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Die
Erfindung betrifft einen optischen Sensor.
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Derartige
optische Sensoren werden insbesondere im Bereich der Sicherheitstechnik
eingesetzt und dienen zur Überwachung
von Gefahrenbereichen von Arbeitsgeräten wie zum Beispiel Abkantpressen,
Robotern, fahrerlosen Transportsystemen.
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Mit
dem vom optischen Sensor erfassten Überwachungsbereich wird der
Gefahrenbereich an einem derartigen Arbeitsgerät überwacht. Dringt ein Objekt
oder eine Person in den Überwachungsbereich
ein, wird in der Auswerteeinheit des optischen Sensors ein entsprechendes
Schaltsignal mit einem vorgegebenen Schaltzustand generiert, welches über einen
Sicherheitsschaltausgang ausgegeben wird. Mit dem Schaltsignal wird
das Arbeitsgerät
abgeschaltet, das heißt
deaktiviert, um eine Gefährdung
von Personen auszuschließen.
Liegt dagegen kein Eingriff in den Überwachungsbereich vor, so nimmt
das Schaltsignal einen zweiten Schaltzustand ein, so dass das Arbeitsgerät eingeschaltet,
das heißt aktiviert
ist.
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Bei
stationären
Anwendungen zur Sicherung von Arbeitsgeräten werden insbesondere als
Lichtgitter ausgebildete optische Sensoren eingesetzt. Ein derartiges
Lichtgitter ist beispielsweise aus der
DE 39 39 191 A1 bekannt.
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Bei
stationären
und insbesondere auch bei mobilen Anwendungen werden zur Gefahrenbereichsabsicherung
insbesondere auch als Flächendistanzsensoren
ausgebildete optische Sensoren eingesetzt. Ein derartiger Flächendistanzsensor
ist beispielsweise aus der
DE
19 917 509 C1 bekannt. Der Flächendistanzsensor besteht im
Wesentlichen aus einem Distanzsensor mit einem Sendelichtstrahlen
emittierenden Sender und einem Empfangslichtstrahlen empfangenden
Empfänger.
Die Distanzmessung erfolgt dabei nach dem Laufzeitverfahren, das bildende
Verriegelungsschaltung zur Verriegelung des Halbleiter-Schalters (
22)
ansteuerbar ist.
- 4. Optischer Sensor nach Anspruch
3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungsschaltung als Bestandteil
der Sicherheitsausgangsschaltung (14) von zwei Transistoren
(28, 29) gebildet ist.
- 5. Optischer Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die Sicherheitsausgangsschaltung (14) eine Konstantstromquelle
aufweist, welche mit einer Versorgungsspannung gespeist wird, und
welche einen maximalen Strom für
den Halbleiter-Schalter (22) definiert.
- 6. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass der Halbleiter-Schalter (22) durch Kurzschließen in den
Verriegelungszustand überführbar ist.
- 7. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass die Sicherheitsausgangsschaltung (14) Schaltmittel
(41) zur Verriegelung des Halbleiter-Schalters (22)
aufweist.
- 8. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass über
wenigstens einen Ausgang der Rechnereinheit (13) Steuersignale
auf den Halbleiter-Schalter (22) ausgebbar sind, wobei
die dadurch generierten Mess-Signale zur Funktionsüberprüfung des Halbleiter-Schalters
(22) in die Rechnereinheit (13) rücklesbar
sind.
- 9. Optischer Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
dass durch Analyse der Signalform der Mess-Signale in der Rechnereinheit
(13) die Funktion des Halbleiter-Schalters (22) überprüfbar ist.
- 10. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
dass die Rechnereinheit (13) von einem digitalen Signalprozessor
gebildet ist.
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Die
DE 103 27 888 A1 als
nachveröffentlichter
Stand der Technik betrifft eine Schutzeinrichtung für eine Maschine,
welche ein erstes Maschinenteil aufweist, welches Arbeitsbewegungen
gegen ein zweites Maschinenteil ausführt, sowie eine mit dem ersten
Maschinenteil mitbewegte optische Sensoranordnung zur Überwachung
eines Schutzbereichs. Die optische Sensoranordnung weist eine Sendereinheit
zur Generierung von im Schutzbereich verlaufenden Projektionslichtstrahlen
auf, wobei bei freiem Schutzbereich die Projektionslichtstrahlen
auf ein Projektionsmedium als Projektionsmuster abgebildet werden,
welche mittels einer Kamera erfassbar sind. In einer Auswerteeinheit
wird ein Objektfeststellungssignal generiert, falls das Projektionsmuster
von der Kamera nicht vollständig
erfasst wird.
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Die
DE 103 23 324 A1 als
nachveröffentlichter
Stand der Technik betrifft einen optischen Sensor zur Erfassung
von Objekten in einem Überwachungsbereich
mit wenigstens einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, wenigstens
einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger und mit einer Auswerteeinheit,
in welcher in Abhängigkeit
der Empfangssignale am Ausgang des Empfängers ein Schaltsignal generiert
wird, welches über wenigstens
einen Sicherheitsschaltausgang zur Steuerung eines Arbeitsgerätes ausgegeben
wird. In der Auswerteeinheit wird wenigstens ein Meldesignal generiert,
an einen einkanaligen Meldeausgang ausgelesen, in die Auswerteeinheit
zurückgelesen
und dort mit vorgegebenen Sollwerten verglichen. Bei einer Abweichung
der Istwerte von den Sollwerten wird in der Auswerteeinheit ein
Deaktivierungssignal für den
Sicherheitsschaltausgang und/oder den Meldeausgang generiert.
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Die
DE 199 51 165 C1 betrifft
einen optischen Sensor zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich
mit einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, einem Empfangslichtstrahlen empfangenden
Empfänger
sowie einer Auswerteeinheit, in welcher in Abhängigkeit der Empfangssignale am
Ausgang des Empfängers
wenigstens einen Schaltausgang ausgebbar ist. Die Auswerteeinheit weist
jeweils einen Anschluss für
die positive und negative Betriebsspannung auf, wobei eine externe Last über Leitungen
zwischen dem Schaltausgang einerseits und dem Anschluss für die positive
oder negative Betriebsspannung andererseits anschließbar ist.
Die Auswerteeinheit weist einen integrierten Schaltkreis auf, in
welchem der Schaltausgang mit dem Anschluss für die positive Betriebsspannung über einen
ersten Schalter gekoppelt ist und der Schaltausgang mit dem Anschluss
für die
negative Betriebsspannung über
einen zweiten Schalter gekoppelt ist. Die Schalter sind über ein
Steuersignal steuerbar, so dass wenigstens einer der Schalter in Abhängigkeit
des binären
Schaltsignals gesteuert ist und höchstens einer der Schalter
einen unveränderlichen
Schaltzustand aufweist.
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Die
DE 103 04 054 A1 betrifft
einen optischen Sensor zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich
mit wenigstens einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, wenigstens
einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger und einer Auswerteeinheit
zur Auswertung der am Ausgang des Empfängers anstehenden Empfangssignale.
Dabei sind mehrere Sicherheitsschaltausgänge vorgesehen, über welche
jeweils ein Schaltsignal zur Steuerung eines Arbeitsgerätes ausgebbar
ist. Die Schaltzustände
eines Schaltsignals sind jeweils in Abhängigkeit der Detektion eines
Objektes innerhalb wenigstens eines Schutzfeldes als Teil des Überwachungsbereichs
bestimmt.
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Die
DE 10 2004 005 460
A1 betrifft eine optoelektronische Vorrichtung zur Erfassung
von Objekten in einem Überwachungsbereich
mit einer Empfängereinheit,
bestehend aus wenigstens einer Empfängerzeile mit einer linearen
Anordnung von Empfangselementen, mit einer Auswerteeinheit zur Auswertung
von an den Ausgängen
der Empfangselemente anstehenden Empfangssignalen, und mit einem
den Überwachungsbereich
begrenzenden Kontrastmuster, welches auf die Empfängerzeile
abgebildet ist. Die dem Kontrastmuster entsprechenden Empfangselemente
werden in einem Einlernvorgang in der Auswerteeinheit als Referenzsignale
abgespeichert. Während
einer auf den Einlernvorgang folgenden Betriebsphase in der Auswerteeinheit
als Referenzsignale abgespeichert. Während einer auf den Einlernvorgang
folgenden Betriebsphase in der Auswerteeinheit wird durch Vergleich
von aktuell registrierten Empfangssignalen mit den Referenzsignalen ein
Objektfeststellungssignal generiert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen optischen Sensor der
eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welchem mit möglichst
geringem Aufwand eine sichere Signalausgabe gewährleistet ist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Der
erfindungsgemäße optische
Sensor dient zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich.
Dieser optische Sensor weist wenigstens einen Sendelichtstrahlen
emittierenden Sender, einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger und
eine Rechnereinheit auf, in welcher in Abhängigkeit der Empfangssignale
am Ausgang des wenigstens einen Empfängers ein binäres Objektfeststellungssignal
generiert wird. Der Rechnereinheit ist wenigstens eine Sicherheitsausgangsschaltung
mit einem Halbleiter-Schalter nachgeordnet, welcher mittels des
Objektfeststellungssignals zur Generierung eines über einen
Schaltausgang ausgehbaren Schaltsignals zur Aktivierung wird Deaktivierung
eines Arbeitsgeräts
schaltbar ist. Der Halbleiter-Schalter wird durch in der wenigstens
einen Rechnereinheit generierte Steuersignale getestet. Überlastzustände des
Halbleiter-Schalten sind durch Auswertung dessen Ausgangssignale
in der Sicherheitsausgangsschaltung erfassbar. Der Halbleiter-Schalter
ist bei Auftreten eines Fehlers durch eine Endstufe der wenigstens
einen Sicherheitsausgangsschaltung in einen gegen Wiedereinschaltung gesicherten
Verriegelungszustand überführt.
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Durch
die selbsthaltende Verriegelung des Halbleiter-Schalters als Endstufe
der Sicherheitsausgangsschaltung zur Ansteuerung des Ausgangs wird eine
erhöhte
Sicherheit bei der Aktivierung und Deaktivierung des Arbeitsgerätes erzielt.
Dabei ist insbesondere vorteilhaft, dass bei fehlerhafter Funktion des
Halbleiter-Schalters dieser unabhängig von der Funktion der Rechnereinheit
sicher verriegelt bleibt.
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Besonders
vorteilhaft kann die Verriegelung des Halbleiter-Schalters nur durch
Abschaltung der Versorgungsspannung oder durch Deaktivierung und anschließender Aktivierung
von dem Halbleiterschalter zugeführten
Steuersignale aufgehoben werden, wodurch eine unkontrollierte Aufhebung
der Verriegelung des Halbleiter-Schalters und damit verbunden eine
unkontrollierte Aktivierung des Arbeitsgerätes vermieden wird.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass
der Halbleiter-Schalter neben seiner Schalterfunktion auch eine
Sensorfunktion zur Erkennung von Überlastzuständen, insbesondere thermischer Überlastung, übernimmt.
Durch die bei Auftreten von Überlastzuständen im
Halbleiter-Schalter generierten Ausgangssignale wird der Halbleiter-Schalter
durch die Sicherheitsausgangsschaltung verriegelt, das heißt das Arbeitsgerät deaktiviert
und so in den sicheren Zustand überführt.
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Zur
weiteren Erhöhung
der Funktionssicherheit weist die Sicherheitsausgangsschaltung Schaltmittel
auf, mittels derer der Halbleiter-Schalter in den Verriegelungszustand überführt werden
kann, falls dieser im Fehlerfall nicht innerhalb einer vorgegebenen
Reaktionszeit abschaltet. Die Halbleiter-Schaltmittel können aus
diskreten Bauteilen wie Relais oder Transistoren oder integrierten
Bauteilen bestehen. Dabei kann mit diesen Halbleiter-Schaltmitteln
der Halbleiter-Schalter insbesondere kurzgeschlossen oder gegen
Masse geschaltet werden. Weiterhin kann mit den Halbleiter-Schaltmitteln
auch eine Sicherung ausgelöst
werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung wird der Halbleiter-Schalter durch in der Rechnereinheit
generierte Steuersignale direkt getestet. Dabei ist insbesondere
vorteilhaft, dass die bei der Testung generierten Signale des Halbleiter-Schalters
direkt über
einen Spannungsteiler in die Rechnereinheit rückgelesen und dort ausgewertet werden
können.
Besonders vorteilhaft wird dabei die gemessene Signalform der Signale
des Halbleiter-Schalters zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit des
Halbleiter-Schalters geprüft.
Zweckmäßigerweise
ist, hierzu die Rechnereinheit von einem digitalen Signalprozessor
gebildet.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Sicherheitsausgangsschaltung
wenigstens eine Schutzdiode auf, die durch die in der Rechnereinheit
generierten Steuersignale ausmessbar und damit überprüfbar ist. Mit dieser Schutzdiode können bei
Auftreten von sogenannten Common-Mode-Fehlern Leckströme innerhalb der Sicherheitsausgangsschaltung
begrenzt werden. Derartige Common-Mode-Fehler liegen vor, wenn bei
einer an den Ausgang der Sicherheitsausgangsschaltung angeschlossenen
Last und bei gekappter Masseverbindung der Sicherheitsausgangsschaltung
diese dennoch noch Strom liefert.
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Die
Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1:
Schematische Darstellung eines als Lichtgitter ausgebildeten optischen
Sensors.
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2:
Schematische Darstellung eines als Flächendistanzsensor ausgebildeten
optischen Sensors.
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3:
Erstes Ausführungsbeispiel
einer Sicherheitsausgangsschaltung für die optischen Sensoren gemäß den 1 und 2.
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4:
Zweites Ausführungsbeispiel
einer Sicherheitsausgangsschaltung für die optischen Sensoren gemäß den 1 und 2.
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1 zeigt
schematisch den Aufbau eines als Lichtgitter ausgebildeten optischen
Sensors 1. Das Lichtgitter weist eine Sendereinheit 2 und
eine Empfängereinheit 3 auf,
welche beidseits eines Überwachungsbereichs 4 in
Abstand gegenüberliegend
angeordnet sind.
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Die
Sendereinheit 2 weist mehrere vertikal in Abstand angeordnete,
Sendelichtstrahlen 5 emittierende Sender 6 auf,
die in einem ersten Gehäuse 7 angeordnet
sind. Die identisch ausgebildeten Sender 6 sind von Leuchtdioden
gebildet und liegen hinter einem Fenster 8, durch welches
die Sendelichtstrahlen 5 in den Überwachungsbereich 4 geführt sind.
Zur Strahlformung der Sendelichtstrahlen 5 können den Sendern 6 nicht
dargestellte Sendeoptiken nachgeordnet sein.
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Die
Ansteuerung der Sender 6 erfolgt über eine Sendersteuereinheit 9.
Die Sendersteuereinheit 9 besteht aus einem Mikroprozessorsystem
oder dergleichen. Die Sender 6 werden dabei zyklisch nacheinander
aktiviert.
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Die
Empfängereinheit 3 weist
mehrere vertikal in Abstand angeordnete Empfänger 10 auf, die in einem
zweiten Gehäuse 11 angeordnet
sind. Die identisch ausgebildeten Empfänger 10 sind von Photodioden
gebildet und liegen hinter einem weiteren Fenster 12, durch
welches die Sendelichtstrahlen 5 aus dem Überwachungsbereich 4 auf
die Empfänger 10 geführt sind.
Zur Fokussierung der Sendelichtstrahlen 5 auf die Empfänger 10 können den
Empfängern 10 nicht
dargestellte Empfangsoptiken vorgeordnet sein.
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Die
Auswertung der an den Ausgängen
der Empfänger 10 anstehenden
Empfangssignale sowie die Steuerung des Betriebs der Empfänger 10 erfolgt in
einer Empfängersteuereinheit,
welche im einfachsten Fall von einer einzelnen Rechnereinheit 13 gebildet
ist. Je nach Sicherheitsanforderung kann die Empfängersteuereinheit
auch einen redundanten Aufbau bestehend aus zwei sich überwachenden Rechnereinheiten 13 aufweisen.
Die oder jede Rechnereinheit 13 ist im vorliegenden Fall
von einem digitalen Signalprozessor gebildet. Alternativ kann als Rechnereinheit 13 ein
Microcontroller vorgesehen sein.
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Wie
aus 1 ersichtlich entspricht die Anzahl der Sender 6 der
Anzahl der Empfänger 10 des Lichtgitters.
Dabei ist jeweils einem Sender 6 ein gegenüber liegender
Empfänger 10 zugeordnet,
auf welchen bei freiem Strahlengang die Sendelichtstrahlen 5 dieses
Senders 6 auftreffen.
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Jeder
Sender 6 und der diesem zugeordnete Empfänger 10 bildet
eine Strahlachse des Lichtgitters. Die Strahlachsen definieren den Überwachungsbereich 4,
der im vorliegenden Fall in einer vertikalen Ebene verläuft. Über die
Sendersteuereinheit 9 und die Empfängersteuereinheit werden die einzelnen
Strahlachsen einzeln nacheinander zyklisch aktiviert. Die Synchronisierung
dieses Lichtgitterbetriebs erfolgt beispielsweise anhand den von dem
ersten Sender 6 emittierten Sendelichtstrahlen 5,
welchen eine individuelle Kodierung aufgeprägt ist, die sich von den Kodierungen
der übrigen
Sendelichtstrahlen 5 unterscheidet.
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Generell
kann der optische Sensor 1 gemäß 1 auch derart
abgewandelt sein, dass die Sender 6 und Empfänger 10 in
einem gemeinsamen Gehäuse
integriert sind, welches an einem Rand des Überwachungsbereiches 4 angeordnet
ist. Bei freiem Strahlengang werden die von einem Sender 6 emittierten Sendelichtstrahlen 5 auf
einen am gegenüberliegenden
Rand des Überwachungsbereiches 4 angeordneten
Reflektor geführt
und von dort zurück zum
zugeordneten Empfänger 10 reflektiert.
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Bei
freiem Strahlengang des Lichtgitters treffen die Sendelichtstrahlen 5 sämtlicher
Sender 6 ungehindert auf die zugeordneten Empfänger 10.
Tritt ein Objekt oder eine Person in den Überwachungsbereich 4,
so wird wenigstens eine Strahlachse des Lichtgitters zumindest teilweise
unterbrochen. Ein derartiger Objekteingriff wird in der Auswerteeinheit 13 durch
eine Schwellwertbewertung der Ausgangssignale der Empfänger 10 erfasst.
Das dadurch generierte binäre
Objektfeststellungssignal wird über eine
Sicherheitsausgangsschaltung 14 ausgegeben. Je nach Sicherheitsanforderung
kann die Sicherheitsausgangsschaltung 14 einen ein- oder
mehrkanaligen Aufbau aufweisen.
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Über die
Sicherheitsausgangsschaltung 14 werden Schaltsignale zur
Steuerung eines nicht dargestellten Arbeitsgerätes ausgegeben.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines als Flächendistanzsensor
ausgebildeten optischen Sensors 1. Der Flächendistanzsensor
weist einen nach dem Lichtlaufzeitverfahren arbeitenden Distanzsensor
auf. Der Distanzsensor besteht im Wesentlichen aus einem Sendelichtstrahlen 5 emittierenden
Sender 6 und einem Empfangslichtstrahlen 15 empfangenden
Empfänger 10.
Der Sender 6 ist von einer Laserdiode gebildet, der Empfänger 10 besteht
aus einer Photodiode. Zur Distanzmessung wird in der Auswerteeinheit 13 des
optischen Sensors 1 die Lichtlaufzeit der vom Sender 6 emittierten, auf
ein Objekt geführten
Sendelichtstrahlen 5 und der vom Objekt reflektierten Empfangslichtstrahlen 15 ausgewertet.
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Der
optische Sensor 1 ist in einem Gehäuse 16 integriert.
In der Frontwand des Gehäuses 16 befindet
sich ein Fenster 17, durch welches die Sendelichtstrahlen 5 und
die Empfangslichtstrahlen 15 geführt sind.
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Der
optische Sensor 1 weist zur periodischen Ablenkung der
Sendelichtstrahlen 5 eine Ablenkeinheit 18 auf.
Mittels der Ablenkeinheit 18 werden die Sendelichtstrahlen 5 innerhalb
eines Winkelbereichs abgelenkt, der im vorliegenden Fall 180° beträgt. Die Ablenkeinheit 18 weist
einen motorisch getriebenen, um eine Drehachse D drehbaren Spiegel 19 auf, über welchen
die Sendelichtstrahlen 5 und die Empfangslichtstrahlen 15 geführt sind.
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Durch
die Drehbewegung des Spiegels 19 werden die Sendelichtstrahlen 5 in
einer horizontalen Ebene geführt.
Die Abmessungen des Fensters 17 definieren dabei den Winkelbereich,
innerhalb dessen die Sendelichtstrahlen 5 in dieser Ebene
geführt sind.
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Dieser
Winkelbereich sowie eine mit dem Distanzsensor noch erfassbare Maximaldistanz
begrenzen den Überwachungsbereich 4,
innerhalb dessen mit dem Flächendistanzsensor
Objekte erfassbar sind.
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Analog
zur Ausführungsform
gemäß 1 weist
der optische Sensor 1 gemäß 2 eine der Rechnereinheit 13 zugeordnete
Sicherheitsausgangsschaltung 14 auf, über welche insbesondere Schaltsignale
zur Steuerung des Arbeitsgerätes
ausgehbar sind.
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3 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der
Sicherheitsausgangsschaltung 14 für die optischen Sensoren 1 gemäß den 1 und 2.
Mit der Sicherheitsausgangsschaltung 14 wird im fehlerfreien
Fall ein über
einen Schaltausgang 20 ausgebbares Schaltsignal zur Deaktivierung
oder Aktivierung eines Arbeitsgerätes generiert, welches dem
im optischen Sensor 1 generierten Objektfeststellungssignal
entspricht.
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Die
Sicherheitsausgangsschaltung 14 wird mit einer Versorgungsspannung
UB versorgt, die über eine Diode 21 in
die Sicherheitsausgangsschaltung 14 eingespeist wird. Als
Endstufe zur Schaltung des Schaltausgangs 20 weist die
Sicherheitsausgangsschaltung 14 einen Halbleiter-Schalter 22 auf,
der im vorliegenden Fall von einem Leistungstransistor gebildet
ist. Die Dioden 23, 24 und der Widerstand 25 bestimmen
den maximalen Strom durch den Halbleiter-Schalter 22 und bilden mit
diesem eine Konstantstromquelle.
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Dem
Halbleiter-Schalter 22 ist ein über einen Widerstand 26 an
der Versorgungsspannung anliegender Steuer-Transistor 27 zugeordnet.
Dieser Steuer-Transistor 27 steuert
in Abhängigkeit
der Basis-Emitter-Spannung des Halbleiter-Schalters 22 eine
Verriegelungsschaltung an, die von zwei weiteren Transistoren 28, 29 gebildet
ist. Der zweite Transistor 29 ist über einen Widerstand 30 mit
dem Steuer-Transistor 27 verbunden.
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Zur
Funktionsprüfung
des Halbleiter-Schalters 22 wird von der Rechnereinheit 13 ein
erstes Steuersignal US1 generiert, welches über Widerstände 31, 32, 33, 34 und
einen weiteren Transistor 35 dem Halbleiter-Schalter 22 zugeführt wird.
Die Widerstände 31, 32, 33 und
der Transistor 35 bilden dabei eine Konstantstromquelle
zur Ansteuerung des Halbleiterschalters 22. Über das
Signal US1 wird diese Konstantstromquelle
ein- oder ausgeschaltet und der Halbleiterschalter 22 entsprechend
gesteuert. Der Transistor 35 ist über einen weiteren Widerstand 36 mit
dem zweiten Transistor 29 der Verriegelungsschaltung verbanden.
Das durch das Steuersignal generierte Mess-Signal Umess am
Schaltausgang 20 des Halbleiter-Schalters 22 wird über einen
von zwei Widerständen 37, 38 gebildeten
Spannungsteiler und einen nicht dargestellten Analog-Digital-Wandler in die
Rechnereinheit 13 rückgelesen.
An den Spannungsteiler schließt
eine Schutzdiode 39 an. Eine weitere nicht dargestellte
Schutzdiode kann in der Rückführleitung, über welche
das Mess-Signal Umess zur Rechnereinheit 13 zurückgeführt ist,
vorgesehen sein.
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Der
Halbleiter-Schalter 22 ist über eine Sicherung 40 an
den Schaltausgang 20 angeschlossen. Weiterhin sind an den
Schaltausgang 20 Schaltmittel 41 angeschlossen,
die von einem Relais, einem Transistor oder dergleichen gebildet
sein können.
Die Schaltmittel 41 werden mit Steuersignalen US2 von der Rechnereinheit 13 angesteuert.
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Die
Schaltmittel 41 der Sicherheitsausgangsschaltung 14 bilden
einen Low-Side-Treiber, mit
welchen der Schaltausgang 20 auf seinen Low-Pegel geschaltet
wird. Der restliche Teil der Sicherheitsausgangsschaltung 14 gemäß 3 bildet einen
High-Side-Treiber, mittels dessen zur Generierung des High-Pegels am Schaltausgang 20 dieser mit
einer entsprechenden Spannung beaufschlagt wird. Der den High-Side-Treiber
bildende Teil der Sicherheitsausgangsschaltung 14 ist in 4 separat dargestellt.
Dieser High-Side-Treiber kann mit unterschiedlichen Low-Side-Treibern
kombiniert werden.
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Der
Halbleiter-Schalter 22 bildet die Endstufe der Sicherheitsausgangsschaltung 14,
mittels deren der jeweilige Schaltzustand des binären Schaltsignals
in Form des High- oder Low-Pegels ausgegeben wird. Im fehlerfreien
Fall entspricht der Schaltzustand des Schaltsignals dem Schaltzustand
des Objektfeststellungssignals.
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Der
Halbleiter-Schalter 22 dient nicht nur zur Schaltung des
Schaltausgangs 20, sondern bildet zugleich einen Sensor
zur Erkennung von Überlastzustän- den,
insbesondere thermischen Überlastungen.
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Dabei
bestimmt die von den Dioden 23, 24 und dem Widerstand 25 gebildete
Konstantstromquelle den maximalen Strom durch den Halbleiter-Schalter 22 und
bildet so eine Abschaltschwelle für den Halbleiter-Schalter 22.
Wird die Abschaltschwelle überschritten
oder wird der Halbleiter-Schalter 22 erheblich heißer als
der Strom-Transistor 27, so wird der Steuer-Transistor 27 leitend. Dadurch
wird mittels des Steuer-Transistors 27 die Verriegelungsschaltung
angesteuert, wodurch der Halbleiter-Schalter 22 in einen
selbsthaltenden Verriegelungszustand überführt wird. Zur Verriegelung des
Halbleiter-Schalters 22 wird durch den leitenden Steuer-Transistor 27 der
Strom von den Transistoren 28, 29 übernommen,
so dass der Halbleiter-Schalter 22 nicht mehr angesteuert
und damit dauerhaft verriegelt wird.
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Der
Halbleiter-Schalter 22 verbleibt insbesondere unabhängig von
der Funktion der Rechnereinheit 13 im selbsthaltenden Verriegelungszustand, so
dass im auftretenden Fehlerfall gewährleistet ist, dass das Schaltsignal
am Schaltausgang 20 auf dem Low-Pegel bleibt und damit
das angeschlossene Arbeitsgerät
deaktiviert ist und sich damit im sicheren Zustand befindet. Der
Verriegelungszustand des Halbleiter-Schalters 22 kann nur
durch Abschalten der Versorgungsspannung UB oder
durch Deaktivierung und anschließende Aktivierung der Steuersignale
US1 aufgehoben werden, wodurch ein unkontrolliertes
Einschalten des Halbleiter-Schalters 22 und damit verbunden
eine unkontrollierte Aktivierung des Arbeitsgerätes vermieden wird.
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Zur
weiteren Erhöhung
der Funktionssicherheit der Sicherheitsausgangsschaltung 14 kann
der Halbleiter-Schalter 22 mittels der Schaltmittel 41 in den
Verriegelungszustand beziehungsweise in den Kurzschluss geschaltet
werden, falls der Halbleiter-Schalter 22 beispielsweise
aufgrund fehlerhafter Komponenten der Sicherheitsausgangsschaltung 14 nicht
innerhalb einer vorgegebenen Reaktionszeit abschaltet. Alternativ
kann die Verriegelung des Halbleiter-Schalters 22 mittels
der Sicherung 40 erfolgen. Die Kontrollfunktion wird zweckmäßig von
der Rechnereinheit 13 aus gesteuert.
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Mittels
der Schutzdiode 39 und der gegebenenfalls im Rücklesekanal
des Mess-Signals vorgesehenen weiteren Schutzdiode können Leckströme bei Auftreten
von Common-Mode-Fehlern begrenzt werden.
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Mittels
der in der Rechnereinheit 13 generierten Steuersignale
US1, US2 ist einerseits
die Funktion des Halbleiter-Schalters 22 direkt überprüfbar und des
Weiteren die Funktion der Schutzdiode 39. Die Funktionsüberprüfung erfolgt
fortlaufend innerhalb einer vorgegebenen Zykluszahl. Die Steuersignale US1 werden direkt dem Halbleiter-Schalter 22 zugeführt und über den
Spannungsteiler direkt als Mess-Signale Umess in
die Rechnereinheit 13 rückgelesen.
Weiterhin werden durch die auf die Schaltmittel 41 geführten Steuersignale
US2 Mess-Signale generiert. Die in die Rechnereinheit 13 rückgelesenen Mess- Signale werden dort
bezüglich
ihrer Signalform untersucht. Daraus kann ermittelt werden, ob der Halbleiter-Schalter 22 und
die Schutzdiode 39 fehlerfrei arbeiten.
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- 1
- Optischer
Sensor
- 2
- Sendereinheit
- 3
- Empfängereinheit
- 4
- Überwachungsbereich
- 5
- Sendelichtstrahlen
- 6
- Sender
- 7
- Erstes
Gehäuse
- 8
- Fenster
- 9
- Sendersteuereinheit
- 10
- Empfänger
- 11
- Zweites
Gehäuse
- 12
- Zweites
Fenster
- 13
- Rechnereinheit
- 14
- Sicherheitsausgangsschaltung
- 15
- Empfangslichtstrahlen
- 16
- Gehäuse
- 17
- Fenster
- 18
- Ablenkeinheit
- 19
- Spiegel
- 20
- Schaltausgang
- 21
- Diode
- 22
- Halbleiter-Schalter
- 23
- Diode
- 24
- Diode
- 25
- Widerstand
- 26
- Widerstand
- 27
- Steuer-Transistor
- 28
- Transistor
- 29
- Transistor
- 30
- Widerstand
- 31
- Widerstand
- 32
- Widerstand
- 33
- Widerstand
- 34
- Widerstand
- 35
- Transistor
- 36
- Widerstand
- 37
- Widerstand
- 38
- Widerstand
- 39
- Schutzdiode
- 40
- Sicherung
- 41
- Schaltmittel
- D
- Drehachse
- UB
- Versorgungsspannung
- Umess
- Mess-Signal
- US1
- Steuersignale
- US2
- Steuersignale