DE3833680A1 - Schutzeinrichtung fuer langgestreckte maschinenteile - Google Patents
Schutzeinrichtung fuer langgestreckte maschinenteileInfo
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Description
Im Maschinenbau, insbesondere beim Bau von Koordinatenmeßge
räten ist es oft erforderlich, die in den Arbeitsbereich bzw.
Meßbereich hineinragenden, langgestreckten beweglichen
Maschinenteile wie z. B. den das Meßwerkzeug (Tastkopf)
tragenden Meßarm des Koordinatenmeßgerätes gegen unbeab
sichtigte Kollisionen zu schützen. Außerdem sollen Verletzungen
des Bedienpersonals durch die beweglichen Maschinenteile ver
hindert werden.
Zu diesem Zweck sind bereits eine Reihe verschiedenartiger
Schutzeinrichtungen bekannt.
So sind beispielsweise in der DE-PS 35 27 063 Schutzein
richtungen beschrieben, die um das zu schützende Maschinenteil
einen Ultraschallmantel legen oder mehrere, längs des Teils
gespannte Spiralfedern vorsehen, die im Vergleich zum
Maschinengrundkörper auf anderem elektrischen Potential liegen
und bei Kontakt mit dem Maschinenteil dessen Antrieb still
setzen.
Aus der EP-A1 01 16 807 sowie der DE-OS 35 14 444 sind
Schutzeinrichtungen in Form mehrerer sich längs des
Maschinenteils erstreckender Lichtschranken bekannt. Wenn der
durch die Vielzahl nebeneinander angeordneter Lichtschranken
gebildete Schutzmantel durchbrochen wird, liefert die
Elektronik, an die die Lichtschranken angeschlossen sind, ein
Signal an die Notstop-Steuerung der betreffenden Maschine.
Diese bekannten Schutzeinrichtungen arbeiten zwar sehr
zuverlässig, für eine ausreichend gute Absicherung sind jedoch
eine Vielzahl von nebeneinander dicht an dicht angeordneter
Lichtschranken erforderlich. Denn in dem von den Lichtschranken
gebildeten Schutzmantel dürfen keine Lücken entstehen, durch
die hindurch z. B. Vorsprünge an dem zu vermessenden Objekt auf
den Meßarm auftreffen und diesen beschädigen könnten.
Die beschriebenen Schutzeinrichtungen auf der Basis von
Lichtschranken sind deshalb relativ aufwendig. Außerdem können
die außen liegenden Bauteile der Lichtschranken wie z. B. die
Oberflächen der Lichtquellen und der Empfänger sowie
gegebenenfalls der für Strahlumlenkungen verwendeten Prismen
leicht verschmutzen. Dies führt dazu, daß die Schutzeinrichtung
anspricht, obwohl gar kein Kollisionsfall vorliegt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Schutzeinrichtung für langgestreckte Maschinenteile,
insbesondere für die Meßarme von Koordinatenmeßgeräten zu
schaffen, die bei geringstem Aufwand eine möglichst hohe
Störsicherheit bietet.
Diese Aufgabe wird gemäß den im Kennzeichen des Anspruches 1
angegebenen Maßnahmen dadurch gelöst, daß der Strahl der
Lichtschranke durch Ausnehmungen in den Trennstegen eines das
Maschinenteil zumindest teilweise abdeckenden Faltenbalges
geführt ist.
Mit dieser Maßnahme kann ein vollständiger und allseitiger
Schutz des betreffenden Maschinenteils vor Kollision mit sehr
wenigen Lichtschranken erzielt werden. Tatsächlich können
Maschinenteile, die einen das Teil vollständig umschließenden
Faltenbalg besitzen, allein mit einer einzigen Lichtschranke
gegen Kollision aus allen Richtungen, d. h. über einen
Winkelbereich von 360°, sicher geschützt werden. Denn da der
Strahl der Lichtschranke durch Ausnehmungen in den Trennstegen
des Faltenbalges geführt sind und sich diese Trennstege auch
bei Kollisionen an anderen Seiten immer als Ganzes verlagern,
wird der Strahl der Lichtschranke in jedem Falle wenn nicht
ganz unterbrochen, so doch zumindest teilweise abgedeckt. Dies
kann durch eine geeignete elektronische Schaltung sicher
erkannt und zur Erzeugung eines entsprechenden Schaltsignals
verarbeitet werden.
Oft besitzen bewegliche Maschinenteile ohnehin Führungen, die
durch Faltenbälge gegen Verschmutzen abgedeckt sind. Für den
Einbau der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung ist dann ledig
lich erforderlich, die Ausnehmungen in die Trennstege des
Faltenbalges einzustanzen und die wenigen z. B. eine oder zwei
Lichtschranken an das Maschinenteil anzubauen. Dabei schützt
der Faltenbalg dann zusätzlich auch die Bauteile der Licht
schranke gegen Verschmutzen.
In der Regel ist die Ansprechempfindlichkeit von Lichtschranken
von der sogenannten Wurfweite, d. h. dem Abstand zwischen der
Lichtquelle und dem Detektor abhängig. Bei Maschinenteilen, die
nicht nur quer zur Längsrichtung sondern auch in Längsrichtung
bewegt werden können, ist die Wurfweite der zum Schutz dieses
Teils verwendeten Lichtschranke nicht konstant. Die Ansprech
empfindlichkeit der Lichtschranke hängt deshalb von der Aus
zugslänge des Maschinenteils ab.
Eine Ansprechempfindlichkeit, die unabhängig von der Auszugs
länge ist, läßt sich jedoch erzielen, wenn für jede Licht
schranke mindestens zwei Detektoren vorgesehen sind, deren
Signale über eine elektronische Schaltung geeignet miteinander
verglichen werden, beispielsweise ins Verhältnis gesetzt
werden. Dazu sind zweckmäßig Komparatoren vorgesehen, deren
Eingang jeweils das Signal des einen Empfängers, und deren
Referenzeingang jeweils das Signal des anderen, in Bezug auf
die Strahlachse gegenüberliegenden Empfängers zugeführt ist.
Diese Komparatoren schalten nur dann durch, wenn sich die auf
die Detektoren auffallenden Lichtmengen ungleichmäßig ver
ändern. Eine Erhöhung bzw. Verringerung der Strahlungsintensi
tät aufgrund des zunehmenden oder abnehmenden Abstandes
zwischen Lichtquelle und Detektoren hingegen läßt die
Komparatoren nicht ansprechen, da sich dieser Einfluß auf beide
Empfänger in gleicher Weise auswirkt und keine Unsymmetrie zur
Folge hat.
Als Detektoren können zweckmäßig sogenannte Vierquadranten
dioden verwendet werden, deren gegenüberliegende Quadranten
kreuzweise miteinander verglichen werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand
der Fig. 1-5 der beigefügten Zeichnungen.
Fig. 1 Ist eine perspektivische Darstellung eines
Koordinatenmeßgerätes in Ständerbauweise;
Fig. 2 stellt einen Abschnitt des Meßarmes (4) des Gerätes
aus Fig. 1 in vergrößertem Maßstabe dar;
Fig. 3a und 3b sind Prinzipskizzen die zur Erläuterung der
Ansprechempfindlichkeit einer herkömmlichen Licht
schranke in zwei unterschiedlichen Auszugslängen
L 1 bzw. L 2 dienen;
Fig. 4a und 4b sind entsprechende Darstellungen für die
erfindungsgemäße Lichtschranke;
Fig. 5 ist ein Schaltbild der Elektronik zur Verarbeitung der
Signale der Detektoren der Lichtschranken aus Fig. 2
bzw. Fig. 4.
In Fig. 1 ist ein Koordinatenmeßgerät 1 in sogenannter
Ständerbauweise dargestellt. Die Basis (2) dieses Gerätes ist
entlang von in das Fundament eingelassenen Führungen insgesamt
waagerecht verfahrbar. An seinem Ständer (15) ist ein Schlitten
(3) höhenverschiebbar gelagert. Dieser wiederum nimmt den in
seiner Längsrichtung gegenüber dem Schlitten (3) waagerecht
verschiebbaren Querarm (4) auf. Der Querarm (4) ist der
eigentliche Meßarm des Koordinatenmeßgerätes und trägt an
seiner Stirnseite eine Aufnahme (5) für verschiedene Taster (6 a
und 6 b), mit denen das Meßobjekt durch Antastung ausgemessen
wird.
Die nicht sichtbaren Führungen des Querarmes (4) sind durch
einen Faltenbalg (7) in dem Bereich abgedeckt, in dem der
Querarm aus dem Schlitten (3) heraus vorsteht. Demzufolge
dehnen und stauchen sich die das vordere und hintere
hervorstehende Ende des Querarms (4) abdeckenden Teile des
Faltenbalges (7) bei jeder Bewegung des Querarms (4) in seiner
Längsrichtung.
Da die Maschine im Zuge des Meßprogrammes den Querarm (4) auch
mit hoher Geschwindigkeit seitlich, d. h. senkrecht zu seiner
Längsrichtung sowie in der Höhe verfährt, können
unbeabsichtigte Kollisionen mit im Meßraum abgestellten
Gegenständen, bei falscher Programmierung mit dem zu
vermessenden Objekt selbst, oder mit unachtsamem Bedienpersonal
erfolgen.
Um dies zu vermeiden besitzen wie in Fig. 2 dargestellt die
Trennstege (9) des Faltenbalges (7), mit denen dieser am Quer
arm (4) an- oder aufliegt, mehrere hintereinander fluchtende
Stanzlöcher (19). Im beschriebenen Ausführungsbeispiel sind
zwei Reihen von Stanzlöchern auf den beiden gegenüberliegenden
Seiten an der Breitseite des Querarms (4) vorgesehen. Von zwei
am Schlitten (3) angebrachten Strahlquellen (10) und (11)
werden zwei Lichtstrahlen parallel zur Längsachse des
Maschinenteils (4) durch die Stanzlöcher (19) in den Trenn
stegen (9) hindurch auf Detektoren am vorderen bzw. hinteren
Ende des Querarms gerichtet. In der perspektivischen Dar
stellung nach Fig. 2 ist allein der Detektor (13) für die
Lichtschranke auf einer Seite des Querarms (4) zu sehen.
Wenn nun im Bereich des Faltenbalges (7) eine Kollision mit dem
Werkstück oder der Bedienperson erfolgt, so verschiebt sich
immer mindestens einer der Trennstege des Faltenbalges bzw.
wird er so abgewinkelt, daß die Begrenzung eines seiner
Stanzlöcher (19) zumindest teilweise in das Strahlprofil der
Lichtschranke eintaucht. Dies geschieht auch bei einer
Kollision an den oberen und unteren Schmalseiten des
Querarmes, da sich hierbei der Faltenbalg bzw. seine
Trennstege in der Höhe verschieben.
Hierbei spricht eine dem Empfänger nachgeschaltete Elektronik
an, die das Signal der Detektoren in der Gerätesteuerung weiter
verarbeitet und bei Erkennen des Kollisionsfalles die Antriebe
der Maschine stillsetzt.
Wie bereits vorstehend angesprochen ist die Ansprechemfindlich
keit einer Lichtschranke, die mit nur einem Emfpänger arbeitet,
vom Abstand L zwischen der Lichtquelle und dem Empfänger ab
hängig. Dies wird durch die Darstellung nach Fig. 3a und Fig.
3b verdeutlicht. Wenn man davon ausgeht, daß die Lichtschranke
bei einem Abfall der auf dem Empfänger (12) auftreffenden
Lichtmenge unter einen bestimmten Schwellwert anspricht, dann
wird dieser Schwellwert um so eher erreicht, je größer der
Abstand L zwischen Lichtquelle (11) und Detektor (12) ist. Denn
da die auffallende Strahlungsintensität auf den Detektor (12)
bei kleiner werdendem Abstand L 2 zunimmt, muß der Eintauchweg
12 einer den Strahlquerschnitt abschattenden Blende (9) größer
werden, um den Detektor bis unter den Schwellwert abzudunkeln.
Da für die in Fig. 2 dargestellte Lichtschranke die
Ansprechempfindlichkeit bei Kollisionen jedoch unabhängig von
der Auszugs- bzw. Ausfahrlänge des Querarms (4) sein soll,
werden als Detektoren für die beiden Lichtschranken zwei
Vierquadrantendioden (13) verwendet. Die Vierquadranten (13 a-d)
dieser Dioden sind wie in Fig. 5 dargestellt so miteinander
verschaltet, daß jeweils nicht aneinandergrenzende sondern über
Kreuz gegenüberliegende Quadranten (13 a/13 c) und (13 b/13 d) bzw.
deren Signale miteinander verglichen werden. Hierzu werden die
betreffenden Segmentpaare (13 b) und (13 d) eines Vierquadranten-
Phototransistors jeweils über zwei Widerstände R 1 b/R 2 b bzw.
R 1 d/R 2 d an eine Spannungsquelle angeschlossen. Durch diese
Widerstände fließt ein der auf den jeweiligen Quadranten (13 b)
oder (13 d) auftreffenden Lichtintensität proportionaler Strom.
Entsprechend fallen an den Widerständen R 1 b/R 2 b und R 1 d/R 2 d der
Lichtintensität proportionale, im Verhältnis der beiden Wider
stände definiert geteilte Spannungen ab.
Die beiden Segmente (13 b) und (13 d) sind außerdem an zwei
Komparatoren (14 b) und (14 d) angeschlossen. Die mit + be
zeichneten Referenzeingänge der Komparatoren (14 b) und (14 d)
sind hingegen kreuzweise mit entsprechenden Abgriffen des aus
den beiden Widerständen R 1 b/R 2 b bzw. R 1 d/R 2 d gebildeten
Spannungsteilers des jeweils anderen photoempfindlichen
Quadranten (13 d) bzw. (13 b) verbunden.
Durch diese Beschaltung wird erreicht, daß sich dann, wenn die
auf beide Quadranten auffallende Lichtintensität aufgrund eines
zu- bzw. abnehmenden Abstandes L zwischen Lichtquelle (12) und
Detektor (13) gleichförmig ab- bzw. zunimmt, keiner der beiden
Komparatoren K 1 oder K 2 durchschalten kann. Mindestens einer
der beiden Komparatoren K 1 und K 2 schaltet jedoch dann durch,
wenn sich die auf beide Quadranten (13 b) und (13 d) auffallenden
Lichtintensitäten über ein durch die Spannungsteilung R 1 b/R 2 b
bzw. R 1 d/R 2 d definiertes Verhältnis hinaus voneinander unter
scheiden.
Da auch die auf den Quadranten (13 a) und (13 c) des Detektors
(13) auffallenden Lichtintensitäten durch eine identische
Schaltung miteinander verglichen werden, ist wie in Fig. 4a
und Fig. 4b dargestellt die Eintauchtiefe l 1 bzw. l 2 unab
hängig von der unterschiedlichen Auszugslänge (Wurfweite) L 1
bzw. L 2 der Lichtschranke und die Ansprechempfindlichkeit der
Lichtschranke bleibt gleich.
Ein den Komparatoren (14 a-14 d) nachgeschalteter Digitalbaustein
(Oder-Gatter 22) meldet das Durchschalten eines der
Komparatoren und damit das Vorliegen eines Kollisionsfalles an
die in den Figuren nicht dargestellte Maschinensteuerung des
Koordinatenmeßgerätes (1).
Im vorstehenden Ausführungsbeispiel wurde eine Schutzein
richtung für den waagerechten Ausleger eines Koordinatenmeßge
rätes in Ständerbauweise beschrieben. Es ist jedoch klar, daß
die Schutzeinrichtung in gleicher Weise auch für andere
Maschinentypen wie beispielsweise für die vertikalen Pinolen
von KMG in Portal- oder Brückenbauweise geeignet ist.
Claims (7)
1. Schutzeinrichtung für langgestreckte Maschinenteile in Form
einer oder mehrerer sich längs des Maschinenteils
erstreckender Lichtschranken, dadurch gekennzeichnet, daß
der Strahl (21) der Lichtschranke (11, 13) durch
Ausnehmungen (19) in den Trennstegen (9) eines das
Maschinenteil (4) zumindest teilweise abdeckenden
Faltenbalges (7) geführt ist.
2. Schutzreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Faltenbalg (7) das Maschinenteil (4) vollständig
umschließt.
3. Schutzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß zwei Lichtschranken (10, 11) vorgesehen sind und je eine
auf der gegenüberliegenden Seite des Maschinenteils (4)
angeordnet ist.
4. Schutzeinrichtung für langgestreckte Maschinenteile in Form
einer oder mehrerer sich längs des Maschinenteils
erstreckender Lichtschranken, dadurch gekennzeichnet, daß
für jede Lichtschranke (10, 11) mindestens zwei Detektoren
(13 a, 13 d) vorgesehen sind, deren Signale über eine
elektronische Schaltung so miteinander verglichen
werden, daß die Ansprechempfindlichkeit der Lichtschranke
von der Strahllänge (L 1, L 2) der Lichtschranke unabhängig
ist.
5. Schutzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die elektronische Schaltung Komparatoren (14 b, 14 d)
enthält, deren Eingängen jeweils das Signal eines ersten
Empfängers (13 b/13 d) und deren Referenzeingang jeweils das
Signal eines zweiten, in Bezug auf die Strahlachse der
Lichtschranke gegenüberliegenden Empfängers (13 d/13 b)
zugeführt ist.
6. Schutzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die mindestens zwei Detektoren (13 b, 13 d) Segmente einer
Vierquadrantendiode (13) sind.
7. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch
gekennzeichnet, daß das langgestreckte Maschinenteil (4)
der Meßarm bzw. die Pinole eines Koordinatenmeßgerätes (1)
ist.
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