protective area (26) enclose and to detect penetration of the object (24) in the protection area (26).

Monitoring device (30) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the monitoring device (30) is designed to detect the direction of movement of the movable machine part (12) and / or the object (24) and also based on the detected movement direction or the detected Movement directions to detect a dangerous situation.

Process system (10) with a movable machine part (12), in particular for machining a workpiece (14) by means of a tool (16), wherein the movable machine part (12) is controlled by a process controller (28), and with a monitoring device (30) which is independent of the movable machine part (12), wherein the monitoring device (30) comprises at least one non-contact sensor system (18, 20, 32) for detecting the position of the movable machine part (12) and detecting the position of an object (24) in the vicinity of the movable machine part (12), wherein the sensor system (18, 20, 32) comprises a plurality of single photon avalanche diode (SPAD) distance sensors (18, 20), wherein the sensor system (18, 20, 32) is designed to distinguish in each case a plurality of different positions of the movable machine part (12) and a plurality of different positions of the object (24), wherein the monitoring device (30) is designed to detect a dangerous situation on the basis of the positions of the movable machine part (12) and the object (24) detected by the sensor system and, in the presence of the dangerous situation, a brake and / or shutdown and / or avoidance signal a safety input (34) of the movable machine part (12) to send to slow down the movable machine part (12), to dodge and / or bring to a standstill.

Process system (10) after Claim 9 , characterized in that the SPAD distance sensors (20) are partially attached to the movable machine part (12), wherein at least on the movable machine part (12) mounted sensors (20) are arranged modularly and adapted to the tool (16) Define protection area (26).

Process system (10) after Claim 10 characterized in that the SPAD distance sensors (18) are configured to collectively detect a surveillance area (22), each SPAD distance sensor (18) detecting at least a portion of the surveillance area (22), with adjacent areas preferably overlapping ,

Process system (10) according to at least one of Claims 9 to 11 characterized in that the movable machine part (12) is configured to assume a predetermined reference position, the monitoring device (30) being arranged to perform a self-test while the movable machine part (12) is in the reference position, preferably by the sensor system (18, 20, 32) detected position data of the movable machine part (12) are compared with expected position data.

Process system (10) according to at least one of Claims 9 to 12 , characterized in that the sensor system SPAD distance sensors (18) which are stationary and spaced from the movable machine part (12) are arranged.

Process system (10) according to at least one of Claims 9 to 13 , characterized in that on the movable machine part (12) optical reference marks are attached.