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Optoelektronische Werkzeugbruchüberwachung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optoelektronischen Werkzeugbruchüberwachung,
bestehend aus mindestens einem Lichtsender und mindestens einem Lichtempfänger,
deren das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein des Werkzeuges beziehungsweise der
Werkzeuge anzeigenden Signale einer Auswerteelektronik zugeführt werden.
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Derartige Vorrichtungen werden vor allem bei automatisch arbeitenden
Maschinen benötigt, wo sie nicht nur das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von
Werkzeugen, sondern ganz allgemein auch von Teilen der Maschine oder von, von der
Maschine gefertigten, Teilen feststellen können. Insbesondere werden solche Werkzeugüberwachungen
bei automatisch, beispielsweise in Transferstraßen eingesetzten Bohrmaschinen,
und
hier wieder bei Bohrmaschinen mit Mehrfachbohrköpfen, benötigt.
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Da ein direkter Zugriff zu den Werkzeugen beziehungsweise Teilen im
allgemeinen nicht möglich ist, machen sich bekannte Vorrichtungen dieser Art die
Möglichkeit des berührungslosen Erkennens durch Lichtschranken zunutze. So ist es
bekannt, jedem Bohrer eines Mehrfachbohrkopfes eine Lichtschranke zuzuordnen, wobei
die Lichtschranken im Durchlichtverfahren arbeiten, also nur dann ansprechen, wenn
die direkte Lichtverbindung zwischen Lichtsender und Lichtempfänger vorhanden und
nicht durch den ordnungsgemäß eingesetzten Bohrer abgedeckt ist. Allerdings ist
die Anordnung derartiger Lichtschranken für jeden einzelnen Bohrer eines Mehrfachbohrkopfes
nicht nur, schon aus Platzgründen, sehr schwierig, sondern derartige Vorrichtungen
sind auch recht unsicher, da abgelagerte Späne, ja selbst Oldämpfe, das Vorhandensein
eines Bohrers vortäuschen können und auch Dejustierungen im Betriebsablauf kaum
zu vermeiden sind.
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Um derartige Vorrichtungen zu vereinfachen und damit zu verbilligen,
wie auch um Dejustierungen möglichst auszuschalten, ist es auch bekannt geworden,
statt jedem Bohrer eine Einzellichtschranke zuzuordnen, lediglich einen Lichtempfängar
vorzusehen und Lichtsender entsprechend hinter jedem Bohrer anzubringen. Auch hierdurch
können jedoch Fehlanzeigen nicht vermieden werden, insbesondere weil der Signalabstand
zwischen Vorhandensein und Nichtvorhandensein des Bohrers beziehungsweise des Werkzeuges
sehr gering ist, und daher schon geringfügige Trübungen im Weg der jeweiligen Lichtschranke
Fehlinterpretationen durch die Auswerteelektronik hervorrufen können. Um diesen
Mangel zu beheben, ist auch eine derart aufgebaute Vorrichtung bekannt geworden,
deren Lichtempfänger über einen Polygonspiegel nacheinander die einzelnen Lichtsender
abfragt, wodurch der Signalahstand zwischen "gut" und "nicht gut" deutlich erhöht
wird.
Beiden Vorrichtungen ist allerdings auch wiederum gemeinsam,
daß die Justierung recht schwierig ist und daß auch hier Dejustierungen im Betriebsverlauf
kaum zu vermeiden sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der beschriebenen Art
anzugeben, die wirtschaftlich herzustellen, einfach zu montieren und zu justieren
und vor allen Dingen zuverlässig ist.
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Erreicht wird dies nach der Erfindung dadurch, daß jeweils ein Lichtsender
und ein Lichtempfänger in einem Gehäuse zu einem Reflexlichtsensor zusammengefügt
sind, der jeweils in der Nähe eines zu überwachenden Werkzeugs angeordnet ist.
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Nicht mehr also wie bei den bekannten Einrichtungen werden im Durchlicht
arbeitende Lichtschranken eingesetzt, sondern Reflexlichtsensoren, die zwar stets
in einem bestimmten Abstandsbereich von dem zu überwachenden Werkzeug angeordnet
sein müssen, jedoch den Vorteil aufweisen, daß sie wesentlich weniger störungsanfällig
sind. Zudem können derartige Reflexlichtsensoren so klein aufgebaut werden, daß
sie ohne besondere Schwierigkeiten jeweils einem zu überwachenden Werkzeug zugeordnet
werden können. Im einfachsten Falle besteht ein derartiger Reflexlichtsensor aus
einer lichtemittierenden Diode und einem Fotowiderstand, einer Fotodiode oder einem
Fototransistor, so daß ein derartiger Sensor auch sehr billig herzustellen ist.
Selbst wenn dem Lichtsender und dem Lichtempfänger noch ein Signalverdichter (Signalverstärker)
im gleichen Gehäuse zugeordnet wird, bleibt ein derartiger Sensor noch äußerst preiswert
und in seinen Abmessungen so klein, daß seine Unterbringung nahe dem zu überwachenden
Werkzeug praktisch immer möglich ist.
Bei einem Reflexlichtsensor
wird das vom Lichtsender ausgestrahlte Licht an dem zu überwachenden Teil reflektiert
und gelangt hierdurch in den neben dem Lichtsender angeordneten Lichtempfänger.
Lichtsender und Lichtempfänger stehen im allgemeinen hierbei in einem Winkel zueinander,
der nach der Erfindung zwischen 0000 und 0600, bevorzugt bei bei 0 030 liegt. Außerdem
wird zweckmäßigerweise die lichtemittierende und die lichtaufnehmende Fläche des
Reflexlichtsensors jeweils im Endteil eines im Gehäuse des Reflexlichtsensors angebrachten
Rohres untergebracht, wobei die beiden Rohre einen Winkel zwischen 0000 und 0600,
0 bevorzugt 030 einschließen.
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Um Störungen durch Fremdlicht weitgehend auszuschalten, kann einerseits
Wechsel licht verwendet und/oder der Arbeitsbereich des Reflexlichtsensors in den
Infrarotbereich gelegt werden. Hierbei empfiehlt es sich, insbesondere zur Miniaturisierung
des Reflexlichtsensors, wie auch im Hinblick auf die Zuverlässigkeit als Lichtsender,
eine Infrarotlicht emittierende Diode (LED) und als Lichtempfänger einen im infraroten
Arbeitsbereich liegenden Fotowiderstand, eine entsprechende Fotodiode oder einen
Fototransistor vorzusehen. Diese lichtsendenden beziehungsweise lichtempfangenden
elektronischen Bauteile werden im Normalfalle direkt im Reflexlichtsensor untergebracht.
Möglich ist es jedoch auch, daß die lichtemittierende und/oder die lichtaufnehmende
Fläche des Reflexlichtsensors die End-Stirnflächen von Lichtleitern sind, an deren
jenseitigen Enden diese elektronischen Bauteile angeordnet sind. Eine derartige
Vorrichtung wird dann gewählt werden, wenn extrem kleine Abmessungen gewünscht werden,
und die Unterbringung der Lichtleiter keine Schwierigkeiten bereitet.
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In beiden Fällen können die Endflächen des Lichtsenders und des Lichtempfängers
in Sende- beziehungsweise Empfangsrichtung bündelnde Sammellinsen sein, die wiederum
nicht nur weitgehend Fremdlicht ausschalten, sondern auch zu einem großen Signalabstand
beim Ansprechen des Reflexlichtsensors beitragen.
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Wie oben bereits angeführt, arbeiten derartige Reflexlichtsensoren
sehr zuverlässig, da sie verhältnismäßig nahe an das zu überwachende Werkzeug herangeführt
werden können und dadurch die Gefahr einer Fehlmeldung durch den Lichtweg abdeckende
Fremdkörper, Rauch, Bohröl etc. vermindert wird.
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Um jedoch stets zuverlässig den Lichtweg freizuhalten, empfiehlt es
sich nach der Erfindung, im Gehäuse des Reflexlichtsensors eine die Endteile des
Lichtsenders und des Lichtempfängers freiblasende Luftdüse unterzubringen, die jeweils
zu Beginn der Überprüfung mit einem kurzen Druckluftimpuls sicher den Lichtweg zwischen
dem Reflexlichtsensor und dem zu überwachenden Werkzeug freibläst.
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Auf der Zeichnung ist schematisch ein Reflexlichtsensor 1 neben einem
zu überwachenden Werkzeug, in diesem Falle einem Spiralbohrer 2, dargestellt. Ein
Gehäuse 3 ist an der, dem Werkzeug 2 zugewandten Fläche mit zwei, etwa im Winkel
von 0300 zueinanderstehenden Bohrungen 4, 5 versehen. Im Grund dieser Bohrungen,
die durch Sammellinsen 6, 7 abgeschlossen sind, befindet sich einerseits eine lichtemittierende
Diode 8 und andererseits ein Fototransistor 9.
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Untergebracht im Gehäuse ist außerdem noch ein signalverdichtendes
Bauelement 10. Über eine Steckleiste 11 können sowohl die elektronischen Bauelemente
mit Strom versorgt, wie auch die Signale zur Auswerteelektronik geleitet werden.
Neben den beiden Bohrungen 4, 5 im Gehäuse 3 ist eine Luftdüse 12 vorgesehen, die
Druckluft (Pfeil 13) in den Raum zwischen diesen Bohrungen 4, 5 und dem zu überwachenden
Werkzeug 2 bläst (Pfeil 14).
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Im Betrieb des dargestellten Reflexlichtsensors 1 gibt die lichtemittierende
Diode 8 Licht im infraroten Bereich ab, das durch die Sammellinse 6 gebündelt und,
wie der Pfeil 15 andeutet, in Richtung auf das zu überwachende Werkzeug, den Spiralbohrer
2, gesendet wird. Von diesem Spiralbohrer 2 wird das Licht, wie der Pfeil 16 andeutet,
in Richtung auf die Bohrung 5 reflektiert und gelangt somit wiederum über eine Sammellinse
7 zu dem Fototransistor 9. Das so erzeugte Signal des Fototransistors 9 wird im
Signalverdichter 10 aufbereitet und über die Steckvorrichtung 11 der Auswerteelektronik
zugeleitet.
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Zu Beginn der Überprüfung des Werkzeuges (Spiralbohrer 2) wird der
Lichtweg (Pfeile 15, 16) durch Einblasen von Druckluft (Pfeile 13, 14) über eine
Düse 12 freigeblasen, so daß sowohl Bearbeitungsspäne, wie auch sonstige Fremdkörper,
Rauch und Bohröl, weggeblasen werden.
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Über Bohrungen 17, 18 schließlich kann der Reflexlichtsensor 1 an
einem Halteteil, zweckmäßigerweise an der Bohrerführungsplatte des mit den Spiralbohrern
2 arbeitenden Mehrfachbohrkopfes justiert angebracht werden.
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Zweckmäßigerweise arbeitet die Auswerteeleketronik so, daß sie nach
Erhalt eines Signals, das die Bohrmaschine beim Erreichen der zurückgefahrenen Endstellung
der Bohrer an die Auswerteelektronik abgibt, mit dem Abfragen der einzelnen Reflexlichtsensoren
beginnt. Dieser Abfragezyklus wiederholt sich dann bei jedem Zurückfahren der Bohrer
in ihre Endstellung. Die Abfragegeschwindigkeit der einzelnen Reflexlichtsensoren
kann hierbei im Mikrosekunden- oder im Millisekundenbereich liegen. Bei Arbeiten
mit Wechsellicht muß selbstverständlich die Wechsel frequenz berücksichtigt werden,
so, daß stets einige aktive Perioden abgefragt werden. Gleichzeitig wird ein Druckluftventil
geöffnet, das
über die Düse 12 den Lichtweg zwischen den Bohrungen
4, 5 und dem Bohrer 2 freibläst. Sind sämtliche Bohrer vorhanden, so werden auch
sämtliche, diesen Bohrern 2 zugeordneten Reflexlichtsensoren 1 ein Signal abgeben,
das in der Auswerteelektronik einem "und"-Gatter zugeleitet wird.
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Ist ein Bohrer gebrochen, so fehlt das durch den zugeordneten Reflexlichtsensor
abzugebende Signal, wodurch die Auswerteelektronik entweder ihrerseits eine Anzeige
geben oder die Maschine stillsetzen kann.