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Lückenlose Lichtschranke verhältnismäßig großer Breite An lichtelektrische
Schutzeinrichtungen sind außer den allgemein an Schutzeinrichtungen zu stehlenden
hohen Anforderungen, wie mechanische Stabilität, Verschleißfestigkeit der Teile
u. dgl., einige besondere Forderungen zu stellen: z. Unempfindlichkeit des optischen
Strahlenganges gegen Dejustierung (insbesondere Unempfindlichkeit bei der Spiegelkippung)
; a. Unempfindlichkeit des elektrischen Betriebszustandes, insbesondere gegen Netzspannungsschwankungen
; 3. bruchsichere Aufhängung der optischen und elektrischen Teile sowohl gegen Erschütterungen
während des Betriebes wie gegen zufällige Stöße; q.. absolut sichere Ausrückung
der Maschine beim Versagen oder Bruch irgendeines Teiles der Vorrichtung oder beim
Ausfall irgendeiner der angelegten Spannungen.
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Obwohl sich lichtelektrische Steuereinrichtungen für verschiedenste
Zwecke bewährt haben, werden insbesondere gegen die sogenannten Lichtschutzgitter
zum Schutze von Arbeitern an Maschinen häufig Einwände erhoben. Vor allem halten
die exakt justierten Spiegel im rauhen Betrieb ihre einmal eingestellte Lage nicht
ein. Diese Lageempfindlichkeit erklärt sich aus dem äußerst empfindlichen Strahlengang
der Lichtschutzgitter.
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Zur Erzeugung solcher Lichtschutzgitter, welche man auch als lichtelektrische
Schranke bezeichnen kann und welche verhältnismäßig große Flächen ohne optische
Lücken bilden sollen, um als Unfallschutzvorrichtungen für Pressen, Stanzen, Schneidemaschinen,
Walzen
u. dgl. zu dienen, bedient man sich, wie bekannt, eines im Zickzack zwischen Spiegeln
hin- und hergeführten Lichtbündels, welches zuletzt auf eine Fotozelle geleitet
wird. Um z. B. für Armstärke einen solchen lückenfreien Lichtvorhang von etwa
30 cm Ausdehnung quer zur Lichtrichtung zu erzeugen., sind etwa sechs Reflexionen
an einem Spiegel erforderlich. Da bei der Kippung des Spiegels um den Winkel a der
reflektierte Strahl bei n Reflexionen um 2n # a abgelenkt wird, ergibt sich bei
sechs Reflexionen eine Ablenkung, welche 26-a, also 64mal so groß ist als die ursprüngliche
Ablenkung. Somit erweist sich eine außerordentliche Kippempfindlichkeit des Strahlenganges.
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Durch eine bei Lichtstrahlengittern bekanntgewordene Dachkantspiegelstreifenariordnung
läßt sich nur ein Teil dieser bei Lichtschranken allgemein bekannten Schwierigkeiten,
auf denen eine verhältnismäßig leichte Dejustierbarkeit beruht, beheben. Eine geringfügige
Verdrehung des Dachkants bleibt nämlich nur dann unkritisch, wenn sie um den First
des Dachkants als Achse erfolgt, wogegen eine Verdrehung der Firstlinie in der Ebene
des Lichtstrahlennetzes eine kritische Verschiebung des Lichtstrahlenweges bewirkt.
Infolge der mehrfachen Strahlenumlenkung wird ferner die Lichtintensität auf dem
Weg zur Fotozelle auf einen Bruchteil geschwächt, und zwar erstens infolge der Reflexionsverluste,
so daß eine Verminderung annähernd mit dem Faktor 0,85n erfolgt, und zweitens infolge
des entstehenden großen Abstandes zwischen Lampe und Fotozelle durch die mehrfache
Umlenkung. Infolgedessen wird ein empfindlicher Verstärker und wegen des statischen
optischen Aufbaues zudem ein Gleichstromverstärker notwendig. Die Erreichung stabiler
Verhältnisse bei Gleichstromverstärkern im rauhen Betrieb und bei Netzspannungsschwankungen
ist aber erfahrungsgemäß mit Schwierigkeiten verbunden.
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Gegenstand der Erfindung ist eine lückenlose Lichtschranke verhältnismäßig
großer Breite (Lichtvorhang), vorzugsweise lichtelektrische Unfallschutzvorrichtung
mit bewegtem Lichtstrahlenbündel, die nach dem Autokollimationsprinzip arbeitet
und bei der zur Rückführung des Lichtstrahlenbündels an sich bekannte, aus Rückstrahlern
(beispielsweise Tripeln) zu geschlossenen Spiegelstreifen zusammengesetzte Reflektoren
verwendet sind.
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Die Verwendung eines Spiegelstreifen für Lichtschranken ist an sich
bekannt. Allgemein bekannt ist auch die Verwendung von Rückstrahlern in Form von
Tripelspiegeln sowohl als Einzelelement als auch in Zusammensetzung zu Spiegelstreifen,
z. B. bei Verkehrssignalen. Neu ist dagegen, derartige aus Rückstrahlern zusammengesetzte
Spiegelstreifen gemäß der Erfindung für lückenlose Lichtschranken verhältnismäßig
großer Breite (Lichtvorhänge) und mit bewegtem Lichtstrahlenbündel zu verwenden,
die nach dem Autokollimatiorisprinzip arbeiten. Diese neue Verwendungsart ist durch
die angeführte bekannte Verwendung von Spiegelstreifen und von Rückstrahlern nicht
nahegelegt. Denn im Gegensatz zu der bekannten Verwendung setzt die erfindungsgemäße
Anwendung des Rüekspiegelstreifens die Verwendung eines zu seinem Ausgangspunkt
zurückkehrenden Lichtstrahlenbündels (Autokollimationsprinzip) voraus, und überdies
ist die neue Anordnung ausschließlich für eine lückenlose Lichtschranke bestimmt.
Die bekannten Anordnungen liefern weder einen Hinweis noch einen Beitrag zur Lösung
der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe. Durch die erfindungsgemäße Verwendung
eines Rückspiegelstreifens ist jede Verdrehung des Spiegelstreifens in einem weiten
Bereich ohne Einfluß auf den Lichtstrahlenweg, was gegenüber der bekannten Dachkantspiegelanordnung
einen beachtlichen Fortschritt bedeutet.
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Durch die Anwendung solcher aus Rückstrahlerelementen zusammengesetzter
Spiegelstreifen wird eine genaue optische Justierung des Strahlenganges zwischen
den die Lichtschranke begrenzenden Elementen, bestehend aus Lichtquelle und Spiegel,
überflüssig.
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Eine Montage »nach Augenmaß « ist ausreichend. Bei der gekennzeichneten
Lichtschranke wird die bekannte Eigenschaft des Tripelspiegels ausgenutzt, ein einfallendes
Lichtbündel in seiner Einfallsrichtung zurückzuwerfen, unabhängig von der Neigung
des Spiegels zur Achse des Bündels. Dadurch ist eine Kippung des Spiegels in allen
Richtungen bis zu einem Betrage von ± r5° möglich. Bei stärkeren Kippungen tritt
allmählich ein Intensitätsabfall des rückgestrahlten Lichtes ein. Außerdem ist der
Abstand zwischen den die Lichtschranke begrenzenden Spiegeln in weiten Grenzen ohne
optische Anpassung änderbar. Die Lichtschranke kann also entsprechend der Maschinenbreite
eingestellt werden. Bei der Befestigung an der Maschine ist lediglich dafür zu sorgen,
daß die Spiegellängsachsen der beiden die Lichtschranke begrenzenden Spiegel in
einer Ebene liegen.
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Die Verwendung von winkelunabhängigen Rückstrahlelementen verbessert
bereits normale feststehende, aus je einem hin- und rücklaufenden Strahl aufgebaute
Lichtschranken, weil nur eine grobe Einstellung des Lichtbündels auf den reichlich
zu dimensionierenden Reflektor erforderlich ist und das rückgestrahlte Licht bei
jeder Lage des Rückstrahlers stets in der Einfallsrichtung zurückläuft, während
bei den bisherigen aus einem hin-und rücklaufenden Lichtstrahl aufgebauten Lichtschranken
insbesondere dann, wenn mehrere Meter, wie z. B. bei großen Pressen, zu überbrücken
sind, eine exakte optische Justierung erforderlich ist.
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Besonders günstig für die Erzeugung von Lichtschranken großer Breite
wirkt sich die Kombination der aus Rückstrahlelementen zusammengesetzten Spezialspiegel
mit einem schwingenden Lichtstrahl aus, weil das an diesem Spezialspiegel reflektierte,
in Schwingung oder Rotation befindliche Lichtbündel stets in der Einfallsrichtung
zurückgeworfen wird und somit unabhängig von der genauen Justierung der wesentlichen
optischen Elemente in dem Ausgangspunkt zurückläuft. Eine
geringe
Streuung des rücklaufenden Strahles ermöglicht durch bekannte lichtteilende optische
Elemente die Trennung des zurückgeworfenen Strahles von dem von der Lichtquelle
ausgehenden Strahl und dessen Lenkung auf einen lichtelektrischen Empfänger. Aus
der Eigenschaft des Spezialspiegels ergibt sich, daß seine Verwendung bei einem
im Zickzack geführten Strahlengang nicht möglich ist.
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An Hand eines Versuchsmusters entsprechend Abb. 2 wurden die genannten
Vorteile des Gerätes experimentell erhärtet. Durch den kurzen Strahlenweg und die
geringe Anzahl von Reflexionen ergeben sich so geringe Lichtverluste, daß das Versuchsgerät
allein mit Fotowiderstand und Relais, also ohne Röhrenverstärker betrieben werden
konnte. Der Abstand zwischen den Spiegeln, welche die Lichtschranke begrenzen, ließ
sich bei dem Versuchsgerät bis zu etwa 2 m ausdehnen. Bei noch größeren Abständen
ist allerdings die Verwendung eines einstufigen und stabilen Wechselstrom-Impuls-Verstärkers,
der gegen Netzspannungsschwankungen weitgehend unempfindlich ist, empfehlenswert.
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An Hand der Zeichnung wird der Aufbau einer lichtelektrischen Schranke
gemäß der Erfindung beschrieben.
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Nach Abb.2 erfolgt die Erzeugung des Lichtvorganges durch ein schmales
schwingendes Lichtbündel. Die pendelnde Bewegung des Lichtbündels zwischen den Grenzlagen
i und 2 wird durch einen Schwingungsspiegel, welcher durch einen Exzenter angetrieben
wird, erzeugt. Der Dachkantspiegel DSp ist in seitlicher Richtung kippunabhängig.
In der Höhenerstreckung wird eine Justierempfindlichkeit durch einen reichlich langen
Reflektor oder Spiegel Sp vermieden. Dieser Spiegel ist gemäß der Erfindung aus
Rückstrahlern, beispielsweise aus Tripeln, zusammengesetzt. Das Lichtbündel wird
von DSp nach Sp geworfen und fällt von dort bei jeder Lage des Lichtbündels stets
in sich selbst zurück. Auf diesem Wege erfährt das Lichtbündel eine geringe Streuung
und fällt nicht genau ins Objektiv 0, sondern in einen kleinen Umkreis um das Objektiv
0 herum, wo ein Ringspiegel HSp2 angeordnet ist, auf den es auffällt. Dieser wirft
das Licht auf einen Fotowiderstand oder auf eine Fortozelle Z. Durch eine dem Spiegel
angepaßte Begrenzung der Schwingungen des Lichtbündels erhält die Zelle Dauerlicht,
und zwar so lange, als der Lichtvorhang nicht unterbrochen wird. In diesem Zustand
bleibt die Maschine eingeschaltet oder einschaltbereit. Bei der Unterbrechung des
Lichtvorhanges z. B. durch die Hand des Arbeiters an einer Werkzeugmaschine werden
auf dem Fotowiderstand oder der Fotozelle Dunkelimpulse im Rhythmus der Lichtbündelschwingungen
erzeugt, welche bei Verwendung eines Fotowiderstandes über ein T-Relais und ein
nachgeschaltetes, rasch abfallendes, jedoch verzögert ansprechendes Relais oder
aber bei Verwendung einer Fotozelle mit Röhre und geeigneten RC-Gliedern die Maschinen
sofort zur Abschaltung bringen. Die Abschaltung bleibt so lange bestehen, als sich
das Hindernis im Lichtvorhang befindet. Durch eine genügend hohe Schwingfrequenz
muß für ausreichend rasches Abschalten der Maschine gesorgt werden.
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In der Abb. i wird der Lichtvorhang durch ein um den Brennpunkt des
Parabolspiegels HSpi rotierendes Lichtbündel erzeugt. Das von der Lampe L ausgehende
Lichtbündel wird durch den auf dem Motor 111 rotierenden Dachspiegel, dessen Rotationsachse
den Brennpunkt des Parabolspiegels durchstößt, in Rotation versetzt. Es fällt nach
Reflexion an dem Parabolspiegel HSpl auf den Reflektor, der aus Rückstrahlelementen
aufgebaut ist und wieder mit Sp bezeichnet ist, und wird von dort in der Einfallsrichtung
mit geringer Streuung zum Hohlspiegel HSpi zurückgeworfen. Schließlich wird es von
dem rotierenden Dachspiegel und mit Hilfe des Objektivs 0 zur lichtempfindlichen
Zelle Z geführt. Der Dachspiegel erwirkt trotz der Rotation einen ununterbrochenen
Strahleneinfall auf die lichtempfindliche Zelle. Dies ergibt sich dadurch, daß der
über die eine Hälfte des Dachspiegels reflektierte Strahl 2 von dem über die zweite
Hälfte reflektierten Strahl i ohne Unterbrechung abgelöst wird. Nur beim Durchbrechen
des Lichtvorhanges durch ein Hindernis entsteht Impulslicht, und durch dieses Impulslicht
wird in der bereits beschriebenen Weise die Maschine abgeschaltet.
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Die gesamte Schutzvorrichtung besteht aus zwei Hauptteilen, die entweder
jedes für sich oder durch ein Rohr verbunden an der Maschine befestigt werden (vgl.
Abb. 3). Wenn die beiden Hauptteile miteinander verbunden sind, kann die gesamte
Vorrichtung, in Schwingmetall aufgehängt, an der Maschine schwenkbar angebracht
werden, so daß der Werkzeugwechsel bei hochgeschwenkter Vorrichtung ohne Behinderung
möglich ist. Der Abstand der beiden Hauptteile wird zweckmäßig in weiten Grenzen
variabel gehalten und kann infolgedessen der Maschine in einfacher Weise angepaßt
werden.
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Für den Aufbau der gekennzeichneten Lichtschranke finden erprobte
und einfache elektrische Elemente Verwendung. Als Lichtquelle ist eine Niedervoltlampe
zweckmäßig, die, wenn sie mit etwa 15 bis 2o% Unterspannung betrieben wird,. gegen
Erschütterungen unempfindlich ist. Die angegebene Anordnung ermöglicht die Verwendung
eines einfachen Wechselstromverstärkers. Wenn ein Einzelteil der Lichtschranke ausfällt
- Lampe, Fotowiderstand, Relais, Röhre oder Schaltmagnet -, wird stets die Abschaltung
der Maschine erwirkt.
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Die Erzeugung von lückenlosen Lichtschranken verhältnismäßig großer
Fläche in der beschriebenen Weise kann weiterhin eine vorteilhafte Anwendung als
Diebstahlschutzeinrichtung od. dgl. finden.
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Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich, wenn statt des schwingenden
oder rotierenden Lichtbündels ein entsprechend bewegter UKW-Richtstrahl verwendet
wird und der optische Spiegel durch in bekannter Weise aufgebaute UKW-Reflektoren
ersetzt wird. Hierdurch ergibt sich die
Möglichkeit zur Einrichtung
von Schranken besonders großer Ausführung.