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Schutzschranke zur Sicherung und Überwachung
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von gefährlichen Arbeitsbereichen an Maschinen Die Erfindung betrifft
eine Schutzschranke zur Sicherung und Überwachung von gefährlichen Arbeitsbereichen
an Maschinen, insbesondere Schneidemaschinen, mit Lichtsendern und mit den Sendern
zugeordneten, auf die Senderstrahlung ansprechenden Empfängern, wobei die jeweils
zwischen einzelnen Sendern und Empfängern gebildeten Strahlengänge den zu sichernden
Arbeitsbereich begrenzen und bei Unterbrechung wenigstens eines der Strahlengänge
ein Steuersignal erzeugt wird, das einen für die Bedienungsperson gefährlichen Arbeitsgang
der Maschine unterdrückt bzw. unterbricht.
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Mit solchen Schutzschranken wird beispielsweise bei Schneidemaschinen
die gestellte Sicherungsaufgabe dadurch erfüllt, daß mit Hilfe des Steuersignals
der Antrieb des Schneidemessers ausgeschaltet wird, wenn wenigstens einer der zwischen
Sendern und Empfängern verlaufenden Strahlengänge unterbrochen wird, also wenn etwa
die Bedienungsperson nach Auslösen eines Schnittes im überwachten Gefahrenbereich
hantiert. Diese Sicherungsfunktion kånn allerdings nur dann ständig gewährleistet
sein, wen die Lichtschranke stets
funktionssicher ist, so daß eine
Überprüfung der Funktionssicherheit vor, während und nach jedem Schnitt einer Schneidemaschine
erforderlich ist. Gleiches gilt sinngemäß bei anderen Maschinen mit Arbeitsgängen,
die für die Bedienungsperson gefährlich werden kena Diese Prüfung erfolgt üblicherweise
durch tatsächliches oder simuliertes Abschalten der Sender, so daß während dieser
Zeit die Empfänger auf ihre Ausgangszustände hin untersucht werden können, wobei
ein unterbrochener Strahlengang natürlich unbedingt aufgezeigt werden muß. Eine
eindeutige Aussage über die Beeinflussung durch Fremdlicht ist allerdings nur durch
tatsächliches Abschalten, also nicht durch simuliertes Abschalten der Sender oder
eines der Sender möglich.
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Einer grundsätzlich erwünschten laufenden Überwachung der Funktionssicherheit
steht bei den bisher bekannten Ausführungen mit Glühlampen als Lichtsendern die
große Trägheit des glühenden Lampenfadens entgegen. Deshalb ist man auch schon dazu
übergegangen, als Sender und Empfänger wenig träge photoelektrische Bauelemente
einzusetzen. Bei einer bekannten Schutzschranke mit solchen Bauelementen wird so
vorgegangen, daß mehrere aus Sendern und Empfängern bestehende Strahlenschranken
so kombiniert werden, daß jeweils der Empfänger einer Strahlenschranke und der Sender
einer anderen Strahlenschranke zu einem Kanal zusammengeschaltet sind und daß die
Kanäle
mit den zwischen ihnen liegenden Strahlenschranken in einer ungeradzahligen Anzahl
zu einem Ring zusammengeschlossen werden.
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So kann erreicht werden, daß der Strahlensender eines Kanals nur dann
eingeschaltet wird, wenn der Empfänger im gleichen Kanal keine Strahlung vom Sender
des vorgeschalteten Kanals erhält. Hierbei wird also im Prinzip die Überwachungsaufgabe
von einem Kanal zum nächsten übertragen. Solche Schutzschranken ermöglichen zwar
eine laufende Selbstüberwachung auf Funktionsbereitschaft, sie sind aber nicht absolut
sicher bei Einwirkung von fremdem Wechsellicht, was auch für die meisten der anderen
bekannten Lichtschranken dieser Art gilt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Beseitigung der aufgezeigten
Nachteile und in der Schaffung einer Schutzschranke, die bei ständiger Selbstüberprüfung
nicht nur Fehler oder Störungen der Elektronik erfaßt, sondern auch sicher auf fremdes
Gleich-oder Wechsellicht reagiert, das sonst zum Versagen der Lichtschranke führen
könnte.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs erwähnte Lichtschranke
dadurch gekennzeichnet, daß die Sender synchron mit elektrischen Betriebsimpulsen
gespeist werden, daß mit den Betriebsimpulsen in der Frequenz, Phasenlage und im
Tastverhäl'nis übereinstimmende Bezugsimpulse den ersten Eingänge son Vergleichsstufen
zugeführt werden, deren zweite Eingänge die von einem jeweils zugehörigen
Empfänger
erzeugten Ausgangsimpulse aufnehmen, und daß in den Vergleichsstufen die Ausgangs
impulse mit den Bezugs impulsen auf Übereinstimmung bezüglich Frequenz, Phasenlage
und Tastverhältnis verglichen werden, um bei Feststellung von Abweichungen das Steuersignal
ip einer Ausgangsstufe zu entwickeln.
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In vorteilhafter Weise können die Vergleichsstufen als ODER-Tore ausgebildet
werden, deren Ausgangssignale in der Ausgangsstufe über ein NOR-Tor auf einen Kanal
umgesetzt, gleichgerichtet und als Steuersignal in einer Verstärkerstufe auf den
erforderlichen Ausgangspegel angehoben werden, um dann mit diesem Steuersignal beispielsweise
den Antrieb eines Schneidemessers außer Funktion zu setzen.
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Zur Erhöhung der Funktionssicherheit dieser Schutzschranke können
auch jedem Empfängerausgang eine erste und eine zweite Vergleichsstufe zugeordnet
werden, wobei dann die ersten Vergleichsstufen mit einer Ausgangsstufe und die zweiten
Vergleichsstufen mit einer weiteren Ausgangsstufe zusammenarbeiten.
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Durch den ständigen Vergleich der Bezugsimpulse mit den Ausgangsimpulsen
der Empfänger wird sich jede Beeinflussung des Strahlenganges, sei es durch Unterbrechung
oder etwa durch zusätzliche Einwirkung von Fremdlicht, durch eine Änderung der Ausgangsimpulse
an mindestens einem der Empfänger auswirken. Wenn ein Strahlengang unterbrochen
wird, fehlt das Ausgangssignal, so daß nur das Bezugssignal
an
der betreffenden Vergleichsstufe ansteht, und dies führt zur Entwicklung des Steuersignals
zwecks Unterdrückung der so übersteuerten Maschinenfunktion. Bei Fremdlichteinfall
wird das Ausgangssignal nicht mit dem Bezugssignal in Frequenz oder Phasenlage übereinstimmen,
so daß in den Vergleichsstufen eine Signaldifferenz ermittelt und daraus wiederum
das Steuersignal entwickelt werden kann.
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Voraussetzung für diesen Betrieb ist es, daß die Elektronik und die
weiteren Bauteile der Schutzschranke so ausgelegt und aufeinander abgestimmt sind,
daß im Normalfall bei nicht unterbrochenem Strahlengang und ohne Fremdlichteinfall
die vom Empfänger kommenden Ausgangsimpulse zumindest im Hinblick auf Frequenz,
Phasenlage und Tastverhältnis mit den Bezugsimpulsen übereinstimmen, was man u.a.
dadurch erreicht, daß sowohl die Bezugsimpulse als auch die die Lichtquellen speisenden
Betriebsimpulse synchron von einem Impulsgenerator erzeugt werden, so daß wiederum
auch die von den Lichtquellen abgegebenen und auf die Empfänger treffenden Lichtimpulse
sowie die schließlich hieraus entstehenden Empfängerausgangsimpulse bezüglich der
genannten Eigenschaften mit den Bezugsim sen übereinstimmen.
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In der anliegenden Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel für eine
Schutzschranke nach der Erfindung vereinfacht in einem Blockschaltbild dargestellt.
Dabei handelt es sich um eine 4-kanalige Lichtschranke,
bei der
vier Sender S 1 bis S 4 mit einer gleichen Anzahl von Empfängern E 1 bis E 4 auf
an sich übliche Weise zusammenarbeiten und vier Strahlengänge bilden, die durch
entsprechende Anordnung von Sendern und Empfängern so verlaufen, daß sie einen zu
sichernden Arbeitsbereich einer Maschine so begrenzen; daß zumindest einer der Strahlengänge
unterbrochen ist, wenn eine Bedienungsperson in den überwachten Bereich greift.
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Ein RC-Generator G soll bei diesem Ausführungsbeispiel eine Rechteckspannung
von 1 kHz mit einem Tastverhältnis von 1:1 erzeugen.
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Wie es auch durch die jeweiligen Leitungsverbindungen nach der Zeichnung
angedeutet ist, speist der Generator G alle Sender S synchron mit Betriebsimpulsen,
so daß die Sender Lichtimpulse mit der Frequenz, Phasenlage und dem Tastverhältnis
der Generatorimpulse erzeugen. Als Sender werden zweckmäßigerweise Gallium-Arsenid-Dioden
verwendet, die eine äußerst geringe Trägheit haben und in der Lage sind, die Betriebsimpulse
ohne für die Praxis bedeutsame Phasenverschiebungen bzw. Frequenzänderungen in Lichtimpulse
umzusetzen. Solche Dioden arbeiten bekanntlich im infraroten Lichtbereich, was u.a.
günstigen Einfluß auf die Unterdrückung von Fremdlichteinwirkungen hat.
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Die so erzeugten Lichtimpulse gelangen von den Sendern S zum jeweils
gegenüberliegenden Empfänger E, wobei die hierbei von den Empfängern erzeugten Ausgangs
impulse zum einen Eingang der Vergleichsstufen
P 1 bis P 4 gelangen,
und zwar nach vorheriger Anhebung auf den gewünschten Logik-Signalpegel durch die
Verstärker V 1 bis V 4. Der Darstellung entsprechend bilden jeweils ein Sender S
und ein Empfänger E mit nachfolgendem Verstärker V und der zugehörigen Vergleichsstufe
P einen Kanal, der von den übrigen und ebenfalls so aufgebauten Kanälen unabhängig
arbeitet.
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Dem anderen Eingang der Vergleichsstufen P werden die gleichfalls
vom Generator G erzeugten Impulse als Bezugsimpulse zugeführt, die wenigstens im
Hinblick auf Frequenz, Phasenlage und Tastverhältnis mit den Betriebsimpulsen für
die Sender S und damit auch mit den Ausgangsimpulsen der Empfänger E übereinstimmen
sollen, was sich praktisch und relativ einfach dadurch erreichen läßt, daß sowohl
die Betriebsimpulse als auch die Bezugs impulse gleichzeitig an einem Ausgang des
Impulsgenerators G abgenommen werden. Im übrigen wird bei diesen Überlegungen davon
ausgegangen, daß evtl. Einflüsse von Impulslaufzeiten auf die Phasenlage oder Frequenz
in der Praxis vernachlässigbar sind oder zweckentsprechend kompensiert werden müßten.
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In den Stufen P 1 bis P 4 werden die vom jeweils zugeordneten Kanal
S, E und V mit den vom Generator G kommenden Bezugsimpulsen auf Ubereinstimmung-in
Frequenz, Phasenlage und Tastverhältnis verglichen, um bei Feststellung von Abweichungen
in diesen Signaleigenschaften das Steuersignal erzeugen zu können, mit dem der von
Schutzschranke
beeinflußbare Maschinenantrieb, also etwa der Messerantrieb einer Schneidemaschine
angesteuert wird.
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Eine relativ einfache Möglichkeit zur Durchführung der Vergleichsfunktion
ist durch Anwendung von 2-fachen exklusiven ODER-Toren als Vergleichsstufen P gegeben.
Dem einen Eingang dieses Tores bzw.
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Gatters werden die verstärkten Empfängerimpulse und dem anderen Eingang
die vom Generator G kommenden Bezugsimpulse zugeführt.
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Aus der grundsätzlich bekannten Funktion eines ODER-Tores ergibt sich
ein Ausgang 0, wenn beide Eingangssignale absolut deckungsgleich sind, während am
Ausgang ein von 0 abweichendes Signal bzw.
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eine 1 ansteht, wenn beispielsweise wesen verschiedener Phasenlagen
oder Frequenzen aufgrund von Fremdlichteinfluß die Empfängersignale und die Bezugssignale
nicht deckungsgleich sind. Entsprechendes gilt sinngemäß, wenn einer der Strahlengänge
unterbrochen werden sollte.
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Aus dem so bei einem Störungsfall entstehenden Signal am Ausgang einer
oder mehrerer der Vergleichsstufen P wird das Steuersignal in einer Ausgangsstufe
A 1 entwickelt. Zu diesem Zweck können die vier Ausgänge der Vergleichs- bzw. Torschaltungen
P 1 bis P 4 in der Ausgangsstufe A 1 mit einem 4-fach NOR-Tor auf einen Kanal umgesetzt,
danach gleichgerichtet und als Steuersignal in einem Verstärker der Ausgangsstufe
auf den erforderlichen Ausgangspegel angehoben werden.
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Das NOR-Tor in der Ausgangsstufe A 1 wird einen Ausgang 1 haben, solange
alle vier Ausgänge der Vergleichsstufen P 0 sind, während der Ausgang des NOR-Tores
0 wird, wenn wenigstens einer der Ausgänge der die Vergleichsstufen P bildenden
ODER-Tore 1 ist. Bei diesem Betriebszustand wird dann das Steuersignal zur Unterdrückung
der betreffenden Maschinenfunktion erzeugt.
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Man kann grundsätzlich davon ausgehen, daß die Schutzschranke mit
jeweils einer Vergleichsstufe P pro Empfänger E normalerweise ausreichend funktionssicher
sein wird. Trotz allem könnten zur Erhöhung der Sicherheit auch jedem Empfänger
E sowohl erste als auch zweite Vergleichsstufen zugeordnet werden, wobei dann die
ersten Vergleichsstufen P 1 bis P 4 der Darstellung entsprechend mit der einen Ausgangsstufe
A 1 und die zweiten Vergleichsstufen P 1' bis P 4' mit einer weiteren Ausgangsstufe
A 2 zusammenarbeiten. Der Aufbau und die Funktion dieser zweiten Vergleichsstufen
in Verbindung mit der weiteren Ausgangsstufe entsprechen denen der ersten und vorher
beschriebenen Vergleichsstufen P 1 bis P 4 in Verbindung mit der Ausgangsstufe A
1.
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Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die dargestellte und erläuterte
Schutzschranke auf folgende Beeinflussungen anspricht: Unterbrechung eines oder
mehrerer der Strahlengänge; Ausfall eines Senders oder Empfängers bzw. eines der
elektrischen Bauelemente; Beeinflussung eines oder mehrerer Kanäle durch relativ
starkes
fremdes Gleichlicht; Beeinflussung eines oder mehrerer
der Kanäle durch fremdes Wechsellicht, und zwar unabhängig von der Frequenz; Beeinflussung
der Kanäle durch fremdes Wechsellicht von einer Frequenz, die mit der der Senderlichtstrahlung
übereinstimmt, jedoch eine andere Phasenlage hat; Beeinflussung der Kanäle durch
f-remdes Wechsellicht, das zwar im Hinblick auf Frequenz und Phasenlage mit der
Senderstrahlung übereinstimmt, jedoch ein anderes Tastverhältnis oder eine ungleiche
Tastart hat.
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Abweichend von dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit vier Kanälen
könnten auch mehr oder weniger Kanäle je nach Art und Umfang der Überwachungsaufgabe
zum Einsatz kommen, wobei man in besonderen Fällen schließlich auch mit nur einem
Kanal auskommen könnte.
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Weiterhin könnten auch sog. Reflexschranken zur Anwendung kommen,
bei denen Sender und Empfänger auf der gleichen Seite des Überwachungsbereiches
angeordnet sind, während sich auf der gegenüberliegenden Seite Spiegel befinden,
die das von den Sendern abgestrahlte Licht auf den zum jeweiligen Sender gehörenden
Empfänger reflektieren.