EP2262612A1 - Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung - Google Patents

Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung

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Publication number
EP2262612A1
EP2262612A1 EP08873140A EP08873140A EP2262612A1 EP 2262612 A1 EP2262612 A1 EP 2262612A1 EP 08873140 A EP08873140 A EP 08873140A EP 08873140 A EP08873140 A EP 08873140A EP 2262612 A1 EP2262612 A1 EP 2262612A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
machine tool
monitoring device
tool
monitoring
ultra
Prior art date
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Ceased
Application number
EP08873140A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Juergen Seidel
Heiko Braun
Juergen Hasch
Lars Weikert
Jo Pletinckx
Alexander Werner Hees
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to EP11180122.1A priority Critical patent/EP2394781A3/de
Publication of EP2262612A1 publication Critical patent/EP2262612A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • B23Q11/00—Accessories fitted to machine tools for keeping tools or parts of the machine in good working condition or for cooling work; Safety devices specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, machine tools
    • B23Q11/0078—Safety devices protecting the operator, e.g. against accident or noise
    • B23Q11/0082—Safety devices protecting the operator, e.g. against accident or noise by determining whether the operator is in a dangerous position
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23Q17/24—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools using optics or electromagnetic waves
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    • B23Q17/249—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools using optics or electromagnetic waves using special electromagnetic means or methods using image analysis, e.g. for radar, infrared or array camera images
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16P—SAFETY DEVICES IN GENERAL; SAFETY DEVICES FOR PRESSES
    • F16P3/00—Safety devices acting in conjunction with the control or operation of a machine; Control arrangements requiring the simultaneous use of two or more parts of the body
    • F16P3/12—Safety devices acting in conjunction with the control or operation of a machine; Control arrangements requiring the simultaneous use of two or more parts of the body with means, e.g. feelers, which in case of the presence of a body part of a person in or near the danger zone influence the control or operation of the machine
    • F16P3/14—Safety devices acting in conjunction with the control or operation of a machine; Control arrangements requiring the simultaneous use of two or more parts of the body with means, e.g. feelers, which in case of the presence of a body part of a person in or near the danger zone influence the control or operation of the machine the means being photocells or other devices sensitive without mechanical contact
    • F16P3/147—Safety devices acting in conjunction with the control or operation of a machine; Control arrangements requiring the simultaneous use of two or more parts of the body with means, e.g. feelers, which in case of the presence of a body part of a person in or near the danger zone influence the control or operation of the machine the means being photocells or other devices sensitive without mechanical contact using electro-magnetic technology, e.g. tags or radar
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/0209—Systems with very large relative bandwidth, i.e. larger than 10 %, e.g. baseband, pulse, carrier-free, ultrawideband
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    • G01S13/24—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse modulated waves using frequency agility of carrier wave
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    • G01S13/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S13/52—Discriminating between fixed and moving objects or between objects moving at different speeds
    • G01S13/56—Discriminating between fixed and moving objects or between objects moving at different speeds for presence detection
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    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/28—Details of pulse systems
    • G01S7/285—Receivers
    • G01S7/288—Coherent receivers
    • G01S7/2886—Coherent receivers using I/Q processing

Definitions

  • the invention relates to a machine tool monitoring device according to the preamble of claim 1.
  • a machine tool monitoring device for a circular saw is known. This has a sensor unit for generating and detecting an electromagnetic signal, which is arranged in the vicinity of a saw blade. An approaching one
  • Body part of the saw blade can be detected by monitoring the signal spectrum.
  • the invention relates to a machine tool monitoring device with a detection unit for detecting an application situation in a machine tool.
  • the detection unit enables a position and / or speed determination.
  • movement of an object in a monitoring area monitored by the machine tool monitoring device can be advantageously characterized. This can quickly detect a movement which indicates a potential danger to an operator of the machine tool become.
  • a "position determination” is to be understood as meaning, in particular, the determination of the position of an object monitored by the machine tool monitoring device relative to an active object of the machine tool, in particular relative to a tool, preferably in its driven state at least one movement characteristic from the group movement direction, instantaneous speed value and momentary acceleration value of an object moving relative to an active object of the machine tool can be understood.
  • the machine tool monitoring device has at least one ultra-wideband radar sensor.
  • an "ultra-wideband radar sensor” is to be understood as meaning, in particular, a radar sensor by means of which an ultra-wideband radar signal can be generated, transmitted, received and / or evaluated With such a sensor, a plurality of discrete, narrow-band frequencies can also be generated all are within the ultra-wideband spectrum, are generated, transmitted, received and / or evaluated, and pseudo-noise coding of the transmission signal can also be used as a modulation method for the system according to the invention under an "ultra wide band (or ultra wide band or UWB) spectrum".
  • an electromagnetic frequency bandwidth should be understood, which has a useful frequency range with a center frequency in the frequency range from 1 GHz to 15 GHz and a frequency bandwidth of at least 500 MHz.
  • a stepped frequency measuring method can be used as the modulation method for the transmission signal.
  • the system according to the invention may include a modulation method
  • the ultra-wideband radar sensor is part of the detection unit.
  • High security can be achieved if the position and / or velocity determination is a position and / or velocity determination of human or animal tissue.
  • this recognition of human or animal tissue takes place by means of a spectral evaluation of a radar signal. Since such a fabric has a high attenuation effect in a frequency range above 2 GHz, for a continuous frequency spectrum that can cover this range or for discrete frequencies in this frequency range a high discrimination can be achieved.
  • the recognition unit has a means which is provided to associate at least one security measure with a movement feature of a monitored object.
  • This characteristic movement feature may comprise a direction of movement, e.g. is directed to the active object, or exceeding a predetermined threshold value of the instantaneous speed of the object and / or the instantaneous acceleration of the object, which may indicate a slippage of a body part of an operator on a workpiece.
  • the safety measure is preferably carried out by means of an actuator unit which is in operative connection with the detection unit.
  • the safety shutdown may be a stopping of a drive unit for driving a tool of the machine tool.
  • the detection unit has a means which is intended to classify a movement feature of a monitored object. In this way, a particularly short reaction time can be achieved by determining only one speed level, such as "fast”, “medium speed”, “slow”, etc., and one safety level being assigned to one speed level.
  • the key parameter to be understood in particular is the assignment of the parameter to a predefined interval.
  • a particularly effective detection can be achieved if the machine tool monitoring device, in particular the detection unit, has an antenna array.
  • an antenna array is in this context, in particular a
  • the antenna array expediently has at least one ultra-wideband radar antenna.
  • phase-variable antenna array should be understood as meaning, in particular, an antenna array which is assigned at least one phase shifting means which is provided for changing at least one relative phase position between two signals radiated by different antennas of the antenna array.
  • the recognition unit defines at least two monitoring areas for monitoring an application process of the machine tool.
  • the monitoring areas are preferably formed differently from each other.
  • the monitoring areas may be formed separately or they may be adjacent to each other or they may form a common overlap area.
  • a first overlapping area may comprise a second surveillance area.
  • the detection unit define a monitoring area close to the tool and a monitoring area remote from the tool relative to a tool, and in at least one monitoring mode, a speed determination of an object moving in the tool-remote monitoring area takes place.
  • a “near-tool” monitoring area “relative to a tool” is to be understood in particular as a monitoring area, which preferably consists of points which have a smallest distance to the tool which is at most a first maximum value, wherein a monitoring area is located under a “tool-distant” monitoring area is to be understood, which is composed at least of points which have a smallest distance to the tool, which is greater than the first maximum value and preferably at most a second, compared to the first maximum value greater maximum value
  • the tool-near monitoring area and the tool-remote monitoring area can over - Läppen or may be formed separately from each other, and they may be separated from each other by another monitoring area.
  • the monitoring areas each have a different operating mode of the machine tool is assigned, whereby a high flexibility in the application of the machine tool can be achieved.
  • At least one of the monitoring areas is assigned a warning mode of the machine tool.
  • At least one of the monitoring areas is assigned a removal of a driven tool from the monitoring area, whereby a potential risk of injury can be effectively eliminated.
  • the "removal" of the driven tool which is preferably carried out by means of an Aktorikiki operatively connected to the detection unit, in particular by adjusting the driven tool in a safety position outside the monitoring area, such as by means of a countersinking of the driven tool below a machine tool work surface be realized by switching off the drive of the tool and / or by covering a cutting edge of the tool.
  • At least one of the monitoring areas is assigned a safety shutdown of the machine tool, whereby a high operating safety of the machine tool can be achieved.
  • the recognition unit makes it possible to distinguish between human or animal tissue on the one hand and wood or metal or plastics on the other hand, whereby different processes can be initiated depending on the type of material detected. If human tissue is detected, the safety measures described above can be initiated.
  • detection operations for characterizing a workpiece condition such as a workpiece condition, can be performed. humidity, thickness, feed rate, etc. are introduced.
  • the recognition unit comprises a computing unit which is provided to recognize the application situation by an evaluation of parameters based on a fuzzy and / or neural logic.
  • a blurred Logic can be quickly evaluated by the arithmetic unit based on the detected signal a large and complex amount of information.
  • a fuzzy logic represents a logic that associates the occurrence of a particular event with a probability value in the interval between 0 (false) and 1 (true).
  • the recognition unit has a database in which a set of parameters is assigned an application status.
  • a particularly rapid recognition process of an application situation can advantageously be achieved by examining a correlation between the acquired parameters and an application situation.
  • a method for detecting an application situation in an application process of a machine tool in which at least one parameter from the detection of human or animal tissue is detected for detecting the application situation, whereby a high degree of safety in the application of the machine tool can be achieved.
  • 1 shows a table saw in a view from above with a monitoring device for monitoring monitoring areas
  • 2 is a schematic representation of the monitoring device
  • FIG. 3 shows an ultra-wideband beam emitted by the monitoring device.
  • FIG. 1 shows a machine tool 10 embodied as a table saw in a view from above.
  • the latter has a tool 12 embodied as a saw blade, which is driven in an operation by means of a machine tool drive unit 14, designed as an electric motor and shown in FIG. 2, which is arranged inside a non-visible motor housing.
  • a machine tool drive unit 14 designed as an electric motor and shown in FIG. 2, which is arranged inside a non-visible motor housing.
  • the machine tool 10 is provided with a machine tool working surface 18 formed by a saw table.
  • machine work surface 18 aligned horizontally.
  • the tool 12 projects out of the motor housing through a gap 20 recessed in the machine tool working surface 18 in the vertical direction.
  • the machine tool 10 is further provided with a machine tool monitoring device 22.
  • This has a recognition unit 24, which is provided for detecting an application situation in an application of the machine tool 10.
  • the recognition unit 24 is designed to detect the presence of a human body part in a danger zone as well as a critical movement of the body part with respect to a potential injury.
  • the recognition unit 24 is provided with a plurality of ultra-wideband radar sensors 26, 28.1 to 28.3 and 30.1 to 30.3. They each have an ultra-wideband radar antenna 32, which is provided for radiating or for receiving an ultra-wideband radar signal or a plurality of discrete frequencies over a UWB spectral range.
  • the detection unit 24 with the design of the ultra-wideband radar sensors 26, 28, 30 defines three different monitoring areas 34, 36, 38 for monitoring an application process of the machine tool 10.
  • the boundaries of the monitoring areas 34, 36, 38 in the machine tool work surface 18 are shown schematically by dashed lines.
  • the monitoring areas 34, 36, 38 extend horizontally in the machine tool work surface 18 as well as vertically upwards, i. they have a height relative to the machine tool work surface 18.
  • the monitoring areas 34, 36, 38 are schematically delimited by sharp lines for the sake of clarity.
  • the monitoring areas 34, 36, 38 may form overlapping areas in pairs, each of which extends in a zone of the machine tool work surface 18 on either side of one of the imaginary boundary lines.
  • a first tool-near monitoring area 34 corresponds to a tool area which extends in the immediate vicinity of the tool 12 and in this case adjoins the outer contour of the tool 12.
  • the first surveillance area is established
  • the detection unit 24 also defines a second, remote tool monitoring area 36 fixed, which adjoins the first, tool-near monitoring area 34 and this encompasses. It is composed at least of points that have a smallest distance to the tool 12, which is greater than Di cm and maximum D 2 cm, wherein the distance D 2 > Di, for example, 15 cm. Furthermore, the detection unit 24 defines a third, remote tool monitoring area 38, which adjoins the second monitoring area 36, this encompasses and at least composed of points that have a minimum distance from the tool 12 of at least D 2 cm.
  • the monitoring regions 34, 36, 38 are arranged substantially in front of the tool 12 in a workpiece sliding direction 40 into which a workpiece 16 to be machined is pushed on the tool working surface 18. In this case, an object moving in the workpiece sliding direction 40 onto the tool 12 successively engages in the third monitoring area, in the second and finally in the first monitoring area.
  • the embodiment of the monitoring areas 34, 36, 38 shown in FIG. 1 is exemplary. By designing the ultra-wideband radar sensors 26, 28, 30 further forms of the monitoring areas 34, 36, 38 can be achieved.
  • the first tool-near monitoring area 34 is determined by means of the ultra-wideband radar sensor 26.
  • the monitoring area 36 is assigned to three ultra-wideband radar sensors 28.1 to 28.3, wherein the corresponding ultra-wideband radar antennas 32 are designed in a first antenna array 42.
  • the monitoring area 38 is assigned to three ultra-wideband radar sensors 30.1 to 30.3, wherein the corresponding ultra-wideband radar antennas 32 are defined in a second antenna array 44.
  • the antenna arrays 42, 44 are designed as phase-variable antenna arrays.
  • the corresponding antenna array 42, 44 forming ultra-wideband radar antennas 32, are controlled.
  • a transmission signal for radiation in a preferred transmission direction can be bundled.
  • the control of the relative phase angles by means not shown in detail phase shift elements.
  • FIG. 2 shows the recognition unit 24 of the machine tool monitoring device 22 in a schematic view.
  • the detection unit 24 has the ultra-wideband Radar sensors 26, 28, 30, each comprising an ultra-wideband radar antenna 32.
  • a radar signal radiated from the ultra-wideband radar antenna 32 of the ultra-wideband radar sensor 26 is generated by a signal generating unit 48 and fed into the ultra-wideband radar antenna 32.
  • the ultra-wideband radar antenna 32 of the antenna array 42 is associated with a common signal generating unit 50, while the antenna array 44 is associated with a signal generating unit 52.
  • the ultra-wideband radar signal 46 After reflection on a monitored object, the ultra-wideband radar signal 46, or the frequencies f, which are located in its bandwidth, are received as receive signal 54 from one or more of the ultra-wideband antennas 32.
  • the radiated frequency signal can be a single ultra-wideband radar pulse
  • Radar signal 46 is shown in a spectral representation in Figure 3, with amplitude A plotted on the Y axis and frequency v plotted on the X axis.
  • the ultra-wideband radar signal 46 is transmitted at a center frequency v M of 5 GHz and a signal bandwidth ⁇ v of 2 GHz around this center frequency v M.
  • the transfer function of the system can be measured by arbitrary discrete frequencies within the UWB.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of the frequency response for such a stepped frequency measurement method.
  • different discrete and relatively narrow-band frequencies f " are radiated, and the respective reflections of the system to be measured at these frequencies are measured.
  • the respective transfer function H (f,) can be determined in a known manner, which in turn allows a conclusion to the object to be tested.
  • the system according to the invention can also use a modulation method with pseudo-noise coding of the transmission signal in order to measure an impulse response of the object to be tested by correlating the received signal with the time-shifted transmission signal.
  • FIG. 9 shows a block diagram of such a pseudo-noise system.
  • the VCO 109 transmits a continuous wave carrier signal, which is modulated by the transmit switch 101, a pseudo-noise code (PN code).
  • PN code pseudo-noise code
  • the signal is amplified by the transmit amplifier 106b and radiated via the transmit antenna (TX).
  • a carrier offset from the transmission frequency is generated, which again receives a PN coding by the reception switch 103.
  • the reception mixer 105 sets the received signal to an intermediate frequency, which is amplified by the reception amplifier 106a.
  • the baseband mixers 107 convert the received signal from the intermediate frequency to the baseband.
  • the baseband circuit 108 amplifies, filters and performs an analog-to-digital conversion. After baseband processing, the impulse response of the test object is obtained.
  • FIG. 2 has a memory unit 58 in which a database 60 (see FIG. 4) with monitoring information is stored.
  • the arithmetic unit 56 preferably has at least one microprocessor or it may be designed as a microprocessor. Furthermore, a signal processing software is stored in the memory unit 58, which is used to evaluate the received signal 54 and is executed by the arithmetic unit 56.
  • the detection unit 24 is also operatively connected to an actuator unit 62, which can trigger safety measures from a further unit of the machine tool 10 on the basis of a detection signal of the detection unit 24.
  • the actuator unit 62 is in operative connection with the machine tool drive unit 14, so that based on a detection signal, a tool drive performed can be adapted or stopped to an application situation.
  • the Aktorikiki 62 may also be provided for driving further, not shown securing means.
  • the actuator unit 62 may drive safety means for sinking the tool 12 below the machine tool work surface 18. Other security means may be provided to cover the cutting edge of the tool 12, such as e.g. a protective cover.
  • the recognition unit 24 is also operatively connected to an output unit 64, which is provided to warn the operator in an optical, acoustic and / or haptic manner.
  • FIG. 4 shows the database 60. It is assumed that an operator wants to carry out a sawing of the workpiece 16, which is shown in FIG. For this purpose, the workpiece 16 is set up on the machine tool work surface 18. This application situation is referred to as application situation 66 in FIG.
  • the placement of the workpiece 16 induces a change in the surrounding the detection unit 24 dielectric, which is reflected in a change of the received signal 54. For example, after setting up a resonant frequency in the frequency spectrum of the received signal 54 is shifted.
  • the arithmetic unit 56 can assign the application situation 66 to this detected received signal 54. This is done by means of the database 60. In this table, characteristic values, for example A 3 , B 2 , etc., are assigned to an application situation A or B etc.
  • the arithmetic unit 56 examines, for example, a correlation between the received signal 54 and the signal patterns until a signal pattern 70 which has the greatest correlation with the detected received signal 54 is determined.
  • the determination of the signal pattern 70 and therefore of the applicable application situation 66 is performed by the arithmetic unit 56 by means of a method of fuzzy logic (fuzzy logic) for evaluating the spectrum of the received signal 54.
  • a learning mode of the machine tool is provided.
  • application situations may be deliberately created by the operator, and the computing unit 56 may independently learn to recognize such application situations and determine which policies are appropriate for those application situations.
  • the arithmetic unit 56 learns to correlate these application situations with one or more signal patterns in each case.
  • the arithmetic unit 56 operates in this mode on the basis of a neural logic that allows such a self-learning function. The operator can set a security level at any time until a desired procedure for a particular application situation is reached. This can be automatically stored in the database 60.
  • the mode of operation of the machine tool monitoring device 22 will be described in more detail with reference to FIGS. 5 to 7.
  • the penetration of the workpiece 16 into the monitoring area 38 is detected by the detection unit 24.
  • the recognition unit 24 by means of the recognition unit 24, as described above, based on signal patterns of the database
  • the recognition unit 24 detects the position of the hand in the monitoring area 38. Furthermore, the recognition unit 24 carries out a speed determination by detecting movement characteristics which characterize the movement of the hand relative to the rotating tool 12.
  • a direction of movement 76 By detecting the position of the hand relative to the tool 12 at different times in this case a direction of movement 76, the instantaneous value of the speed and the acceleration of the hand by means of the computing unit 56 are detected.
  • This is in turn assigned to a procedure carried out as a safety measure 82, in which the actuator unit 62 actuates a safety shutdown of the machine tool 10, namely the machine tool drive unit 14.
  • the arithmetic unit 56 serves as a means 84, which, in particular via the database 60, assigns to a detected movement feature of the monitored hand a safety measure, namely the safety shutdown of the machine tool drive unit 14.
  • a safety measure namely the safety shutdown of the machine tool drive unit 14.
  • the instantaneous value of the speed and / or the acceleration is classified as "slow” and "fast” with the aid of the means 84 embodied as a computing unit 56.
  • threshold value 78 is examined. Further, middle stages are conceivable.
  • the velocity determination i. the detection of at least one movement feature takes place in the monitoring area 38, which corresponds to the tool-remote monitoring area with the largest minimum distance to the tool 12.
  • the safety shutdown can be made in good time, so that contact of the hand with the tool 12 in its driven state can be avoided.
  • This type of detection in already an outer zone provides a longer time for deactivating the tool drive.
  • the further monitoring areas 34, 36 are assigned different operating modes of the machine tool 10.
  • the monitoring area 36 is assigned a warning mode. If, as shown in FIG. 6, the operator's hand is detected in the monitoring area 36, then in a first warning mode, the detection unit 24 triggers a warning output by means of the output unit 64. In this warning mode or in another warning mode, the operator is warned in cooperation with the machine tool driving unit 14 by means of a slowing down of the tool drive, i. by reducing the rotational speed during the rotation of the tool 12.
  • the tool-near monitoring area 34 is assigned an actuator mode of the machine tool 10. If, as shown in FIG. 7, the presence of the hand in the monitoring area 34 close to the tool is detected, a safety shutdown of the machine tool drive unit 14 is triggered immediately by means of the actuator unit 62.
  • the machine tool monitoring device 22 can be used to advantage in other stationary machine tools, such. for band saws, chop saws, panel saws, pull saws, etc.

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung mit einer Erkennungseinheit (24) zur Erkennung einer Anwendungssituation (66, 80) bei einer Werkzeugmaschine (10), wobei die Erkennungseinheit (24) eine Positions- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung von menschlichem oder tierischem Gewebe ermöglicht. Es wird vorgeschlagen, dass die Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung zumindest einen Ultrabreitband-Radarsensor (26, 28, 30) aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Werkzeugmaschine mit einer derartigen Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung.

Description

Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist eine Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung für eine Kreissäge bekannt. Diese weist eine Sensoreinheit zur Erzeugung und Erfassung eines elektromagnetischen Signals auf, welche in der Nähe eines Sägeblatts angeordnet ist. Ein Annähern eines
Körperteils an das Sägeblatt kann durch Überwachung des Signalspektrums detektiert werden.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung mit einer Erkennungseinheit zur Erkennung einer Anwendungssituation bei einer Werkzeugmaschine.
Es wird vorgeschlagen, dass die Erkennungseinheit eine Positions- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung ermöglicht. Dadurch kann eine Bewegung eines Objekts in einem von der Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung überwachten Überwachungsbereich vorteilhaft charakterisiert werden. Hiermit kann eine Bewegung, welche auf eine potentielle Gefahr für einen Bediener der Werkzeugmaschine hindeutet, schnell erkannt werden. Unter einer „Positionsbestimmung" soll insbesondere die Bestimmung der Position eines mittels der Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung überwachten Objekts relativ zu einem aktiven Objekt der Werkzeugmaschine, wie insbesondere relativ zu einem Werkzeug vorzugsweise in dessen angetriebenem Zustand, verstanden werden. Ferner soll unter einer „Geschwindigkeitsbestimmung" insbesondere die Bestimmung von zumindest einem Bewegungsmerkmal aus der Gruppe Bewegungsrichtung, momentaner Geschwindigkeitswert und momentaner Beschleunigungswert eines sich relativ zu einem aktiven Objekt der Werkzeugmaschine bewegenden Objekts verstanden werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung zumindest einen Ultrabreitband- Radarsensor aufweist. Unter einem „Ultrabreitband- Radarsensor" soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Radarsensor verstanden werden, mittels dessen ein ultrabreitbandiges Radarsignal erzeugt, gesendet, empfangen und/oder ausgewertet werden kann. Alternativ können mit einem solchen Sensor auch eine Vielzahl von diskreten, schmalbandigen Frequenzen, die allesamt innerhalb des ultrabreitbandigen Spektrums liegen, erzeugt, gesendet, empfangen und/oder ausgewertet werden. Auch eine Pseudo-Noise Codierung des Sendesignals kann als Modulationsverfahren für das erfindungsgemäßes System genutzt werden. Unter einem „ultrabreitbandigen (oder Ultra Wide Band oder UWB) Spektrum" soll insbesondere ein elektromagnetisches Frequenzbandbreite verstanden werden, welche einen Nutzfrequenzbereich mit einer Mittenfrequenz im Frequenzbereich von 1 GHz bis 15 GHz und einer Frequenzbandbreite von zumindest 500 MHz aufweist.
In vorteilhafter Weise kann als Modulationsverfahren für das Sendesignal ein gestuftes Frequenz-Messverfahren genutzt werden. Hierbei kann die Übertragungsfunktion des
Systems einschließlich des zu prüfenden Objektes gemessen werden, indem beliebige diskrete Frequenzen ausgesendet werden und die entsprechenden zugehörigen Reflexionen gemessen werden.
Alternativer Weise kann das erfindungsgemäße System ein Modulationsverfahren mit
Pseudo-Noise-Codierung des Sendesignals nutzten, um durch Korrelation des Empfangssignals mit dem zeitlich verschobenen Sendesignal eine Impulsantwort des zu prüfenden Objektes zu messen. Insbesondere ist der Ultrabreitband- Radarsensor Bestandteil der Erkennungseinheit.
Es kann eine hohe Sicherheit erreicht werden, wenn die Positions- und/oder Geschwin- digkeitsbestimmung eine Positions- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung von menschlichem oder tierischem Gewebe ist. Insbesondere erfolgt diese Erkennung von menschlichem oder tierischem Gewebe mittels einer spektralen Auswertung eines Radarsignals. Da ein derartiges Gewebe eine hohe Dämpfungswirkung in einem Frequenzbereich ober- halb von 2 GHz besitzt, kann für ein kontinuierliches Frequenzspektrum, dass diesen Bereich abdeckt oder für diskrete Frequenzen in diesem Frequenzbereich ein hohes Unterscheidungsvermögen erreicht werden kann.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Erkennungseinheit ein Mittel aufweist, das dazu vorgesehen ist, einem Bewegungsmerkmal eines überwachten Objekts zumindest eine Sicherheitsmaßnahme zuzuordnen. Dadurch können bei der Erkennung einer kritischen Bewegung des überwachten Objekts anhand eines charakteristischen Bewegungsmerkmals Sicherheitsmaßnahmen rechtzeitig getroffen werden und ein Kontakt des Objekts mit einem aktiven Objekt der Werkzeugmaschine kann vermieden werden. Die- ses charakteristische Bewegungsmerkmal kann eine Bewegungsrichtung, die z.B. auf das aktive Objekt gerichtet ist, oder ein Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwerts der momentanen Geschwindigkeit des Objekts und/oder der momentanen Beschleunigung des Objekts sein, die möglicherweise auf ein Abrutschen eines Körperteils eines Bedieners auf ein Werkstück hindeuten. Die Durchführung der Sicherheitsmaßnahme erfolgt vorzugsweise mittels einer Aktorikeinheit, die in Wirkverbindung mit der Erkennungseinheit steht.
Insbesondere wird vorgeschlagen, dass zumindest einem Bewegungsmerkmal eine Sicherheitsabschaltung der Werkzeugmaschine zugeordnet ist. Dadurch kann eine beson- ders hohe Sicherheit erreicht werden. Insbesondere kann hierbei die Sicherheitsabschaltung ein Stoppen einer Antriebseinheit zum Antreiben eines Werkzeugs der Werkzeugmaschine sein. Vorteilhafterweise weist die Erkennungseinheit ein Mittel auf, das dazu vorgesehen ist, ein Bewegungsmerkmal eines überwachten Objekts einzustufen. Hierdurch kann eine besonders kurze Reaktionszeit erreicht werden, indem lediglich ein Geschwindigkeitsgrad, wie „schnell", „mittelschnell", „langsam" usw., ermittelt wird und wobei einem Geschwindig- keitsgrad eine Sicherheitsmaßnahme zugeordnet ist. Unter einem „Einstufen" einer er- fassten Kenngröße soll insbesondere das Zuordnen der Kenngröße zu einem vordefinierten Intervall verstanden werden.
Eine besonders effektive Erkennung kann erreicht werden, wenn die Werkzeugmaschi- nenüberwachungsvorrichtung, insbesondere die Erkennungseinheit, ein Antennenarray aufweist. Unter einem „Antennenarray" soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine
Gruppe von mehreren voneinander unterschiedlichen Antennen verstanden werden, die im Betrieb mittels einer gemeinsamen Signalerzeugungseinheit mit einem zu sendenden
Signal gespeist werden. Zweckmäßigerweise weist das Antennenarray zumindest eine Ultrabreitband- Radar- Antenne auf.
Es kann die Genauigkeit bei einer Erkennung erhöht werden, wenn das Antennenarray als phasenvariables Antennenarray ausgebildet ist. Unter einem „phasenvariablen" Antennenarray soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Antennenarray verstanden werden, welchem zumindest ein Phasenverschiebungsmittel zugeordnet ist, welches zur Änderung zumindest einer relativen Phasenlage zwischen zwei Signalen, die von unterschiedlichen Antennen des Antennenarrays abgestrahlt werden, vorgesehen ist.
Eine hohe Flexibilität in der Gestaltung von Überwachungsfunktionen kann erreicht wer- den, wenn die Erkennungseinheit zumindest zwei Überwachungsbereiche zum Überwachen eines Anwendungsprozesses der Werkzeugmaschine festlegt. Die Überwachungsbereiche sind vorzugsweise voneinander unterschiedlich ausgebildet. Hierbei können die Überwachungsbereiche voneinander getrennt ausgebildet sein oder sie können aneinander angrenzen oder sie können einen gemeinsamen Überlappungsbereich bilden. Insbe- sondere kann ein erster Überlappungsbereich einen zweiten Überwachungsbereich umfassen. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Erkennungseinheit relativ zu einem Werkzeug einen werkzeugnahen Überwachungsbereich und einen werkzeugfernen Überwachungsbereich festlegt und in zumindest einem Überwachungsmodus eine Geschwindigkeitsbestimmung eines sich im werkzeugfernen Über- wachungsbereich bewegenden Objekts erfolgt. Dies ist von Vorteil insbesondere im Hinblick auf die intrinsische Begrenzung der Auswertegeschwindigkeit der Erkennungseinheit, auf die Reaktionszeit einer Aktorikeinheit sowie auf die Trägheit eines zu stoppenden aktiven Objekts, die ein frühzeitiges Erkennen einer kritischen Bewegung eines überwachten Objekts, wie z.B. eine Abrutschbewegung von menschlichem Gewebe oder ein Annä- hern von menschlichem Gewebe zu einem aktiven Objekt der Werkzeugmaschine, erfordern. Unter einem „werkzeugnahen" Überwachungsbereich „relativ zu einem Werkzeug" soll insbesondere ein Überwachungsbereich verstanden werden, welcher sich vorzugsweise aus Punkten zusammensetzt, die einen kleinsten Abstand zum Werkzeug aufweisen, der maximal einen ersten Maximalwert beträgt, wobei unter einem „werkzeugfernen" Überwachungsbereich ein Überwachungsbereich verstanden werden soll, der sich zumindest aus Punkten zusammensetzt, die einen kleinsten Abstand zum Werkzeug aufweisen, der größer als der erste Maximalwert ist und vorzugsweise maximal einen zweiten, gegenüber dem ersten Maximalwert größeren Maximalwert aufweist. Der werkzeugnahe Überwachungsbereich und der werkzeugferne Überwachungsbereich können sich über- läppen oder können voneinander getrennt ausgebildet sein, wobei sie durch einen weiteren Überwachungsbereich voneinander getrennt sein können.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass den Überwachungsbereichen jeweils ein unterschiedlicher Betriebsmodus der Werkzeugmaschine zugeordnet ist, wodurch eine hohe Flexibilität in der Anwendung der Werkzeugmaschine erzielt werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass zumindest einem der Überwachungsbereiche ein Warnmodus der Werkzeugmaschine zugeordnet ist. Dadurch können vorteilhaft bei Erkennung einer potentiell gefährlichen Anwendungssi- tuation Vorschutzmaßnahmen eingeleitet werden, bevor ein Bediener sich in einer akuten
Gefahr befindet. In diesem Zusammenhang können ein vorteilhafter Warneffekt und eine hohe Sicherheit erreicht werden, wenn die Erkennungseinheit - im Zusammenwirken mit einer Werkzeugmaschinenantriebseinheit zum Antreiben eines Werkzeugs - zum Verlangsamen eines Werkzeugantriebs im Warnmodus vorgesehen ist.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass zumindest einem der Überwachungsbereiche ein Beseitigen eines angetriebenen Werkzeugs aus dem Überwachungsbereich zugeordnet ist, wodurch eine potentielle Verletzungsgefahr effektiv beseitigt werden kann. Das „Beseitigen" des angetriebenen Werkzeugs, das vorzugsweise mittels einer mit der Erken- nungseinheit in Wirkverbindung stehenden Aktorikeinheit durchgeführt wird, kann insbesondere durch ein Verstellen des angetriebenen Werkzeugs in eine Sicherheitsposition außerhalb des Überwachungsbereichs, wie z.B. mittels eines Versenkens des angetriebenen Werkzeugs unterhalb einer Werkzeugmaschinenarbeitsfläche, durch ein Abschalten des Antriebs des Werkzeugs und/oder durch ein Bedecken einer Schneidkante des Werkzeugs verwirklicht werden.
In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass zumindest einem der Überwachungsbereiche eine Sicherheitsabschaltung der Werkzeugmaschine zugeordnet ist, wodurch eine hohe Bediensicherheit der Werkzeugmaschine erreicht wer- den kann.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Erkennungseinheit es ermöglicht, eine Unterscheidung von menschlichem oder tierischem Gewebe einerseits und Holz oder Metall oder Kunststoffen andererseits zu treffen, wobei abhängig von der erkannten Materialart ver- schiedene Vorgänge eingeleitet werden können. Wird menschliches Gewebe erkannt, können oben beschriebene Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet werden. Wird ein zu bearbeitendes Werkstück erkannt, können Erfassungsvorgänge zum Charakterisieren eines Werkstückzustands, wie z.B. einer Feuchtigkeit, einer Dicke, einer Vorschubgeschwindigkeit usw., eingeleitet werden.
Vorteilhafterweise umfasst die Erkennungseinheit eine Recheneinheit, die dazu vorgesehen ist, die Anwendungssituation durch eine auf einer unscharfen und/oder neuronalen Logik basierende Auswertung von Kenngrößen zu erkennen. Mit Hilfe einer unscharfen Logik kann von der Recheneinheit anhand des erfassten Signals eine große und komplexe Informationsmenge schnell ausgewertet werden. Eine unscharfe Logik stellt insbesondere eine Logik dar, die dem Auftreten eines bestimmten Ereignisses einen Wahrscheinlichkeitswert im Intervall zwischen 0 (falsch) und 1 (wahr) zuordnet. Durch eine neuronale Logik können vorteilhafte Selbstlernfunktionen der Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung erreicht werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Erkennungseinheit eine Datenbank aufweist, in welcher einem Satz von Kenngrößen eine An- Wendungssituation zugeordnet ist. Es kann ein besonders schneller Erkennungsprozess einer Anwendungssituation vorteilhaft erreicht werden, indem eine Korrelation zwischen den erfassten Kenngrößen und einer Anwendungssituation untersucht wird.
Ferner wird ein Verfahren zur Erkennung einer Anwendungssituation bei einem Anwen- dungsprozess einer Werkzeugmaschine vorgeschlagen, bei welchem zur Erkennung der Anwendungssituation wenigstens eine Kenngröße aus der Detektion von menschlichem oder tierischem Gewebe erfasst wird, wodurch eine hohe Sicherheit bei der Anwendung der Werkzeugmaschine erreicht werden kann.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschrei- bung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Tischkreissäge in einer Ansicht von oben mit einer Überwachungsvorrichtung zur Überwachung von Überwachungsbereichen, Fig. 2 eine schematische Darstellung der Überwachungsvorrichtung,
Fig. 3 ein von der Überwachungsvorrichtung abgestrahltes Ultrabreitband-
Radarsignal,
Fig. 4 eine Datenbank der Überwachungsvorrichtung mit Anwendungssituationen,
Fig. 5 die Erfassung von Bewegungsmerkmalen einer sich in einem Über- wachungsbereich bewegenden Hand,
Fig. 6 das Erkennen des Vorhandenseins der Hand in einem weiteren Ü- berwachungsbereich und
Fig. 7 das Erkennen des Vorhandenseins der Hand in einem werkzeugnahen Überwachungsbereich,
Fig. 8 den Frequenzverlauf für ein gestuftes Frequenzmessverfahren,
Fig. 9 ein Blockschaltbild für ein Pseudo-Noise-System
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Figur 1 zeigt eine als Tischkreissäge ausgebildete Werkzeugmaschine 10 in einer Ansicht von oben. Diese weist ein als Sägeblatt ausgeführtes Werkzeug 12 auf, das in einem Betrieb mittels einer in Figur 2 dargestellten, als Elektromotor ausgebildeten Werkzeugmaschinenantriebseinheit 14 angetrieben wird, die innerhalb eines nicht sichtbaren Motorge- häuses angeordnet ist. Zum Platzieren, und zwar insbesondere zum Auflegen eines zu bearbeitenden Werkstücks 16 (siehe Figur 5), ist die Werkzeugmaschine 10 mit einer von einem Sägetisch gebildeten Werkzeugmaschinenarbeitsfläche 18 versehen. In einer in Figur 1 gezeigten Grundeinbaustellung der Werkzeugmaschine 10 ist die Werkzeugma- schinenarbeitsfläche 18 horizontal ausgerichtet. Das Werkzeug 12 ragt aus dem Motorgehäuse durch eine in der Werkzeugmaschinenarbeitsfläche 18 ausgesparte Spalte 20 in vertikaler Richtung heraus.
Die Werkzeugmaschine 10 ist ferner mit einer Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung 22 versehen. Diese weist eine Erkennungseinheit 24 auf, die zur Erkennung einer Anwendungssituation bei einer Anwendung der Werkzeugmaschine 10 vorgesehen ist. Insbesondere ist die Erkennungseinheit 24 dazu ausgelegt, das Vorhandensein eines menschlichen Körperteils in einer Gefahrenzone sowie eine im Bezug auf eine potentielle Verletzung kritische Bewegung des Körperteils zu erkennen. Hierzu ist die Erkennungseinheit 24 mit einer Mehrzahl von Ultrabreitband-Radarsensoren 26, 28.1 bis 28.3 und 30.1 bis 30.3 versehen. Sie weisen jeweils eine Ultrabreitband- Radarantenne 32 auf, die zur Abstrahlung bzw. zum Empfangen eines Ultrabreitband- Radarsignals oder einer Vielzahl diskreter Frequenzen über einen UWB-Spektralbereich vorgesehen ist.
Die Erkennungseinheit 24 mit der Auslegung der Ultrabreitband- Radarsensoren 26, 28, 30 legt drei verschiedene Überwachungsbereiche 34, 36, 38 zum Überwachen eines Anwendungsprozesses der Werkzeugmaschine 10 fest. Die Abgrenzungen der Überwachungsbereiche 34, 36, 38 in der Werkzeugmaschinenarbeitsfläche 18 sind mittels strich- punktierter Linien schematisch dargestellt. Die Überwachungsbereiche 34, 36, 38 erstrecken sich horizontal in der Werkzeugmaschinenarbeitsfläche 18 sowie in vertikaler Richtung nach oben, d.h. sie weisen eine Höhe relativ zur Werkzeugmaschinenarbeitsfläche 18 auf. Die Überwachungsbereiche 34, 36, 38 sind der Übersichtlichkeit halber mittels scharfer Linien schematisch abgegrenzt. Die Überwachungsbereiche 34, 36, 38 können paarweise Überlappungsbereiche bilden, welche sich jeweils in einer Zone der Werkzeugmaschinenarbeitsfläche 18 beiderseits einer der gedachten Grenzlinien erstrecken.
Ein erster, werkzeugnaher Überwachungsbereich 34 entspricht einem Werkzeugbereich, der sich in unmittelbarer Nähe des Werkzeugs 12 erstreckt und hierbei an die Außenkon- tur des Werkzeugs 12 angrenzt. Insbesondere setzt sich der erste Überwachungsbereich
34 aus Punkten zusammen, die einen kleinsten Abstand zum Werkzeug 12 von maximal Di cm aufweisen, wobei der Abstand Di vorzugsweise maximal 2 cm beträgt. Die Erkennungseinheit 24 legt außerdem einen zweiten, werkzeugfernen Überwachungsbereich 36 fest, welcher sich an den ersten, werkzeugnahen Überwachungsbereich 34 anschließt und diesen umgreift. Er setzt sich zumindest aus Punkten zusammen, die einen kleinsten Abstand zum Werkzeug 12 aufweisen, der größer als Di cm ist und maximal D2 cm beträgt, wobei der Abstand D2 > Di z.B. 15 cm beträgt. Ferner legt die Erkennungseinheit 24 einen dritten, werkzeugfernen Überwachungsbereich 38 fest, der sich an den zweiten Überwachungsbereich 36 anschließt, diesen umgreift und sich zumindest aus Punkten zusammensetzt, die einen kleinsten Abstand zum Werkzeug 12 von zumindest D2 cm aufweisen. Die Überwachungsbereiche 34, 36, 38 sind in einer Werkstückschieberichtung 40, in welche ein zu bearbeitendes Werkstück 16 auf der Werkzeugarbeitsfläche 18 ge- schoben wird, im Wesentlichen vor dem Werkzeug 12 angeordnet. Hierbei greift ein sich in Werkstückschieberichtung 40 auf das Werkzeug 12 bewegendes Objekt sukzessiv in den dritten, in den zweiten und abschließend in den ersten Überwachungsbereich ein. Die in Figur 1 gezeigte Ausgestaltung der Überwachungsbereiche 34, 36, 38 ist beispielhaft. Es können durch die Auslegung der Ultrabreitband- Radarsensoren 26, 28, 30 weitere Formen der Überwachungsbereiche 34, 36, 38 erzielt werden.
Der erste, werkzeugnahe Überwachungsbereich 34 ist mittels des Ultrabreitband- Radarsensors 26 festgelegt. Dem Überwachungsbereich 36 sind drei Ultrabreitband- Radarsensoren 28.1 bis 28.3 zugeordnet, wobei die entsprechenden Ultrabreitband- Radarantennen 32 in einem ersten Antennenarray 42 ausgelegt sind. Dem Überwachungsbereich 38 sind drei Ultrabreitband- Radarsensoren 30.1 bis 30.3 zugeordnet, wobei die entsprechenden Ultrabreitband- Radarantennen 32 in einem zweiten Antennenarray 44 festgelegt sind. Im betrachteten Fall sind die Antennenarrays 42, 44 als phasenvariable Antennenarrays ausgebildet. Hierbei können innerhalb eines Antennenarrays 42, 44 relative Phasenlagen zwischen Sendesignalen, die von den einzelnen, das entsprechende Antennenarray 42, 44 bildenden Ultrabreitband- Radarantennen 32 erzeugt werden, gesteuert werden. Es kann hierbei mittels konstruktiver und/oder destruktiver Interferenzen ein Sendesignal zur Strahlung in einer bevorzugten Senderichtung gebündelt werden. Die Steuerung der relativen Phasenlagen erfolgt mittels nicht näher dargestellter Phasen- Verschiebeelemente.
Figur 2 zeigt die Erkennungseinheit 24 der Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung 22 in einer schematischen Ansicht. Die Erkennungseinheit 24 weist die Ultrabreitband- Radarsensoren 26, 28, 30 auf, die jeweils eine Ultrabreitband- Radarantenne 32 umfassen. Ein von der Ultrabreitband- Radarantenne 32 des Ultrabreitband- Radarsensors 26 abgestrahltes Radarsignal wird mittels einer Signalerzeugungseinheit 48 erzeugt und in die Ultrabreitband- Radarantenne 32 gespeist. Den Ultrabreitband- Radarantennen 32 des Antennenarrays 42 ist eine gemeinsame Signalerzeugungseinheit 50 zugeordnet, während dem Antennenarray 44 eine Signalerzeugungseinheit 52 zugeordnet ist.
Nach einer Reflexion an einem überwachten Objekt wird das Ultrabreitband- Radarsignal 46, bzw. die in dessen Bandbreite liegenden, sdieskret ausgesandten Frequenzen f, als Empfangssignal 54 von einer oder mehreren der Ultrabreitband-Antennen 32 empfangen.
Nach dem Empfangen wird dieses in einer nicht gezeigten Signalaufbereitungseinheit gefiltert, verstärkt, in eine digitale Form umgewandelt und anschließend auf eine Recheneinheit 56 der Erkennungseinheit 24 zur Auswertung gegeben.
Dabei kann das abgestrahlte Frequenzsignal ein einzelner ultrabreitbandiger Radarimpuls
46 sein, wie er beispielsweise in der Figur 3 dargestellt ist oder aus einer Reihe von diskreten Frequenzen f, bestehen, die sich über die entsprechende Bandbreite des UWB Signals erstrecken.
Das von einer der Ultrabreitband- Radarantennen 32 abgestrahlte Ultrabreitband-
Radarsignal 46 ist in einer spektralen Darstellung in Figur 3 gezeigt, wobei die Amplitude A auf der Y-Achse und eine Frequenz v auf der X-Achse aufgetragen ist. Das Ultrabreitband-Radarsignal 46 wird mit einer Mittenfrequenz vM von 5 GHz und einer Signalbandbreite Δv von 2 GHz um diese Mittenfrequenz vM übertragen. Dabei beträgt eine Unterfre- quenz vi = 4 GHz und eine Oberfrequenz v2 = 6 GHz.
In vorteilhafter Weise kann für das Sendesignal nicht ein einzelnen UWB-Impuls, sondern ein Modulationsverfahren in Form eines gestuften Frequenz-Messverfahren genutzt werden. Hierbei kann die Übertragungsfunktion des Systems einschließlich des zu prüfenden Objektes gemessen werden, indem beliebige diskrete Frequenzen innerhalb des UWB-
Spektrums, wie es beispielsweise in Figur 3 dargestellt ist, ausgesendet werden und die entsprechenden zugehörigen Reflexionen gemessen werden. Figur 8 zeigt eine schematische Darstellung des Frequenzverlaufs für ein solches gestuftes Frequenzmessverfahren. Dabei werden zu verschiedenen Abtastzeitpunkten t, verschieden diskrete und relativ schmalbandige Frequenzen f„ die allesamt innerhalb der UWB-Bandbreite liegen, abgestrahlt und die jeweiligen Reflektionen des zu vermessen- den Systems bei diesen Frequenzen gemessen. Aus dem Vergleich von Sende- und Empfangssignal kann in bekannter Weise die jeweilige Übertragungsfunktion H(f,) bestimmt werden, die wiederum einen Rückschluss auf das zu prüfende Objekt ermöglicht.
Alternativ hierzu kann das erfindungsgemäße System auch ein Modulationsverfahren mit Pseudo-Noise-Codierung des Sendesignals nutzten, um durch Korrelation des Empfangssignals mit dem zeitlich verschobenen Sendesignal eine Impulsantwort des zu prüfenden Objektes zu messen.
Figur 9 zeigt ein Blockschaltbild eines solchen Pseudo-Noise-Systems.
Der VCO 109 sendet ein Continous-Wave-Träger-Signal, welchem durch den Sendeschalter 101 ein Pseudo-Noise Code (PN-Code) aufmoduliert wird. Das Signal wird durch den Sendeverstärker 106b verstärkt und über die Sendeantenne (TX) abgestrahlt.
Durch einen Teiler 111 und einen Single-Side-Band-Mischer 102 wird ein zur Sendefrequenz versetzter Träger generiert, welcher durch den Empfangsschalter 103 wieder eine PN-Codierung erhält.
Der Empfangsmischer 105 setzt das empfangene Signal auf eine Zwischenfrequenz, wel- che durch den Empfangsverstärker 106a verstärkt wird. Die Basisbandmischer 107 setzen das Empfangssignal von der Zwischenfequenz ins Basisband um. Die Basisbandschaltung 108 verstärkt, filtert und macht eine Analog-Digital-Wandlung. Nach der Basisbandverarbeitung erhält man die Impulsantwort des Prüfobjekts.
Die Erkennungseinheit 24 des erfindungsgemäßen Systems gemäß der Darstellung in
Figur 2 weist eine Speichereinheit 58 auf, in der eine Datenbank 60 (siehe Figur 4) mit Überwachungsinformationen gespeichert wird. Die Recheneinheit 56 weist vorzugsweise zumindest einen Mikroprozessor auf oder sie kann als Mikroprozessor ausgebildet sein. Ferner ist in der Speichereinheit 58 eine Signalverarbeitungssoftware gespeichert, die zur Auswertung des Empfangssignals 54 dient und von der Recheneinheit 56 ausgeführt wird.
Die Erkennungseinheit 24 steht ferner mit einer Aktorikeinheit 62 in Wirkverbindung, wel- che anhand eines Erkennungssignals der Erkennungseinheit 24 Sicherheitsmaßnahmen von einer weiteren Einheit der Werkzeugmaschine 10 auslösen kann. Insbesondere steht die Aktorikeinheit 62 in Wirkverbindung mit der Werkzeugmaschinenantriebseinheit 14, so dass anhand eines Erkennungssignals ein durchgeführter Werkzeugantrieb an eine Anwendungssituation angepasst bzw. gestoppt werden kann. Die Aktorikeinheit 62 kann ferner zum Antreiben von weiteren, nicht gezeigten Sicherungsmitteln vorgesehen sein. Insbesondere kann die Aktorikeinheit 62 Sicherheitsmittel antreiben, die dazu dienen, das Werkzeug 12 unterhalb der Werkzeugmaschinenarbeitsfläche 18 zu versenken. Es können weitere Sicherheitsmittel vorgesehen sein, die zum Bedecken der Schneidkante des Werkzeugs 12 dienen, wie z.B. eine Schutzhaube. Die Erkennungseinheit 24 steht außer- dem in Wirkverbindung mit einer Ausgabeeinheit 64, die dazu vorgesehen ist, den Bediener auf optische, akustische und/oder haptische Weise zu warnen.
Figur 4 zeigt die Datenbank 60. Es wird angenommen, dass ein Bediener ein Sägen des Werkstücks 16, welches in Figur 5 dargestellt ist, durchführen will. Hierzu wird das Werk- stück 16 auf die Werkzeugmaschinenarbeitsfläche 18 aufgestellt. Diese Anwendungssituation wird in Figur 4 als Anwendungssituation 66 bezeichnet. Das Aufstellen des Werkstücks 16 induziert eine Änderung des die Erkennungseinheit 24 umgebenden Dielektrikums, welche sich in einer Änderung des Empfangssignals 54 widerspiegelt. Beispielsweise ist nach dem Aufstellen eine Resonanzfrequenz im Frequenzspektrum des Emp- fangssignals 54 verschoben. Die Recheneinheit 56 kann diesem erfassten Empfangssignal 54 die Anwendungssituation 66 zuordnen. Dies erfolgt mittels der Datenbank 60. In dieser sind in einer Zuordnungstabelle 68 Kenngrößen, z.B. A3, B2 usw., jeweils einer Anwendungssituation A bzw. B usw. zugeordnet. Diese Kenngrößen entsprechen einem Signalmuster, d.h. einer Kenngröße oder einem Satz von charakteristischen Kenngrößen, wie z.B. einer Signalamplitude, der Position eines Amplitudenmaximums usw., die jeweils ein für eine Anwendungssituation typisches Spektrum des Empfangssignals 54 charakterisieren, oder sie können Kenngrößen sein, die, wie weiter unten beschrieben, die Bewegung eines überwachten Objekts relativ zum Werkzeug 12 charakterisieren. Ausgehend vom erfassten Empfangssignal 54 untersucht die Recheneinheit 56 z.B. eine Korrelation zwischen dem Empfangssignal 54 und den Signalmustern, bis ein Signalmuster 70, welches die größte Korrelation mit dem erfassten Empfangssignal 54 aufweist, bestimmt wird. Die Bestimmung des Signalmusters 70 und daher der zutreffenden Anwendungssi- tuation 66 wird von der Recheneinheit 56 mittels einer Methode der Fuzzy-Logik (unscharfe Logik) zur Auswertung des Spektrums des Empfangssignals 54 durchgeführt.
In der Datenbank 60 sind in einer weiteren Zuordnungstabelle 72 Anwendungssituationen A, B, C usw. Vorgehensweisen I, II, III usw. für die Werkstückbearbeitung zugeordnet. Wenn eine Anwendungssituation von der Recheneinheit 56 erkannt wird, kann auf diese
Anwendungssituation reagiert werden, indem die Aktorikeinheit 62 dem Vorgehen entsprechend einen Verlauf der Werkstückbearbeitung ggf. modifiziert. Beispielsweise wird der Anwendungssituation 66 ein Vorgehen 74 zugeordnet, nach welchem ein Werkzeugantrieb unverändert weiterverfolgt wird. Zur Erweiterung der Datenbank 60 mit neuen Anwendungssituationen und neuen Vorgehensweisen für diese Anwendungssituationen ist ein Lernmodus der Werkzeugmaschine vorgesehen. In diesem Modus können Anwendungssituationen von dem Bediener absichtlich geschaffen werden, wobei die Recheneinheit 56 selbständig lernen kann, solche Anwendungssituationen zu erkennen und zu ermitteln, welche Vorgehensweisen diesen Anwendungssituationen angepasst sind. Dabei lernt die Recheneinheit 56, diese Anwendungssituationen jeweils mit einem oder mehreren Signalmustern zu korrelieren. Hierzu arbeitet die Recheneinheit 56 in diesem Modus auf der Basis einer neuronalen Logik, die eine solche Selbstlernfunktion erlaubt. Dabei kann der Bediener ein Sicherheitsniveau jederzeit einstellen, bis ein gewünschtes Vorgehen für eine bestimmte Anwendungssitua- tion erreicht ist. Dieses kann automatisch in der Datenbank 60 gespeichert werden.
Die Funktionsweise der Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung 22 wird anhand der Figuren 5 bis 7 näher beschrieben. Das Eindringen des Werkstücks 16 in den Überwachungsbereich 38 wird von der Erkennungseinheit 24 erkannt. Hierbei wird mittels der Erkennungseinheit 24, wie oben beschrieben, anhand von Signalmustern der Datenbank
60 eine Unterscheidung von menschlichem oder tierischem Gewebe einerseits und Holz oder Metall oder Kunststoffen andererseits getroffen. Wird das Werkstück 16 aus Holz erkannt, so werden Erfassungsvorgänge mittels der Ultrabreit- Radarsensoren 26, 28, 30 eingeleitet, die zur Ermittlung von z.B. einer Abmessung des Werkstücks 16, insbesondere der Werkstückdicke, von der Vorschubbewegung in der Werkstückschieberichtung 40 oder von der Holzfeuchte dienen. Nach dem Starten eines Werkzeugantriebs wird von zumindest einem Ultrabreitband- Radarsensor 26, 28 bzw. 30 das Werkzeug 12 auf des- sen Umdrehungszahl sowie auf eine potentielle Unwucht überwacht.
Wird nun die Hand des Bedieners im Überwachungsbereich 38 erfasst, so werden Erfassungsvorgänge eingeleitet, die zur Vermeidung eines Kontakts der Hand mit dem rotierenden Werkzeug 12 dienen. Wird im werkzeugfernen Überwachungsbereich 38 eine schnelle Geschwindigkeitszunahme oder eine hohe Momentangeschwindigkeit von menschlichem Gewebe zum rotierenden Werkzeug 12 detektiert, so dass selbst bei einer möglichen anschließenden Geschwindigkeitsabnahme der Kontakt mit dem Werkzeug 12 unvermeidbar ist, dann kann bereits in dieser Zone z.B. eine Abschaltung der Werkzeugmaschinenantriebseinheit 14 erfolgen. Die Erkennungseinheit 24 erfasst die Position der Hand im Überwachungsbereich 38. Ferner führt die Erkennungseinheit 24 eine Geschwindigkeitsbestimmung aus, indem Bewegungsmerkmale, welche die Bewegung der Hand relativ zum rotierenden Werkzeug 12 charakterisieren, erfasst werden. Durch die Erfassung der Position der Hand relativ zum Werkzeug 12 zu verschiedenen Zeitpunkten werden hierbei eine Bewegungsrichtung 76, der momentane Wert der Geschwindigkeit sowie der Beschleunigung der Hand mittels der Recheneinheit 56 erfasst. Das Vorliegen von zumindest einem der folgenden Merkmale, und zwar der auf das Werkzeug 12 weisenden Bewegungsrichtung 76, eines momentanen Werts der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts 78 (siehe Figur 4), oder das Vorliegen einer beliebigen Kombination dieser Merkmale wird mittels der Daten- bank 60 einer Anwendungssituation 80 zugeordnet. Diese ist wiederum einem als Sicherheitsmaßnahme 82 ausgeführten Vorgehen zugeordnet, in welchem die Aktorikeinheit 62 eine Sicherheitsabschaltung der Werkzeugmaschine 10, und zwar der Werkzeugmaschinenantriebseinheit 14, betätigt. Die Recheneinheit 56 dient hierbei als Mittel 84, das insbesondere über die Datenbank 60 einem erfassten Bewegungsmerkmal der überwachten Hand eine Sicherheitsmaßnahme, und zwar die Sicherheitsabschaltung der Werkzeugmaschinenantriebseinheit 14, zuordnet. Wie oben beschrieben, wird hierbei der momentane Wert der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung unter zwei Stufen „langsam" und „schnell" mit Hilfe des als Recheneinheit 56 ausgebildeten Mittels 84 eingestuft, in- dem das Überschreiten des Schwellenwerts 78 untersucht wird. Weitere, mittlere Stufen sind denkbar.
Die Geschwindigkeitsbestimmung, d.h. die Erfassung von zumindest einem Bewegungs- merkmal, erfolgt im Überwachungsbereich 38, welcher dem werkzeugfernen Überwachungsbereich mit dem größten Mindestabstand zum Werkzeug 12 entspricht. Hierbei kann aufgrund der restlichen Entfernung der Hand zum Werkzeug 12 die Sicherheitsabschaltung rechtzeitig getroffen werden, so dass ein Kontakt der Hand mit dem Werkzeug 12 in dessen angetriebenem Zustand vermieden werden kann. Durch diese Detektionsart in bereits einer äußeren Zone steht eine größere Zeitspanne zum Deaktivieren des Werkzeugantriebs zur Verfügung.
Den weiteren Überwachungsbereichen 34, 36 sind unterschiedliche Betriebsmodi der Werkzeugmaschine 10 zugeordnet. Insbesondere ist dem Überwachungsbereich 36 ein Warnmodus zugeordnet. Wird, wie in Figur 6 dargestellt, die Hand des Bedieners im Ü- berwachungsbereich 36 erkannt, so wird in einem ersten Warnmodus von der Erkennungseinheit 24 eine Warnungsausgabe mittels der Ausgabeeinheit 64 ausgelöst. In diesem Warnmodus oder in einem weiteren Warnmodus erfolgt eine Warnung des Bedieners im Zusammenwirken mit der Werkzeugmaschinenantriebseinheit 14 mittels eines Ver- langsamens des Werkzeugantriebs, d.h. durch das Vermindern der Drehzahl bei der Rotation des Werkzeugs 12. Dem werkzeugnahen Überwachungsbereich 34 ist ein Aktorik- modus der Werkzeugmaschine 10 zugeordnet. Wird, wie in Figur 7 dargestellt, das Vorhandensein der Hand im werkzeugnahen Überwachungsbereich 34 erkannt, so wird mittels der Aktorikeinheit 62 unmittelbar eine Sicherheitsabschaltung der Werkzeugmaschi- nenantriebseinheit 14 ausgelöst.
Die Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung 22 kann mit Vorteil bei weiteren stationären Werkzeugmaschinen eingesetzt werden, wie z.B. bei Bandsägen, Kappsägen, Paneelsägen, Zugsägen Hobeln usw.

Claims

Ansprüche
1. Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung mit einer Erkennungseinheit (24) zur Erkennung einer Anwendungssituation (66, 80) bei einer Werkzeugmaschine (10), wobei die Erkennungseinheit (24) eine Positions- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung von menschlichem oder tierischem Gewebe ermöglicht, gekennzeichnet durch zumindest einen Ultrabreitband- Radarsensor (26, 28, 30).
2. Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Erkennungseinheit (24) ein Mittel (84) aufweist, das dazu vorgesehen ist, einem Bewegungsmerkmal eines überwachten Objekts zumindest eine Sicherheitsmaßnahme (82) zuzuordnen.
3. Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Bewegungsmerkmal eine Sicherheitsabschaltung der Werkzeugmaschine (10) zugeordnet ist.
4. Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennungseinheit (24) ein Mittel (84) aufweist, das dazu vorgesehen ist, ein Bewegungsmerkmal eines überwachten Objekts einzustufen.
5. Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Ultrabreitband- Radarsensor (26, 28, 30) es ermöglicht, zur Detektion des menschlichen oder tierischen Gewebes eine Mehrzahl von diskreten, in der Frequenz gegeneinander verschobenen Frequenzen f , abzustrahlen.
6. Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Antennenarray (42, 44).
7. Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Antennenarray (42, 44) als phasenvariables Antennenarray ausgebildet ist.
8. Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Antennenarray (42, 44) zumindest eine Ultrabreitband- Radar-Antenne (32) aufweist.
9. Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennungseinheit (24) zumindest zwei Überwachungsbereiche (34, 36, 38) zum Überwachen eines Anwendungsprozesses der Werkzeugmaschine (10) festlegt.
10. Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennungseinheit (24) relativ zu einem Werkzeug (12) einen werkzeugnahen Überwachungsbereich (34) und einen werkzeugfernen Überwachungsbereich (38) festlegt und in zumindest einem Überwachungsmodus eine Geschwindigkeitsbestimmung eines sich im werkzeugfernen Überwachungsbereich (38) bewegenden Objekts erfolgt.
11. Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass den Überwachungsbereichen (36, 38) jeweils ein unterschiedlicher Betriebsmodus der Werkzeugmaschine (10) zugeordnet ist.
12. Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem der Überwachungsbereiche (36) ein Warnmodus der Werkzeugmaschine (10) zugeordnet ist.
13. Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennungseinheit (24) - im Zusammenwirken mit einer Werkzeugmaschinenantriebseinheit (14) zum Antreiben eines Werkzeugs (12) - zum Verlangsamen eines Werkzeugantriebs im Warnmodus vorgesehen ist.
14. Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem der Überwachungsbereiche (34) ein Beseitigen eines angetriebenen Werkzeugs (12) aus dem Überwachungsbereich (34) zugeordnet ist.
15. Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem der Überwachungsbereiche (34) eine Sicherheitsabschaltung der Werkzeugmaschine (10) zugeordnet ist.
16. Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennungseinheit (24) es ermöglicht, eine Unterscheidung von menschlichem oder tierischem Gewebe einerseits und Holz oder Metall oder Kunststoffen andererseits zu treffen.
17. Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennungseinheit (24) eine Recheneinheit (56) umfasst, die dazu vorgesehen ist, die Anwendungssituation (66, 80) durch eine auf einer unscharfen und/oder neuronalen Logik basierende Auswertung von Kenngrößen zu erkennen.
18. Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennungseinheit (24) eine Da- tenbank (60) aufweist, in welcher einem Satz von Kenngrößen eine Anwendungssituation (66, 80) zugeordnet ist.
19. Werkzeugmaschine mit einer Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
20. Ultrabreitband- Radar-Sensor zur Erkennung einer Anwendungssituation bei einer Werkzeugmaschine nach Anspruch 19.
21. Verfahren zur Erkennung einer Anwendungssituation (66,80) bei einem Anwen- dungsprozess einer Werkzeugmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass zur
Erkennung der Anwendungssituation (66, 80) wenigstens eine Kenngröße aus der Detektion von menschlichem oder tierischem Gewebe erfasst wird.
22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion des menschlichen oder tierischen Gewebes zumindest ein Ultrabreitband-Radar-Sensor genutzt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion des menschlichen oder tierischen Gewebes ein gestuftes Frequenz Messverfah- ren genutzt wird.
24. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das gestufte Frequenz Messverfahren eine Mehrzahl diskreter Frequenzen nutzt.
25. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion des menschlichen oder tierischen Gewebes eine Pseudo-Noise Codierung des Sendesignals genutzt wird.
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