DE3700009A1 - Optoelektronische schutzzonenvorrichtung - Google Patents

Optoelektronische schutzzonenvorrichtung

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Description

Stand der Technik
Zum Schutz von gefährlichen Maschinen werden die verschiedensten Warneinrichtungen verwendet, es gibt jedoch noch immer Bereiche, die bisher kaum oder schlecht geschützt werden können. Zu den bisher verwendeten Sensoren gehören:
Lichtvorhänge, Mikrowellenradar, Mikrowellendoppler, Ultraschall- Echo-Meßsysteme, passive Infrarot-Sensoren, Kontaktmatten, Lichtlauf­ zeit-Abstandsmessungen u. ä.
Jedes der genannten Systeme hat bei einem speziellen Einsatz gewisse Nachteile.
Lichtvorhänge sind durch die auf der Gegenseite notwendigen Reflektoren in ihrem Einsatz begrenzt.
Mikrowellenlaufzeitmessungen sind recht aufwendig und bieten dazu im Nahbereich nicht die notwendige Auflösung.
Dopplersysteme können keine Abstandserkennung durchführen.
Lichtlaufzeit-Abstandsmessungen sind recht aufwendig.
Ultraschall-Echo-Meßsysteme sind auf die Laufzeit des Schalls angewiesen und besitzen hierdurch eine relativ große Reaktions­ zeit, dazu weisen sie eine recht breite Meßkeule auf, die Messun­ gen in engen Räumen verbietet.
Andere bisher vorgeschlagene Systeme besitzen statisch in einem Raumwinkelbereich arbeitende Lichtimpulse, diese Systeme sind meist aufwendig und haben nicht die Möglichkeit sich flexibel an sich ändernde Überwachungsbereiche anzupassen.
Das im Patent DE 34 23 536 vorgeschlagene System mit einer rotierenden Lichtschranke kann keine Abstandsmessung zu Hinder­ nisobjekten durchführen, es ist auf den fest eingestellten Kegel­ mantel beschränkt. Ebenso können keine vom Kegelmantel abweichen­ den Überwachungsräume programmiert werden.
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Schutzzonenvor­ richtung zum Einsatz als Maschinenschutz vor gefährlichen Maschinenteilen, als Rückfahrüberwachung bei LKWs oder als Warn- und Steuereinrichtung für fahrerlose Fahrzeuge. Ebenso ist ein Einsatz als Positionserkennungssystem denkbar.
Auf einer drehbar gelagerten Achse (14), angetrieben durch einen Schrittmotor (13) oder durch einen Motor zusammen mit einem Winkeldekoder, sitzt ein optoelektronischer Abstandssensor (3), der in radialer Richtung die Abstände (10) und den Beobachtungs­ winkel (11) von evtl. vorhandenen Objekten (1) feststellt. Hierzu werden über eine LED- oder eine Laserdiode (5) Lichtimpulse aus­ gesendet, die von einem Linsensystem (4) in gebündelte Licht­ strahlen mit definierter Strahldivergenz fokussiert werden und auf vorhandene Objekte (1) gestrahlt werden. Die verursachte Lichtfleckgröße (2) auf dem Objekt (1) ist vom Abstand (10) des Objektes (1) vom Sensor (3) abhängig und wird auf ein photoem­ pfindliches Halbleiterarray (6) durch ein zweites Linsensystem (4) abgebildet und durch eine nachgeschaltete Elektronik in eine abstandsabhängige Spannung umgewandelt.
Zur Abtastung eines vorgegebenen Bereichs wird der Abstandssensor (3) innerhalb des Winkelbereichs (8) hin- und hergeschwenkt. Die Strahlrichtung kann um einen Neigungswinkel (12) gegenüber dem Lot auf die Drehachse (14) geneigt sein.
Die Bewegung des Sensors erfolgt schrittweise in Einzelschritten, die sich aus der Winkelauflösung des Abstandssensors ergeben. In einer Anzahl von digitalen Speicherzellen, die der Schrittanzahl entspricht, werden Abstandsinformationen für jeden Schritt gespeichert, die in ihrer Summe die Sicherheitslinie (7) ergeben. Die vom Sensorsystem gemessenen Objektabstände werden mit den gespeicherten Abstandsinformationen für jeden Winkel verglichen. Ist die Abstandsinformation des Objektes kleiner oder größer als die gespeicherte Information, so erfolgen entsprechende Signal­ abgaben.
Durch die exakte Definition des Sicherheitsbereiches (9), der von der Sicherheitslinie (7) umschlossen wird, ist es möglich, Sicherheitssysteme an Stellen einzusetzen, die bisher noch nicht überwacht werden konnten. Neben der Möglichkeit, den gesamten Abstandssensor über den Abtastbereich zu schwenken, besteht die Möglichkeit, vor den Sensorlinsen einen Spiegel drehbar anzuord­ nen, womit die Sende- und Empfangslichtstrahlen synchron abge­ lenkt werden. Optoelektronische Systeme werden oft durch Tempera­ tur- und Langzeitdrift ungenau, um über längere Zeitdauer eine exakte Messung zu garantieren, wird ein festes Objekt in den Sichtbereich des optoelektronischen Abstandssensors unterge­ bracht, wobei der Meßabstand zu diesem Referenzobjekt als Refe­ renz für die Messungen im übrigen Winkelbereich verwendet wird, bzw. die erhaltenen Meßwerte entsprechend korrigiert werden.
Beim Einsatz als Sicherheitssystem ist es notwendig, einen per­ manenten Selbsttest von der Anlage durchführen zu lassen. Hierzu wird ebenso ein festes Referenzobjekt im Sichtbereich instal­ liert, wobei die nachgeschaltete Elektronik in einer festen Winkelposition, die auf das Referenzobjekt zeigt, den erwarteten Referenzabstand erwartet. Bei einem evtl. Defekt des Sensors würde keine Messung oder ein falscher Meßwert zum Abschalten des Systems und Alarmgabe führen.
Beim Einsatz der optoelektronischen Schutzzonenvorrichtung auf bewegten Fahrzeugen ist es oft notwendig, die Schutzzone in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu vergrößern oder zu verkleinern. Hier besteht die Möglichkeit, über einen Steuereingang die programmierten Sicherheitslinien (7) propor­ tional zum Steuersignal zu verschieben.

Claims (9)

1. Optoelektronische Schutzzonenvorrichtung zur Sicherung von bewegten oder festen Objekten vor unsachgemäßer Berührung oder Kollision, durch einen optoelektronischen Abstandssensor (3), der in einem einstellbaren Winkelbereich (8) geschwenkt wird, werden Objekte (1) mit ihrem Abstand (10) und ihrer Winkelposition (11) erkannt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abstandsmessung durch einen gerichteten optoelektronischen Abstandssensor ausgeführt wird, der innerhalb eines festen Rotations-Winkels (8) bezo­ gen auf die zur Bildrichtung senkrechte Achse (A) sich mit festen Winkelschritten bewegt und pro Winkelschritt einen vom Abstand des Objektes abhängigen Meßwert abgibt.
2. Optoelektronische Schutzzonenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstands­ messung durch optoelektronische Abstandssensoren (3) bewirkt wird, die über eine LED (5) oder eine LASER-Diode (5) Licht­ impulse aussenden, die von einem Linsensystem (4) in gebün­ delte Lichtstrahlen mit definierter Strahldivergenz fokus­ siert und auf vorhandene Objekte (1) gestrahlt werden. Die verursachte Lichtfleckgröße (2) von diffus reflektiertem Licht auf dem Objekt (1) ist vom Abstand des Objektes (1) vom Sensor (3) abhängig und wird auf einem photoempfindlichen Halbleiterarray (6) durch das Linsensystem (4) abgebildet und in eine abstandsabhängige Spannung umgewandelt.
3. Optoelektronische Schutzzonenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß programmierbare Sicherheitslinien (7) als Einzel-Meßwerte pro Winkelschritt in elektronischen Speicherzellen gespeichert werden und diese mit den Objektpositionen (10, 11) verglichen werden, bei Unterschreiten des durch die programmierbaren Sicherheitslinien (7) bestimmten Abständen, erfolgt Signal­ abgabe.
4. Optoelektronische Schutzzonenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ablenkung der Sende- und Empfangslichtstrahlen über den Überwachungsbereich durch einen in definierten Winkelpositionen drehbaren Spiegel erfolgt.
5. Optoelektronische Schutzzonenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Rotationsbewegung des Meßlichtstrahls durch einen Schrittmotor bewirkt wird.
6. Optoelektronische Schutzzonenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Rotationsbewegung des Meßlichtstrahls von einer angetriebenen Achse mit aufgesetzten Winkeldekoder bewirkt wird.
7. Optoelektronische Schutzzonenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der optoelektronische Abstandssensor den Abstand eines festen Objektes im Sichtbereich als Referenzabstands­ einheit zur Korrektur seiner möglichen Meßungenauigkeit durch Drift verwendet.
8. Optoelektronische Schutzzonenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der optoelektronische Abstandssensor die Erkennung eines festen Objektes im Sichtbereich als Selbsttest zur Überwachung seiner Funktionsfähigkeit verwendet.
9. Optoelektronische Schutzzonenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die eingestellten Sicherheitslinien (7) durch ein Steuersignal verschoben werden können.
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