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Die Erfindung betrifft ein Sicherheitslichtgitter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Sicherheitsgerichtete optoelektronische Sensoren unterliegen hohen Anforderungen bezüglich einer geforderten Zuverlässigkeit gemäß verschiedener Normen, wie beispielsweise der Norm „Sicherheit von Maschinen - Berührungslose Schutzeinrichtungen (BWS)“, EN/IEC 61496 oder der europäischen Norm „Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer, elektronischer, programmierbarer elektronischer Systeme“, EN 61508. Die optoelektronischen Sensoren werden in Sicherheitskategorien unterteilt, die in der Norm „Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen“ EN 954 oder deren Nachfolgenorm EN 13849 festgelegt sind.
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Genormte Sicherheitslevel sind notwendig, da derartige Sensoren als Schutzmaßnahmen an Gefahr bringenden Maschinen, wie Pressen, Stanzwerkzeugen, Robotern u.ä. eingesetzt werden und somit Leben und Gesundheit von Bedienungspersonal von der Funktionstüchtigkeit der Sensoren abhängt, damit die Sensoren im Gefahrenfall ein sicherheitsgerichtetes Schaltsignal abgeben können.
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Derartige optoelektronische Sensoren werden beispielsweise am Rand eines Gefahrenbereiches einer Werkzeugmaschine eingesetzt, um gegebenenfalls das Betreten dieses Gefahrenbereiches zu detektieren und ein optisches oder akustisches Warnsignal bzw. ein Abschaltsignal für die Werkzeugmaschine auszulösen.
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Optische Sicherheitssensoren müssen eine Reihe von Selbsttestmöglichkeiten ihrer Messkette enthalten, um ihre Funktionsfähigkeit nachzuweisen und um gemäß einer Sicherheitsnorm eine bestimmte Sicherheitskategorie bzw. einen bestimmten Sicherheitslevel zu erreichen.
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Je nach gewünschter Kategorie muss die Testung unterschiedlich tiefgehen. Beispielsweise muss gemäß DIN EN 61496 ein Verlust der Detektionsfähigkeit in der Ansprechzeit und eine Einschränkung der Detektionsfähigkeit in vier Sekunden erkannt werden.
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Heutige Sicherheitslichtgitter sind mit Sendern und Empfängern in getrennten Gehäusen ausgelegt. Als Detektionsprinzip dient die Unterbrechung des Lichtweges zwischen Sender und Empfänger.
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Heutige sichere Lichtgitter und Lichtschranken mit gegenüberliegenden Sendern und Empfängern sind nach dem Ruhestromprinzip aufgebaut. Hierbei wird das Lichtsignal auf direktem Weg vom Sender zum Empfänger gesendet und durchläuft dabei eine komplette Messkette. Detektiert wird eine Unterbrechung dieses direkten Lichtwegs. Veränderungen des Empfangssignals, z. B. durch Frontscheibenverschmutzung, Senderdegradation, etc. zeigen sich dabei direkt in der Amplitudenhöhe des Empfangssignals und können direkt detektiert werden.
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Da die sicherheitstechnische Entscheidung anhand einer Amplitudenschwelle erfolgt, kann jede kritische Verschlechterung im Messpfad erkannt und entsprechend ein Warn- oder Stoppsignal ausgegeben werden.
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Die im Lichtgitter nach dem Stand der Technik verwendete Art der Selbsttestung nach dem Ruhestromprinzip ist bei freitastenden Lichtgittern/Lichttastern nicht anwendbar, da die direkte Gegenseite fehlt.
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Bei freitastenden Systemen ist die Amplitude des Empfangssignals im Messkanal vor allem vom Abstand und der Remission des Targets abhängig, bzw. fehlt vollständig wenn der Sensor ins „Unendliche“ schaut.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein tastendes Lichtgitter bzw. Sicherheitslichtgitter bereitzustellen, welches umfassende Möglichkeiten zur Selbsttestung aufweist, um eine möglichst hohe Sicherheitskategorie zu erhalten. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Lichtgitter und ein Verfahren bereitzustellen, das zum einen eine einfache Schutzbereichsüberwachung erlaubt und zum anderen eine geometrische Erkennung der eindringenden Objekte ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch ein Sicherheitslichtgitter zur Überwachung eines Schutzbereiches mit wenigstens zwei Sende-/Empfangsleisten mit wenigstens einem Lichtsender und mit wenigstens einem Lichtempfänger, wobei die Sende-/Empfangsleisten einander gegenüberliegend angeordnet sind, und zwischen diesen durch die Lichtstrahlen der Lichtsender ein Schutzfeld gebildet ist, wobei jeweils wenigstens ein Lichtsender der einen Sende-/Empfangsleiste und wenigstens ein Lichtempfänger der anderen Sende-/Empfangsleiste ein Sende-/Empfangspaar bilden, mit Mitteln zur Synchronisation der Sende-/Empfangsleisten und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit, wobei wenigstens einer der Lichtsender einer der Sende-/Empfangsleiste mit wenigstens einem der Lichtempfänger derselben Sende-/Empfangsleiste einen Lichttaster bildet, wobei der Lichttaster als Lichtlaufzeittaster ausgebildet ist, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit ausgebildet ist, die Lichtlaufzeit empfangener Lichtsignale oder Lichtimpulse des Lichtempfängers auszuwerten, wobei der Lichtempfänger mindestens eine Einzelphotonenlawinendiode aufweist, wobei der Abstand der gegenüberliegenden Sende-/Empfangsleiste eingelernt und abgespeichert ist, und der gespeicherte Wert zyklisch mit aktuell erfassten Werten verglichen wird und wobei eine wechselseitige optische Kommunikation zwischen beiden Sende-/Empfangsleisten vorhanden ist.
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Durch die Verwendung von pulsförmigen Lichtsignalen kann die vom Aussenden der Lichtsignale bis zum Empfangen der Lichtsignale verstrichene Lichtlaufzeit ermittelt werden, die repräsentativ für den Abstand zu dem Objekt ist.
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Die Erfindung verbindet die Vorteile des klassischen Sicherheitslichtgitters mit den Vorteilen tastender Systeme. Durch die Doppelanordnung von zwei tastenden Sende-/Empfangsleisten wird neben der klassischen Absicherungsfunktion, die sowohl mit beiden tastenden Sende-/Empfangsleisten separat als auch durch eine Sender-Empfänger-Paarung gegenüberliegender Sende-/Empfangsleisten realisiert werden kann, zusätzlich eine hochwertige Messfunktion implementiert. Ein durchtretendes Objekt wird innerhalb der Schutzebene beidseitig vermessen. Bei geneigter Anordnung der Messebene gegenüber der Durchtrittsrichtung kann zudem die 3D-Kontur aus einer Folge von Messungen rekonstruiert werden.
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Die Doppelanordnung erlaubt die Realisierung der Absicherungsfunktion auf Basis des Ruhestromprinzips und ermöglicht die wechselseitige Testung aller Sensorkomponenten. Dadurch lassen sich hohe Sicherheitsniveaus, wie sie für viele Sicherheitslichtgitteranwendungen erforderlich sind, erreichen.
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Erfindungsgemäß werden zwei vorzugsweise identisch tastende Sende-/Empfangsleisten verwendet, die jedoch auch einzeln genutzt werden können. Diese tastenden Sende-/Empfangsleisten werden - vergleichbar mit klassischen Sicherheitslichtgittern - gegenüberliegend angebracht und aufeinander ausgerichtet, so dass die einzelnen TOF-Elemente (z.B. SPAD-Sensoren mit integriertem Sender und Empfänger oder TOF-Imager) paarweise so orientiert sind, dass sie im Sende- und Empfangsbereich des jeweils anderen liegen ( ).
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Auf diese Art kann beidseitig eine Abstandsmessung mit jedem TOF-Element durchgeführt werden. Dieser Abstandswert kann mit einem konfigurierten Wert verglichen werden, um die Anordnung gegenüber Manipulation zu schützen. Zudem kann bei Durchtritt eines Objekts durch die Mess-/Schutzebene die Vermessung des Objekts stattfinden. Und zusätzlich können Schutzfelder definiert werden, deren Unverletztheit unabhängig überwacht wird. Die Doppelanordnung bringt zudem den Vorteil, dass Objekte lokalisiert und verfolgt werden können, ohne nachteilige Verdeckungsbereiche zu haben.
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Weiter kann eine wechselseitige optische Kommunikation zwischen beiden Sende-/Empfangsleisten aufgebaut werden. Diese kann zur Datenübertragung, Vermeidung von Fremdsenderstörung oder Plausibilisierungstests verwendet werden. Eine kabelgebundene Verbindung der beiden Sende-/Empfangsleisten ist damit nicht mehr notwendig. Die Kommunikation kann auch für die Realisierung einer Ausrichthilfe verwendet werden.
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Weiter kann eine Absicherungsfunktion identisch zu klassischen Sicherheitslichtgittern realisiert werden, bei der jeweils gegenüberliegende Sender-Empfänger-Paare einen Strahl definieren, dessen Unterbrechungsfreiheit überwacht wird. Neben den hohen Sicherheitsniveaus, die eine solche Anordnung erlaubt, kann damit auch eine Reichweite realisiert werden, die deutlich größer ist, als bei einseitigen tastenden Sicherheitslichtgittern. In Kombination mit der Abstandsmessfunktion kann so der Fehlerfall „Objekt zu dunkel für eine tastende Messung“ aufgedeckt und sicherheitstechnisch beherrscht werden.
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Einzelphotonenlawinendioden werden auch synonym als ,Single Photon Avalanche Diode' kurz SPAD bezeichnet. Andere gängige Bezeichnungen sind Silicon Photomultiplier' (SiPM), Geigermode Avalanche Photon Diode' oder ,Single Photon Counting Diode'. Einzelphotonenlawinendioden sind in Standard CMOS-Technologie realisierbare photoempfindliche Detektoren, die ähnlich wie Avalanche Photo Dioden einfallende Photonen in Strompulse konvertieren. Im Gegensatz zu Avalanche Photo Dioden werden Einzelphotonenlawinendioden jedoch über einer Durchbruchspannung betrieben. Damit löst bereits ein einzelnes einfallendes Photon einen Lawineneffekt aus, der als Strompuls detektiert werden kann. Verstärkungsfaktoren von 105 bis 106 ermöglichen eine hohe Sensitivität und damit die Detektion bereits einzelner Photonen.
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Zur Entfernungsmessung sind verschiedene Lichtlaufzeitverfahren mit einer entsprechenden Auswertung implementierbar.
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Es kann ein Pulsverfahren vorgesehen sein. Beispielsweise sind ein oder mehrere Zeit-zu-Digital-Konverter (time-to-digital-converter) für das Pulsverfahren vorgesehen, indem jedes Einzelphotonenereignis mit einem Zeitstempel versehen wird. Bei einem Nutzsignal treten daher mehrere Zeitstempel korreliert auf. Die Messwertgenerierung erfolgt statistisch. Hintergrundlicht erzeugt hingegen zufällig verteilte Zeitstempel.
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Hierbei handelt es sich um eine Sende-/Empfangsleiste bzw. ein Sicherheitslichtgitter nach dem Lichtlaufzeitprinzip mit mindestens einem Lichtsender, der aufeinanderfolgende Lichtimpulse in einen Messbereich aussendet und mit mindestens einem Lichtempfänger, welcher die aus dem Messbereich zurückgeworfenen Lichtimpulse aufnimmt und in Form von elektrischen Empfangssignalen einer Steuer- und Auswerteeinheit zuführt, die unter Berücksichtigung der Lichtgeschwindigkeit aus der Zeit zwischen Aussendung und Empfang des Lichtimpulses ein für den Abstand von Objekten zum Sicherheitslichtgitter repräsentatives Abstandssignal ermittelt, wobei der Lichtempfänger mindestens eine Einzelphotonenlawinendiode aufweist.
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Weiter können auch bekannte Phasenmessverfahren eingesetzt werden, bei denen ein moduliertes Lichtsignal verwendet wird. Bei diesen Verfahren werden beispielsweise über ein Gating-Signal die Einzelphotonenevents in zwei Zähler verteilt und aus dem Verhältnis der Zählerstände eine Phase berechnet.
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Weiter können analoge Signale der Einzelphotonendiode ausgewertet werden. Diese werden mit einem Schwellwert verglichen, werden gesampelt oder werden mit statistischen Methoden ausgewertet.
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Bei der Auswertung nach dem Lichtlaufzeitverfahren kann zusätzlich zum Abstandswert auch ein Amplitudenwert generiert werden, z. B. durch ein Histogramm der Zeitstempel, durch die Zählrate oder durch die Spannungsamplitude bei einer analogen Auswertung. Durch den Amplitudenwert kann eine Plausibilitätsprüfung, insbesondere bei sicherheitstechnischen Anwendungen durchgeführt werden.
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Das erfindungsgemäße Sicherheitslichtgitter hat den Vorteil, dass dieses kompakt ausgestaltet ist und in einem kleinen Gehäuse untergebracht werden kann.
Die Verwendung von Einzelphotonenlawinendioden bietet folgende Vorteile: Einzelphotonenlawinendioden sind in einem Standard CMOS Prozess herstellbar. Damit ist das Sicherheitslichtgitter hoch integrierbar, z. B. unter Verwendung von ASIC Bausteinen. Der Lichtsender, beispielsweise ein VSCEL, eine Laserdiode oder eine Leuchtdiode und die Steuer- und Auswerteeinheit bzw. eine getrennte Lichtsenderansteuerung sind ebenfalls auf dem Chip integrierbar.
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Das Sicherheitslichtgitter ist kostengünstiger als bisher in der Sicherheitstechnik übliche Sicherheitslichtgitter mit photoempfindlichen Empfängern. Durch Mehrfachanordnung von Lichttastern, bestehend aus mindestens einem Lichtsender und mindestens einem Lichtempfänger, sind sehr kompakte Systeme möglich. Durch die Verwendung von Einzelphotonenlawinendioden ist eine hohe Empfindlichkeit bis zu einzelnen Photonen gegeben. Dadurch kann eine optionale Optik sehr kompakt ausgeführt werden.
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Dringt ein Objekt in den Schutzbereich ein, so dass zumindest einer der ausgesendeten Lichtstrahlen unterbrochen und reflektiert bzw. remittiert wird, wird die Lichtlaufzeit des entsprechenden Lichtsignals ermittelt, so dass eine Objektkontur erfasst wird, die je nach Anwendung zu einer gewünschten Folgeaktion führt. Dies kann beispielsweise die Ausgabe eines Sicherheitsschaltsignals zum Stillsetzen einer zu überwachenden Maschine, zum Abgeben eines Alarmsignals, eine Messwertausgabe oder auch eine Messwertspeicherung sein.
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Durch das erfindungsgemäße Sicherheitslichtgitter lassen sich zunächst einfach und über große Reichweiten Objekteingriffe erkennen. Tritt ein Objekt in das Schutzfeld zwischen die Sende-/Empfangsleisten ein, so detektiert wenigstens ein Sende-/Empfangspaar eine Lichtstrahlunterbrechung, wodurch ein Objektfeststellungssignal generiert wird und infolgedessen gegebenenfalls ein Sicherheitsschaltsignal. Eine solche Lichtstrahlunterbrechung kann einfach ausgewertet und detektiert werden. Dadurch ist eine kurze Ansprechzeit des Sicherheitslichtgitters gewährleistet. Auch für große Reichweiten ist eine Lichtstrahlunterbrechung einfach zu detektieren.
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Zur Erkennung von Objekten verschiedener Größen werden die Sende-/Empfangspaare in gleichmäßigen Abständen zueinander angeordnet. Mittels der Anzahl unterbrochener, benachbarter Lichtstrahlen und des Abstandes der Lichtstrahlen zueinander kann eine Objekthöhe bestimmt werden.
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Zusätzlich ist es durch die erfindungsgemäß gebildeten Lichttaster mit dem Sicherheitslichtgitter auch möglich, genaue Angaben zu einer Objektkontur zu erhalten, die durch eine einfache Strahlunterbrechung nicht erfasst werden könnte. Durch die Lichttaster kann ein Objekt jetzt aber vermessen werden oder aufgrund der erfassten Objektkontur das Objekt als zulässiges oder unzulässiges Objekt eingestuft werden und abhängig von diesem Ergebnis ein Objektfeststellungssignal bzw. Sicherheitsschaltsignal generiert werden. Mit dem erfindungsgemäßen Sicherheitslichtgitter ist es somit möglich, nicht nur die Objekthöhe sondern auch die seitliche Kontur des Objektes zu bestimmen, während das Objekt das Schutzfeld passiert.
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Wird ein Objekt beispielsweise auf einem Förderband durch das Sicherheitslichtgitter transportiert, so kann zum einen durch das Unterbrechen der einzelnen Sende-/Empfangspaare ein Höhenprofil des Objektes ermittelt und abgespeichert werden und zum anderen durch die gebildeten Lichttaster gleichzeitig auch die Abstandskonturdaten einer der jeweiligen Sende-/Empfangsleiste zugewandten Seite des Objektes erfasst und abgespeichert werden. Durch das erfindungsgemäße Sicherheitslichtgitter kann somit gleichzeitig ein Höhenprofil und eine seitliche Abstandskontur erfasst werden und zur Beurteilung des Objektes verwendet werden.
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Bei bestimmten Anwendungen ist es vorgesehen, dass vordefinierte, zulässige Objekte den Schutzbereich passieren können, ohne dass ein Sicherheitsschaltsignal erzeugt wird. So wird beispielsweise bei einem Durchqueren des Schutzbereichs von zulässigen Objekten, beispielsweise mittels eines Förderbandes, kein Sicherheitsschaltsignal ausgelöst, während beim Fördern eines unzulässigen Objektes, beispielsweise einer Person, durch den Schutzbereich - auch wenn die Person sich seitlich des zulässigen Objekts befindet und dieses nicht überragt - ein entsprechendes Sicherheitsschaltsignal ausgelöst wird.
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Die Gegenüberstellung zweier tastender Sende-/Empfängerleisten ermöglicht es sehr zuverlässig Fehlerfälle aufzudecken und sicherheitsgerichtet zu reagieren. Dadurch kann eine Sicherheitsfunktion ein höheres Sicherheitsniveau erreichen, als es mit einem Einzelsystem der Fall wäre. Weiter kann die Detektionsfähigkeit erweitert werden. Ein sehr dunkles Objekt mit einer Remission unterhalb einer Detektionsschwelle kann mit dem vorliegenden Doppelsystem aufgrund der fehlenden Lichtimpulse der gegenüberliegenden Sende-/Empfangsleiste detektiert werden.
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In Weiterbildung der Erfindung wird der Abstand der gegenüberliegenden Leiste eingelernt und abgespeichert, und der gespeicherte Wert zyklisch mit aktuell erfassten Werte verglichen.
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Durch das Einlernen und Abspeichern des Abstandes kann eine Veränderung des Abstandes erkannt werden.
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Der Abstand bzw. der Abstandsmesswert wird beispielsweise beidseitig, also redundant, bei der Inbetriebnahme ermittelt und im Betrieb zyklisch oder laufend überwacht. Werden kleinere Abstände im Betrieb gemessen, so befindet sich ein Objekt im Schutzbereich. Es liegt somit kein Fehlerfall vor.
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Werden allerdings größere Abstände als der eingelernte Abstand einseitig oder beidseitig gemessen, so liegt beispielsweise einer der folgenden Fehlerfälle vor: Erstens eine Manipulation durch Verdrehen eines oder beider Sende-/Empfangsleisten. Zweitens eine Umspiegelung oder eine Einbringung eines spiegelnden Objektes. Drittens eine systematische Drift eines Messwertes einer Sende-/Empfangsleiste.
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Weiter können die Abstandsmesswerte der gegenüberliegenden Sende-/Empfangsleisten überprüft werden. Der Vergleich gegenüberliegender Kanäle kann neben der Konsistenzprüfung im Betrieb auch zur Verifizierung und Unterstützung der Ausrichtung verwendet werden. Da ein tastendes Sicherheitslichtgitter aus energetischen Gründen stärker kollimiertes Licht verwenden muss als ein herkömmliches Sicherheitslichtgitter, wird die Ausrichtung schwieriger und eine Unterstützung mit Hilfe der Messdaten ist wünschenswert. In jedem Fall muss der Messwert gegenüberliegender Messkanäle der Sende-/Empfangsleisten innerhalb eines engen Toleranzbereichs übereinstimmen, ansonsten liegen die Messstrahlen nicht aufeinander und die Sende-/Empfangsleisten sind nicht ausreichend aufeinander ausgerichtet.
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Zusammenfassend kann durch die Gegenüberstellung zweier tastender Sende-/Empfangsleisten zur Bildung eines Sicherheitslichtgitters und paarweisen Ausrichtung der einzelnen Messkanäle die Anwesenheit des gegenüberliegenden Signals geprüft werden. Die Messwerte überlappender Strahlen gegeneinander und mit eingelernten Referenzwerten kann verglichen werden. Die Signalstärken gegenüberliegender Strahlen gegeneinander und mit eingelernten Referenzwerten kann verglichen werden. Auch das Ausbleiben von Störsendern ist auf diese Art möglich, da deren Signalenergie aufgrund des größeren Abstandes nicht mit einer Erwartungshaltung übereinstimmt.
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In Weiterbildung der Erfindung ist ein weiterer Lichtempfänger als Referenzlichtempfänger als zweiter Empfangskanal zur sicherheitsgerichteten Selbsttestung vorgesehen.
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Eine Bewertung der Signalstärke und der Vergleich mit einem eingelernten Referenzwert erlaubt die Bewertung einer Empfängerempfindlichkeit. Ein Vergleich mit dem gegenüberliegenden Empfangssignal erlaubt die Bewertung einer Verschmutzung.
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Ursache für diesen Signalausfall kann auch ein Objekt mit Remission unterhalb einer Detektionsschwelle sein. In diesem Fall reicht einseitig oder auch beidseitig der Signalpegel nicht für eine Detektion aus. Das Ausbleiben des gegenüberliegenden Sendesignals führt aber in diesem Fall dennoch zur Abschaltung und erlaubt damit die Detektion sehr dunkler Objekte, die mit einer einzigen Sende-/Empfangsleiste nicht detektierbar wären.
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Der Referenzlichtempfänger ist dabei bevorzugt ein bereits vorhandener Lichtempfänger des Sicherheitslichtgitters.
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Der Referenzlichtempfänger ermöglicht beispielsweise folgende Selbsttestungen.
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Es kann das genaue Zeitverhalten bzw. Timing des Lichtsenders überwacht werden und eventuell auftretende Offsets können korrigiert werden, z. B. bei Temperatureinflüssen .
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Es kann in den Phasen, in denen kein Licht ausgesendet wird, an dem Referenzlichtempfänger der Fremdlichtpegel gemessen werden. Das entsprechende Messsignal kann mit dem Signal des Lichtempfängers verglichen werden, wodurch die Sensitivität des Lichtempfängers verifiziert werden und mit optionaler anderer Skalierung zur Überprüfung des nötigen Signal-Rausch Abstandes im eigentlichen Messkanal herangezogen werden kann.
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Zusätzliche Messwerte, welche auf dem Lichtempfänger und dem Referenzlichtempfänger erzeugt werden, erlauben eine sicherheitstechnische Bewertung der Funktionstüchtigkeit.
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Eine direkte Messung des Fremdlichtpegels auf dem Lichtempfänger und ggf. auf dem Referenzlichtempfänger ermöglichen eine gute Bestimmung des Signal-Rausch-Verhältnisses und eine sicherheitsgerichtete Empfindlichkeit des Systems.
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In Weiterbildung der Erfindung ist ein weiterer Lichtsender als Referenzlichtsender zur sicherheitsgerichteten Selbsttestung vorgesehen.
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Hierdurch kann ein Ausfall oder ein Signalverlust eines oder mehrerer Messkanäle festgestellt werden. Wenn ein Signal eines gegenüberliegenden Lichtsenders erfasst wird, aber nicht der Lichtimpuls eines Lichtsenders der gleichen Seite, dann ist von einem Ausfall des Lichtsenders auszugehen oder von einer lokalen Verschmutzung.
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Hierdurch kann eine Testung des Empfangskanals auf das Zeitverhalten bzw. Timing sowie signalhöhenabhängige Effekte durchgeführt werden.
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Zur Testung des Lichtempfängers können optische Testpulse mit unterschiedlichen zeitlichen Verläufen und Amplituden verwendet und über ein steuerbares Delay relativ zum Startzeitpunkt der Messung eine Lichtlaufzeit imitiert werden.
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Insbesondere Übersteuerungsmessungen lassen sich auf diese Art leicht durchführen. Über eine programmierbare variable Verzögerung vor dem Lichtsender lässt sich das Zeitverhalten, also das Timing der Entfernungsmesskette, testen.
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Über eine einstellbare Signalhöhe des Lichtsenders lässt sich die Dynamik des Lichtempfängers testen.
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Damit ermöglicht der Referenzlichtsender beispielsweise folgende Testungen:
- Erstens kann eine Linearität und eine Integrität der Empfangssignale des Lichtempfängers für verschiedene Verzögerungen bzw. Lichtlaufzeiten gewährleistet werden. Damit kann indirekt die Abstandsmessung überprüft werden.
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Zweitens kann durch Messung der Signalhöhe mit unterschiedlichen Referenzamplituden des Referenzsenders die Dynamik und die Sensitivität des Lichtempfängers überprüft werden. Die Messungen können auch zur Kompensation von Alterungseffekten oder Degradation oder zur Kompensation von Temperatureffekten verwendet werden.
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Drittens können z. B. bei Bedarf Übersteuerungsmessungen durchgeführt werden.
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In Weiterbildung der Erfindung weist der Lichtempfänger mindestens ein Array bestehend aus Einzelphotonenlawinendioden auf.
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Damit der Lichtempfänger mit der mindestens einen Einzelphotonenlawinendiode nicht bereits durch einzelne Photonen gesättigt wird, z. B. durch Fremdlicht, werden viele Einzelphotonenlawinendioden angeordnet und zusammen ausgewertet. Prinzipiell können hier die Analogsignale der Einzelphotonenlawinendioden-Pixel bzw. Einzelphotonenlawinendioden-Elemente addiert werden. Es ist auch möglich, die Lawinen jeder Einzelphotonenlawinendiode beispielsweise über einen Komparator oder über einen Analog-Digital-Wandler zu digitalisieren und digital auszuwerten. Jedoch können die Lawinensignale auch direkt digital weiterverarbeitet werden, falls das Signal bereits ausreichend hoch ist.
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Um die Möglichkeit eines größeren Winkelbereichs durch das Sicherheitslichtgitter abzudecken und dennoch die nötige räumliche Auflösung zur Detektion z. B. eines Beines zu erhalten, kann das Einzelphotonenlawinendioden-Array in sogenannte Makropixel aufgeteilt werden. Hierbei sind mehrere räumlich benachbarte Einzelphotonenlawinendioden-Zellen einer gemeinsamen Auswertung zugehörig und werten über eine entsprechende Optik das empfangene Licht aus einem bestimmten Winkelbereich aus. Die Anordnung kann dabei linear oder flächig erfolgen.
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Die Dynamik und/oder das Fremdlichtverhalten ist über die verschiedenen Einzelphotonenlawinendioden bzw. Einzelphotonenlawinendioden-Arrays skalierbar.
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Der Signalpegel kann bei Einzelphotonenlawinendioden-Arrays entweder direkt über die Zählraten der Photonen bestimmt werden, falls die Signale direkt auf Pixelebene digitalisiert werden, oder über die Messung der Amplitude des Summenstroms aller Pixel. Im Überwachungszustand werden beide Werte kontinuierlich gemessen und mit dem eingelernten Sollwert verglichen. Treten bei einem der beiden Werte Abweichungen auf, wird diese Abweichung über den zweiten Messwert plausibilisiert und gegebenenfalls als Eingriff detektiert.
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Interessant für einen Sicherheitssensor ist die Möglichkeit einer Hintergrundlichtmessung im Einzelphotonenlawinendioden-Array. Das Fremdlicht ist bei einer Einzelphotonenlawinendiode über das ,Shot-Noise' eine dominierende Rauschquelle. Das thermische Rauschen ist gegenüber klassischen Photodioden-Empfängern deutlich kleiner, da der im klassischen Empfangspfad übliche Transimpedanzwandler, der eine Hauptquelle für thermisches Rauschen darstellt, nicht benötigt wird. Auf dem Einzelphotonenlawinendioden-Array lässt sich in den Sendepausen des Messsystems der Fremdlichtpegel über die Anzahl der einfallenden Fremdlichtphotonen auf dem Lichtempfänger bestimmen. Z. B. im Fall des angeführten Phasenmess-Verfahrens durch ein weiteres Gatingsignal, welches in den entsprechenden Sendepausen die Einzelphotonenevents in einem Zähler aufaddiert.
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Für eine sichere Detektion von Objekten in einem sicheren Sicherheitslichtgitter kann zuvor ein nötiges Signal-Rausch-Verhältnis definiert werden, bei welchem unter allen Umständen ein Objekt erkannt werden muss. Durch die Bestimmung des Fremdlichtpegels während des Messzyklus' kann überwacht werden, ob der Rauschpegel im Vergleich zu einem erwarteten Signal vom eingreifenden Objekt zu groß wird und entsprechend sicherheitsgerichtet abgeschaltet werden muss.
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Vorzugsweise ist der Lichtsender und/oder Lichtempfänger sowohl Teil des Sende-/Empfangspaares als auch Teil des Lichttasters. Somit ist ein und derselbe Lichtsender bzw. Lichtempfänger notwendig, um sowohl ein Sende-/Empfangspaar als auch einen Lichttaster zu bilden. Nach Unterbrechung des Lichtstrahles durch ein Objekt wird der durch das Objekt remittierte Lichtstrahl auf ein zugehöriges Empfangselement der gleichen Sende-/Empfangsleiste wie des Lichtsenders gelenkt und ein Abstandssignal ermittelt.
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In Weiterbildung der Erfindung sind die Lichtsender und Lichtempfänger einzeln abwechselnd nacheinander in den Sende-/Empfangsleisten angeordnet. Vorzugsweise ist dabei eine Vielzahl von Lichtsendern und Lichtempfängern angeordnet. Dadurch ist eine gleichmäßige Auflösung des Sicherheitslichtgitters über die gesamte Schutzfeldlänge gewährleistet. Vorteilhaft liegen auch die Lichttaster dabei direkt benachbart nebeneinander gleichverteilt über die gesamte Schutzfeldlänge.
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Wird eine Leiste längs um 180° gedreht gegenüber der gegenüberliegenden Leiste montiert, so liegen sich die Lichtsender und Lichtempfänger zur Bildung der Sende-/Empfangspaare direkt gegenüber, wodurch ein homogenes Schutzfeld mit parallelen Lichtstrahlen entsteht. Die Sender und Empfänger zur Bildung des Lichttasters liegen auch hier direkt nebeneinander.
In Weiterbildung der Erfindung bilden jeweils benachbarte Lichtsender und Lichtempfänger einen Lichttaster. Dadurch ist ein besonders einfacher Aufbau des Sicherheitslichtgitters gewährleistet und die gebildeten Lichttaster sind als eine Einheit mit gleichmäßigen Abständen zueinander entlang einer Sende-/Empfangsleiste angeordnet. Durch diese Anordnung kann das Sicherheitslichtgitter modular für verschiedene Schutzfeldhöhen aufgebaut werden. Je nach Schutzfeldhöhe wird eine bestimmte Anzahl von jeweils benachbarten Lichtsendern und Lichtempfängern zur Bildung von Lichttastern angeordnet. Durch die benachbarte Anordnung der Lichttaster sind die gemessenen Abstandswerte auch unmittelbar einem jeweiligen Sende-/Empfangspaar zuordenbar, so dass bei einer Unterbrechung eines Lichtstrahls auch direkt ein zugehöriger Abstand des den Lichtstrahl unterbrechenden Objektes ermittelt wird.
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In einer weiteren Ausführungsform sind mehrere, nicht benachbarte Lichtsender gleichzeitig aktivierbar.
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Um eine niedrige Ansprechzeit zu erreichen, können mehrere Lichttaster oder mehrere Lichtschranken parallel betrieben werden, bevorzugt in einer Anordnung ohne Überlappung von Sendekeulen bzw. Empfangskeulen. Beispielsweise werden benachbarte Lichttaster oder Lichtschranken gleichzeitig aktiviert.
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Hierbei weisen unterschiedliche Lichtsender unterschiedliche Pulswiederholfrequenzen, Modulationsfrequenzen oder unterschiedliche Phasen auf.
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Dadurch können benachbarte Lichttaster parallel gleichzeitig aktiviert werden, ohne dass ein Übersprechen zwischen den Kanälen auftreten kann.
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In Weiterbildung der Erfindung sind die Sende-/Empfangsleisten identisch aufgebaut. Damit muss nur eine einzige Baugruppe, nämlich die Sende-/Empfangsleiste hergestellt werden, um ein Sicherheitslichtgitter, bestehend aus zwei solchen gegenüberliegenden Sende-/Empfangsleisten bereitzustellen. Zur Wartung des Sicherheitslichtgitters braucht auch nur eine einzige Sende-/Empfangsleiste bevorratet zu werden, um bei Ausfall oder Fehlfunktion einer Leiste eine funktionsfähige Ersatzleiste zur Hand zu haben.
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Auch elektrische Anschlüsse für beide Sende-/Empfangsleisten sind identisch ausgebildet. Hiermit vereinfacht sich eine Verbindungstechnik, da nur ein Typ von Steckverbindern vorgesehen werden muss. Die Sende-/Empfangsleisten können dadurch auch einfach angeschlossen werden, da nicht wie bei bisherigen Sicherheitslichtgittern, bestehend aus Sendeleiste und getrennter Empfangsleiste, unterschiedliche Anschlüsse für Sendeleiste und Empfangsleiste vorgesehen werden müssen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden charakteristische Konturen der zulässigen Objekte eingelernt, indem die Entfernungswerte, die sich beim Reflektieren der ausgesandten Lichtsignale an dem jeweiligen Objekt ergeben, eingelernt und in einem Speicher abgespeichert werden. Tritt ein Objekt in den Schutzbereich ein, so werden vor Erzeugen des Sicherheitsschaltsignals die gemessenen Entfernungswerte mit den abgespeicherten Entfernungswerten verglichen und es wird kein Sicherheitsschaltsignal erzeugt, falls die gemessenen Entfernungswerte mit den Entfernungswerten zulässiger Objekte innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs übereinstimmen.
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Je nach Form der zulässigen Objekte können dabei mehrere zulässige Entfernungswerte abgespeichert sein, die insbesondere bei der Verwendung von mehreren Lichttastern abhängig vom Auftreffort der Lichtstrahlen unterschiedlich sind. Tritt ein unzulässiges Objekt in den Schutzbereich ein oder ist ein zulässiges Objekt nicht korrekt positioniert, so stimmt die ermittelte Entfernung mit der zulässigen Entfernung nicht überein, so dass in diesem Fall ein Sicherheitsschaltsignal erzeugt wird.
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In Weiterbildung der Erfindung ist eine Referenzfläche vorgesehen, wobei die Lichtsignale bzw. Lichtimpulse des Lichtsenders auf die Referenzfläche treffen und die zurückgeworfenen Lichtsignale bzw. Lichtimpulse auf den Lichtempfänger treffen. Jedoch kann optional auch eine bereits vorhandene Kontur als Referenzfläche dienen.
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Die Schutzfelddimensionen bzw. Messbereichsdimensionen können auf zwei Arten definiert werden.
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Erstens können die Abstände und Signalamplituden gegenüber einer natürlichen Referenzfläche eingelernt werden. Hierbei misst das Sicherheitslichtgitter gegenüber diesen eingelernten Werten jede Abweichung, nämlich zu große oder zu kleine Abstände, oder zu große oder zu kleine Signalamplituden führen zu einer Schutzfeldverletzung und zu einem Objektfeststellungssignal.
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Eine sicherheitsgerichtete Testung des Sicherheitslichtgitters ist einfacher als im Stand der Technik, da beim Messwert mit zwei unterschiedlichen Erwartungswerten gearbeitet wird. Jegliche Abweichung durch eine Fehlmessung oder einen Umgebungseinfluss des Sicherheitslichtgitters, beispielsweise Alterung des Lichtsenders, Fremdlichteinfluss und/oder Verschmutzung führt zu einem abweichenden Messwert entweder bei der Überwachung der Amplitude oder des Abstandes.
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Zweitens können die Abstände für jeden Messkanal mit einer entsprechenden Software konfiguriert werden. Hierbei misst das Sicherheitslichtgitter freitastend in den Raum und jedes Unterschreiten des konfigurierten Abstandswertes führt zu einer Schutzfeldverletzung. Dabei lassen sich variable Schutzfeldgeometrien verwirklichen, welche auch durch Schutzfeldumschaltung, beispielsweise Muting oder Blanking z. B. in einem Taktbetrieb verändert werden können. Die sicherheitsgerichtete Sensortestung ist in diesem Fall schwieriger, da nicht von Erwartungswerten ausgegangen werden kann.
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Durch kurze Unterbrechungen des Messzyklus ist es möglich, mittels des Lichtempfängers auch einen Pegel durch Fremdlichteinstrahlung zu bestimmen. Dabei können bei der Messung des Signalpegels Schwankungen auf längere Zeitskalen, beispielsweise durch Temperaturänderungen oder durch Veränderungen des Umgebungslichts, kontinuierlich protokolliert und die Sollwerte entsprechend abgeglichen werden.
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In Weiterbildung der Erfindung bilden ein erster Lichtempfänger mit einem ersten Lichtsender einen ersten Lichttaster und der erste Lichtempfänger mit einem zweiten Lichtsender einen zweiten Lichttaster, wobei der erste Lichtsender und der zweite Lichtsender nacheinander aktivierbar sind.
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Bei Sicherheitslichtgittern nach dem Stand der Technik wird die geometrische Auflösung durch den Strahlabstand vorgegeben. Bei dem erfindungsgemäßen tastenden Sicherheitslichtgitter wird der Abstand der kollimierten Lichtsender zur Definition der geometrischen Auflösung verwendet.
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Um Kosten zu sparen kann bei dem tastenden Sicherheitslichtgitter ein einziger Lichtempfänger zeitlich seriell für die Auswertung von zwei oder mehreren ihm benachbarten Lichtsendern verwendet werden. Hierdurch lässt sich ein Teil der Lichtempfänger einsparen. Die Empfangskeule des Lichtempfängers deckt dabei beide Lichtsender ab.
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In einer weiteren Ausführungsform bilden ein erster Lichtempfänger mit einem ersten Lichtsender einen ersten Lichttaster und ein zweiter Lichtempfänger mit dem ersten Lichtsender einen zweiten Lichttaster.
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Dies bietet eine weitere Möglichkeit für eine höhere Detektionssicherheit in dem Sicherheitslichtgitter durch eine parallele Auswertung von zwei benachbarten Lichtempfängern, die von einem einzigen Lichtsender Lichtimpulse erhalten. Hierdurch kann eine Redundanz im gesamten Sicherheitslichtgitter erreicht werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist dem Lichtsender eine Sendeoptik, insbesondere eine Linse, vorgeordnet. Die Sendeoptik ist optional auf einem Chip oder in dem Chipgehäuse integriert, um eine kostengünstige und kompakte Lösung, insbesondere bei hohen Stückzahlen, zu erreichen.
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Durch eine hohe Integration und eine geringe Größe der Senderoptik ist das Sicherheitslichtgitter sehr kompakt.
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Durch unterschiedliche Sendeoptiken können verschiedene Überwachungswinkel und verschiedene Reichweiten realisiert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist dem Lichtempfänger eine Empfangsoptik, insbesondere eine Linse, vorgeordnet.
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Die Empfangsoptik ist optional auf einem Chip oder in dem Chipgehäuse integriert, um eine kostengünstige und kompakte Lösung, insbesondere bei hohen Stückzahlen, zu erreichen.
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Auch ein optischer Bandpassfilter kann direkt auf dem Chip oder dem Lichtempfänger angeordnet, insbesondere aufgedampft werden, um Hintergrundlicht abzuschwächen.
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Durch eine hohe Integration und eine geringe Größe der Empfängeroptik ist das Sicherheitslichtgitter sehr kompakt.
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Durch unterschiedliche Empfangsoptiken können verschiedene Überwachungswinkel und verschiedene Reichweiten realisiert werden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Steuer- und Auswerteeinheit zweikanalig ausgebildet.
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Durch die zweikanalige Steuer- und Auswerteeinheit kann das Sicherheitslichtgitter als eigenständiger Sicherheitssensor bzw. Sicherheitslichtgitter auch bei höheren Anforderungen an das zu erreichende Sicherheitsniveau verwendet werden.
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Dadurch ist das Sicherheitslichtgitter selbst in der Lage, eine Vielzahl von Selbsttests durchzuführen und seine eigene Funktionalität umfassend sicher zu stellen.
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Weiter können aber auch mehrere Lichttaster über einen gemeinsamen Bus kommunizieren und ein zentraler Sicherheitskontroller bzw. Safetycontroller wird verwendet, um die einzelnen Lichttaster zu konfigurieren, ihren Zustand abzufragen und gegebenenfalls geeignete Testsignale einzuspeisen, die empfangenen Signale auszuwerten und abzugleichen, Warnungen zu signalisieren und im Gefährdungsfall eine abzusichernde Maschine oder ein abzusicherndes selbstfahrendes Fahrzeug anzuhalten.
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Es kann beispielsweise ausreichen, wenn jeder einzelne Lichttaster auf dem gemeinsamen Bus lediglich meldet, wenn seine Messwerte zuvor eingelernte Schwellen verletzen bzw. überschreiten oder bei einer Selbstdiagnose ein Problem diagnostiziert hat.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Lichttaster ein integriertes Lichttastermodul.
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Durch die Verwendung eines CMOS-Prozesses ist es möglich, zusätzliche Komponenten wie die Steuer- und Auswerteeinheit, den Lasertreiber, die Spannungsversorgung und/oder eine Temperaturregellogik zusammen mit dem photoempfindlichen Empfänger auf einem Chip zu integrieren. Mit dieser Technologie lassen sich alle Komponenten der Messkette des Lichttasters in einem einzigen ASIC integrieren. Der ASIC ist in der Lage, eigenständig Entfernungswerte zu messen und das Endergebnis über einen geeigneten Bus an die zentrale Steuerung weiterzugeben.
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Mittels einer Hybridtechnologie lässt sich auch der Lichtsender, beispielsweise ein Laser, eine VCSEL oder eine Leuchtdiode mit auf dem integrierten Lichttastermodul, dem Chip integrieren. Auch der Referenzlichtempfänger und/oder der Referenzlichtsender können in dem integrierten Lichttastermodul vorgesehen werden.
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Als Basis für das Sicherheitslichtgitter dient ein modularer Aufbau. Das Sicherheitslichtgitter weist beispielsweise die Komponenten auf: Optikmodul mit Sendeoptik und Empfangsoptik, Messkern mit Lichtsender und Lichtempfänger und/oder Back-End mit Steuer- und Auswerteeinheit, I/O-Treibern, Businterface und/oder Sicherheitssteuerung.
Der Messkern besteht bevorzugt aus einem hochintegrierten CMOS-ASIC. Ein Aufbau aus diskreten Bauteilen ist jedoch ebenfalls möglich.
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Aufgrund der guten Richtcharakteristik von Licht lassen sich so durch entsprechende Optikmodule verschiedene Varianten des Sicherheitslichtgitters mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln und Reichweiten realisieren, welche auf verschiedene Anforderungen unterschiedlicher Anwendungen angepasst sind. Die Lichtstrahlen können durch optische Elemente kollimiert oder weiter aufgeweitet werden.
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Zur Einschränkung des Fremdlichteinfalls kann der Lichtempfänger mit einem Filterelement, beispielsweise mit einem Bandpassfilter versehen werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert.
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In der Zeichnung zeigt:
- 1 und 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sicherheitslichtgitters.
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1 zeigt ein Sicherheitslichtgitter 1 zur Überwachung eines Schutzbereiches mit wenigstens zwei Sende-/Empfangsleisten 3, 3' mit wenigstens einem Lichtsender S und mit wenigstens einem Lichtempfänger E, wobei die Sende-/Empfangsleisten 3, 3' einander gegenüberliegend angeordnet sind, und zwischen diesen durch die Lichtstrahlen 4 der Lichtsender S ein Schutzfeld 2 gebildet ist, wobei jeweils wenigstens ein Lichtsender S der einen Sende-/Empfangsleiste 3, 3' und wenigstens ein Lichtempfänger E der anderen Sende-/Empfangsleiste 3', 3 ein Sende-/Empfangspaar bilden, mit Mitteln zur Synchronisation der Sende-/Empfangsleisten 3, 3' und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit, wobei gemäß 2 wenigstens einer der Lichtsender S einer der Sende-/Empfangsleiste 3, 3' mit wenigstens einem der Lichtempfänger E derselben Sende-/Empfangsleiste 3, 3' einen Lichttaster bildet, wobei der Lichttaster als Lichtlaufzeittaster ausgebildet ist, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit ausgebildet ist, die Lichtlaufzeit empfangener Lichtsignale oder Lichtimpulse des Lichtempfängers E auszuwerten, wobei der Lichtempfänger E mindestens eine Einzelphotonenlawinendiode aufweist.
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Durch die Verwendung von pulsförmigen Lichtsignalen kann die vom Aussenden der Lichtsignale bis zum Empfangen der Lichtsignale verstrichene Lichtlaufzeit ermittelt werden, die repräsentativ für den Abstand zu dem Objekt ist.
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Durch die Doppelanordnung von zwei tastenden Sende-/Empfangsleisten 3, 3' wird neben der klassischen Absicherungsfunktion, die sowohl mit beiden tastenden Sende-/Empfangsleisten 3, 3' separat als auch durch eine Sender-Empfänger-Paarung gegenüberliegender Sende-/Empfangsleisten 3, 3' realisiert werden kann, zusätzlich eine hochwertige Messfunktion implementiert. Ein durchtretendes Objekt wird innerhalb der Schutzebene beidseitig vermessen. Bei geneigter Anordnung der Messebene gegenüber der Durchtrittsrichtung kann zudem die 3D-Kontur aus einer Folge von Messungen rekonstruiert werden.
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Gemäß 1 werden zwei vorzugsweise identisch tastende Sende-/Empfangsleisten 3, 3' verwendet, die jedoch auch einzeln genutzt werden können. Diese tastenden Sende-/Empfangsleisten 3, 3' werden - vergleichbar mit klassischen Sicherheitslichtgittern - gegenüberliegend angebracht und aufeinander ausgerichtet, so dass die einzelnen TOF-Elemente (z.B. SPAD-Sensoren mit integriertem Sender und Empfänger oder TOF-Imager) paarweise so orientiert sind, dass sie im Sende- und Empfangsbereich des jeweils anderen liegen.
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Auf diese Art kann beidseitig eine Abstandsmessung mit jedem TOF-Element durchgeführt werden. Dieser Abstandswert kann mit einem konfigurierten Wert verglichen werden, um die Anordnung gegenüber Manipulation zu schützen. Zudem kann bei Durchtritt eines Objekts durch die Mess-/Schutzebene die Vermessung des Objekts stattfinden. Und zusätzlich können Schutzfelder 2 definiert werden, deren Unverletztheit unabhängig überwacht wird. Die Doppelanordnung bringt zudem den Vorteil, dass Objekte lokalisiert und verfolgt werden können, ohne nachteilige Verdeckungsbereiche zu haben.
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Weiter kann eine Absicherungsfunktion identisch zu klassischen Sicherheitslichtgittern realisiert werden, bei der jeweils gegenüberliegende Sender-Empfänger-Paare einen Strahl definieren, dessen Unterbrechungsfreiheit überwacht wird. Neben dem hohen Sicherheitsniveau, die eine solche Anordnung erlaubt, kann damit auch eine Reichweite realisiert werden, die deutlich größer ist, als bei einseitigen tastenden Sicherheitslichtgittern. In Kombination mit der Abstandsmessfunktion kann so der Fehlerfall „Objekt zu dunkel für eine tastende Messung“ aufgedeckt und sicherheitstechnisch beherrscht werden.
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Dringt ein Objekt in das Schutzfeld 2 ein, so dass zumindest einer der ausgesendeten Lichtstrahlen 4 unterbrochen und reflektiert bzw. remittiert wird, wird die Lichtlaufzeit des entsprechenden Lichtsignals ermittelt, so dass eine Objektkontur erfasst wird, die je nach Anwendung zu einer gewünschten Folgeaktion führt. Dies kann beispielsweise die Ausgabe eines Sicherheitsschaltsignals zum Stillsetzen einer zu überwachenden Maschine, zum Abgeben eines Alarmsignals, eine Messwertausgabe oder auch eine Messwertspeicherung sein.
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Durch das Sicherheitslichtgitter 1 lassen sich zunächst einfach und über große Reichweiten Objekteingriffe erkennen. Tritt ein Objekt in das Schutzfeld 2 zwischen die Sende-/Empfangsleisten 3, 3' ein, so detektiert wenigstens ein Sende-/Empfangspaar eine Lichtstrahlunterbrechung, wodurch ein Objektfeststellungssignal generiert wird und infolgedessen gegebenenfalls ein Sicherheitsschaltsignal. Eine solche Lichtstrahlunterbrechung kann einfach ausgewertet und detektiert werden. Dadurch ist eine kurze Ansprechzeit des Sicherheitslichtgitters 1 gewährleistet. Auch für große Reichweiten ist eine Lichtstrahlunterbrechung einfach zu detektieren.
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Zur Erkennung von Objekten verschiedener Größen sind die Sende-/Empfangspaare in gleichmäßigen Abständen zueinander angeordnet. Mittels der Anzahl unterbrochener, benachbarter Lichtstrahlen und des Abstandes der Lichtstrahlen zueinander kann eine Objekthöhe bestimmt werden.
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Zusätzlich ist es durch die gebildeten Lichttaster mit dem Sicherheitslichtgitter 1 auch möglich, genaue Angaben zu einer Objektkontur zu erhalten, die durch eine einfache Strahlunterbrechung nicht erfasst werden könnte. Durch die Lichttaster kann ein Objekt jetzt aber vermessen werden oder aufgrund der erfassten Objektkontur das Objekt als zulässiges oder unzulässiges Objekt eingestuft werden und abhängig von diesem Ergebnis ein Objektfeststellungssignal bzw. Sicherheitsschaltsignal generiert werden. Mit dem Sicherheitslichtgitter 1 ist es somit möglich, nicht nur die Objekthöhe, sondern auch die seitliche Kontur des Objektes zu bestimmen, während das Objekt das Schutzfeld passiert.
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Wird ein Objekt beispielsweise auf einem Förderband durch das Sicherheitslichtgitter 1 transportiert, so kann zum einen durch das Unterbrechen der einzelnen Sende-/Empfangspaare ein Höhenprofil des Objektes ermittelt und abgespeichert werden und zum anderen durch die gebildeten Lichttaster gleichzeitig auch die Abstandskonturdaten einer der jeweiligen Sende-/Empfangsleiste zugewandten Seite des Objektes erfasst und abgespeichert werden. Durch das Sicherheitslichtgitter 1 kann somit gleichzeitig ein Höhenprofil und eine seitliche Abstandskontur erfasst werden und zur Beurteilung des Objektes verwendet werden.
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Bei bestimmten Anwendungen ist es vorgesehen, dass vordefinierte, zulässige Objekte den Schutzbereich passieren können, ohne dass ein Sicherheitsschaltsignal erzeugt wird. So wird beispielsweise bei einem Durchqueren des Schutzbereichs von zulässigen Objekten, beispielsweise mittels eines Förderbandes, kein Sicherheitsschaltsignal ausgelöst, während beim Fördern eines unzulässigen Objektes, beispielsweise einer Person, durch den Schutzbereich - auch wenn die Person sich seitlich des zulässigen Objekts befindet und dieses nicht überragt - ein entsprechendes Sicherheitsschaltsignal ausgelöst wird.
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Die Gegenüberstellung zweier tastender Sende-/Empfängerleisten 3, 3' ermöglicht es sehr zuverlässig Fehlerfälle aufzudecken und sicherheitsgerichtet zu reagieren. Dadurch kann eine Sicherheitsfunktion ein höheres Sicherheitsniveau erreichen, als es mit einem Einzelsystem der Fall wäre. Weiter kann die Detektionsfähigkeit erweitert werden.
Gemäß 1 und 2 wird der Abstand der gegenüberliegenden Sende-/Empfängerleisten 3, 3' eingelernt und abgespeichert, und der gespeicherte Wert zyklisch mit aktuell erfassten Werten verglichen.
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Der Abstand bzw. der Abstandsmesswert wird beispielsweise beidseitig, also redundant, bei der Inbetriebnahme ermittelt und im Betrieb zyklisch oder laufend überwacht. Werden kleinere Abstände im Betrieb gemessen, so befindet sich ein Objekt im Schutzbereich. Es liegt somit kein Fehlerfall vor.
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Werden allerdings größere Abstände als der eingelernte Abstand einseitig oder beidseitig gemessen, so liegt beispielsweise ein Fehlerfall vor.
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Weiter können die Abstandsmesswerte der gegenüberliegenden Sende-/Empfangsleisten 3, 3' überprüft werden. Der Vergleich gegenüberliegender Kanäle kann neben der Konsistenzprüfung im Betrieb auch zur Verifizierung und Unterstützung der Ausrichtung verwendet werden.
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Zusammenfassend kann durch die Gegenüberstellung zweier tastender Sende-/Empfangsleisten 3, 3' zur Bildung eines Sicherheitslichtgitters 1 und paarweise Ausrichtung der einzelnen Messkanäle die Anwesenheit des gegenüberliegenden Signals geprüft werden. Die Messwerte überlappender Strahlen gegeneinander und mit eingelernten Referenzwerten kann verglichen werden. Die Signalstärken gegenüberliegender Strahlen gegeneinander und mit eingelernten Referenzwerten kann verglichen werden. Auch das Ausbleiben von Störsendern ist auf diese Art möglich, da deren Signalenergie aufgrund des größeren Abstandes nicht mit einer Erwartungshaltung übereinstimmt.
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Vorzugsweise ist der Lichtsender S und/oder der Lichtempfänger E sowohl Teil des Sende-/Empfangspaares als auch Teil des Lichttasters. Somit ist ein und derselbe Lichtsender S bzw. Lichtempfänger E notwendig, um sowohl ein Sende-/Empfangspaar als auch einen Lichttaster zu bilden. Nach Unterbrechung des Lichtstrahles durch ein Objekt wird der durch das Objekt remittierte Lichtstrahl auf einen zugehörigen Lichtempfänger E der gleichen Sende-/Empfangsleiste 3, 3' wie des Lichtsenders S gelenkt und ein Abstandssignal ermittelt.
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Gemäß 1 und 2 sind die Lichtsender S und Lichtempfänger E einzeln abwechselnd nacheinander in den Sende-/Empfangsleisten 3, 3' angeordnet. Vorzugsweise ist dabei eine Vielzahl von Lichtsendern S und Lichtempfängern E angeordnet. Dadurch ist eine gleichmäßige Auflösung des Sicherheitslichtgitters 1 über die gesamte Schutzfeldlänge gewährleistet. Vorteilhaft liegen auch die Lichttaster dabei direkt benachbart nebeneinander gleichverteilt über die gesamte Schutzfeldlänge.
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Wird eine Sende-/Empfangsleiste 3, 3' längs gemäß 1 und 2 um 180° gedreht gegenüber der gegenüberliegenden Sende-/Empfangsleiste 3', 3 montiert, so liegen sich die Lichtsender S und die Lichtempfänger E zur Bildung der Sende-/Empfangspaare direkt gegenüber, wodurch ein homogenes Schutzfeld mit parallelen Lichtstrahlen entsteht. Die Lichtsender S und die Lichtempfänger E zur Bildung des Lichttasters liegen auch hier direkt nebeneinander.
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Gemäß 2 bilden jeweils benachbarte Lichtsender S und Lichtempfänger E einen Lichttaster. Dadurch ist ein besonders einfacher Aufbau des Sicherheitslichtgitters 1 gewährleistet und die gebildeten Lichttaster sind als eine Einheit mit gleichmäßigen Abständen zueinander entlang einer Sende-/Empfangsleiste 3, 3' angeordnet. Durch diese Anordnung kann das Sicherheitslichtgitter 1 modular für verschiedene Schutzfeldhöhen aufgebaut werden. Je nach Schutzfeldhöhe wird eine bestimmte Anzahl von jeweils benachbarten Lichtsendern S und Lichtempfängern E zur Bildung von Lichttastern angeordnet. Durch die benachbarte Anordnung der Lichttaster sind die gemessenen Abstandswerte auch unmittelbar einem jeweiligen Sende-/Empfangspaar zuordenbar, so dass bei einer Unterbrechung eines Lichtstrahls auch direkt ein zugehöriger Abstand des den Lichtstrahl 4 unterbrechenden Objektes ermittelt wird.
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Gemäß 1 und 2 sind die Sende-/Empfangsleisten 3, 3' beispielsweise identisch aufgebaut. Damit muss nur eine einzige Baugruppe, nämlich die Sende-/Empfangsleiste 3 bzw. 3' hergestellt werden, um ein Sicherheitslichtgitter 1, bestehend aus zwei solchen gegenüberliegenden Sende-/Empfangsleisten 3, 3' bereitzustellen.
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Auch elektrische Anschlüsse für beide Sende-/Empfangsleisten 3, 3' sind identisch ausgebildet. Hiermit vereinfacht sich eine Verbindungstechnik, da nur ein Typ von Steckverbindern vorgesehen werden muss. Die Sende-/Empfangsleisten 3, 3' können dadurch auch einfach angeschlossen werden, da nicht wie bei bisherigen Sicherheitslichtgittern, bestehend aus Sendeleiste und getrennter Empfangsleiste, unterschiedliche Anschlüsse für Sendeleiste und Empfangsleiste vorgesehen werden müssen.
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Die beschriebenen Ausführungsformen sind auch miteinander kombinierbar, so dass die Lichttaster des erfindungsgemäßen Lichtgitters verschiedene Funktionen erfüllen können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sicherheitslichtgitter
- 2
- Schutzfeld
- 3, 3'
- Sende-/Empfangsleisten
- 4
- Lichtstrahlen
- S
- Lichtsender
- E
- Lichtempfänger