DE3833680A1 - Schutzeinrichtung fuer langgestreckte maschinenteile - Google Patents

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.