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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung der Anwesenheit
eines Objekts im Raum gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
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Bekannt
sind Vorrichtungen zur Erkennung der Anwesenheit eines Objekts im
Raum nach dem Pulslaufzeitverfahren. Diese weisen einen Impulslaser
auf, der gesteuert Lichtimpulse in einen Raum sendet, eine Fotoempfangsanordnung,
welche die von dem im Raum befindlichen Objekt zurückgeworfenen
Lichtimpulse empfängt sowie eine Auswerteschaltung, welche
aus der Zeit zwischen Aussendung und Empfang eines Lichtimpulses
ein für den Abstand des Objekts vom Impulslaser charakteristisches
Abstandssignal ermittelt. Um zumindest eine Ebene überwachen
zu können, ist zwischen dem Raum und dem Impulslaser eine
erste Lichtablenkvorrichtung angeordnet, welche an die Auswerteschaltung
ein für ihre momentane Winkelstellung repräsentatives
erstes Winkelpositionssignal abgibt, wobei die erste Lichtablenkvorrichtung
einen Ablenkspiegel aufweist, der um eine erste Drehachse dreh- oder
schwenkbar angeordnet ist und der zur Aussendung aufeinanderfolgender
Lichtimpulse unter sich verändernden Winkeln in einer ersten
Ebene und zur Lenkung der zurückgeworfenen Lichtimpulse
auf die Fotoempfangsanordnung ausgebildet ist. Eine derartige Vorrichtung
ist bspw. der
DE 43
40 756 C5 zu entnehmen.
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Nachteilig
bei dieser Vorrichtung ist jedoch, dass der Raum lediglich in einer
Ebene überwacht werden kann, während es insbesondere
im industriellen Umfeld in vielen Anwendungen nötig ist,
dreidimensionale Bereiche abzusichern.
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Die
DE 297 24 806 U1 offenbart
eine Vorrichtung zur optischen Abtastung von Oberflächen,
welche einen Lichtsender aufweist, der innerhalb einer Abtastebene
einen einen vorgegebenen Schwenkwinkelbereich überstreichenden
Lichtstrahl aussendet, wobei die Vorrichtung um eine zumindest im
Wesentlichen in der oder parallel zur Abtastebene liegenden Drehachse
um einen vorgegebenen Drehwinkelbereich verschwenkbar ist. Zwar
wird auf diese Weise die Winkelposition der Abtastebene geändert, um
somit einen dreidimensionalen Raumbereich überwachen zu
können. Nachteilig dabei ist jedoch, dass die gesamte Vorrichtung
mit Hilfe einer externen Dreheinrichtung um eine Drehachse verschwenkt wird,
was aufwändig zu realisieren ist. Entweder werden dabei
die Kabel zur Energieübertragung ständig bewegt,
so dass sie hohem Verschleiß unterliegen. Alternativ ist
es auch bekannt, zur Energieübertragung Schleifringe zu
verwenden, welche jedoch ebenfalls einem hohen Verschleiß unterliegen.
Gleiches gilt auch für die in der
DE 33 18 686 C2 offenbarte
Plattform für die Abstrahlung eines Laserstrahles.
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Zur
Absicherung eines dreidimensionalen Bereichs ist es auch möglich,
mehrere Vorrichtungen zu kombinieren, welche jeweils eine Ebene
abtasten, was jedoch sehr aufwändig und komplex und zudem kostenintensiv
ist.
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Weiterhin
bekannt sind optoelektronische Sicherheitssensoren, insbesondere
in Form von Lichtschranken oder Lichtgittern, welche einen Überwachungsbereich
auf Eindringen von Objekten überwachen und in Abhängigkeit
davon ein Schaltsignal ausgeben, welches dazu verwendet wird, eine
Anlage oder eine Maschine bei Eintreten einer Sicherheitsanforderung
in einen sicheren Zustand zu überführen. Diese
Sicherheitssensoren ermitteln, wenn sich eine Person einer Anlage
oder einer Maschine nähert und insbesondere einen kritischen
Sicherheitsabstand unterschreitet, so dass in diesem Fall die Maschine
oder Anlage angehalten oder zumindest mit verminderter Vertriebsgeschwindigkeit
betrieben wird. Diese Sicherheitssensoren sind als sichere Sensoren
im Sinne von Maschinensicherheit ausgebildet, was bedeutet, dass
sichere Sensoren oder die mit ihnen verbundenen Auswerte- und/oder
Steuereinheiten den einschlägigen Normen EN 954, EN 61496 oder EN
61508 genügen müssen, beispielsweise
eine zweikanalige Struktur, Teststrukturen oder sich selbst überprüfende
Strukturen aufweisen müssen oder auf sonstige Art und Weise
in der Lage sein müssen, auch bei auftretenden Fehlern
weiterhin zuverlässig zu funktionieren und die Fehler selbständig zu
erkennen. Gerade bei derartigen Sicherheitssensoren ist es von höchster
Relevanz, nicht nur zu detektieren, dass eine Person sich einer
Maschine nähert und einen Sicherheitsabstand unterschreitet, sondern
insbesondere auch zu ermitteln, aus welcher Richtung und mit welcher
Geschwindigkeit sich die Person dieser Maschine oder Anlage annähert, um
die Gefahr bringenden Bewegungen der Anlage oder Maschine entsprechend
zu steuern, zu vermindern oder ganz anzuhalten. Insbesondere wenn
sich eine Person mit hoher Geschwindigkeit einer Maschine oder Anlage
nähert, muss diese entsprechend schnell in einen sicheren
Zustand überführt werden, so dass zu keiner Zeit
eine Gefahr für die entsprechende Person besteht.
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Desweiteren
wird derzeit intensiv an anderen Vorrichtungen zur Überwachung
eines dreidimensionalen Raumbereichs gearbeitet, wobei die 3D-Kameratechnologie
eingesetzt werden soll. Dies stößt aber auf erhebliche
Schwierigkeiten, da zum einen 3D-Kameras vorgesehen sein müssen,
die technisch sehr aufwendig sind, und zum anderen es sehr schwierig ist,
Kameras derart sicher auszubilden, dass sie die genannten Sicherheitsnormen
erfüllen. Erste Ansätze sind zwar gemacht, wie
dies beispiels weise in der
EP
1 543 270 und der
EP
1 269 762 beschrieben ist, allerdings sind derartige Kamerasysteme
noch nicht vollständig zertifiziert und aufgrund der Komplexität keinesfalls
akzeptiert.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Vorrichtung zur
Erkennung der Anwesenheit eines Objekts im Raum bereitzustellen,
welche einen dreidimensionalen Bereich überwachen kann
und zudem einfach und kostengünstig ausgebildet ist. Insbesondere
soll eine Vorrichtung zur Erkennung der Anwesenheit eines Objekts
im Raum bereitgestellt werden, welche auf einfache Art und Weise
als sichere Vorrichtung ausgebildet werden kann.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Vorrichtung zur Erkennung der Anwesenheit eines Objekts im
Raum mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, zur Überwachung eines
dreidimensionalen Raums nicht die gesamte Vorrichtung, welche eine
Abtastung in einer Ebene durchführen kann, um eine Drehachse zu
drehen oder zu schwenken, sondern lediglich den Messkopf der Vorrichtung
durch eine zweite Lichtablenkvorrichtung zu drehen oder zu schwenken,
wobei der Messkopf insbesondere die erste Lichtablenkvorrichtung
sowie vorzugsweise den Impulslaser und die Fotoempfangsanordnung
und gegebenenfalls Teile einer Ansteuerung und/oder Auswerteschaltung
umfasst. Energieversorgungen, Anschlüsse oder Anschlusskabel,
Bedienelemente oder das Gehäuse der Vorrichtung, vorzugsweise
auch die meisten Teile der Auswerteschaltung, werden nicht mit be wegt,
um die Zahl der zu bewegenden Teile möglichst gering zu
halten und somit die Vorrichtung möglichst kompakt und
einfach aufbauen zu können.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erkennung
der Anwesenheit eines Objekts im Raum ist daher eine zweite Lichtablenkvorrichtung
zwischen der ersten Lichtablenkvorrichtung und einer Energieversorgung
der ersten Lichtablenkvorrichtung angeordnet, welche an die Auswerteschaltung ein
für ihre momentane Winkelstellung repräsentatives
zweites Winkelpositionssignal abgibt und welche einen Ablenkteller
aufweist, der um eine zweite Drehachse dreh- oder schwenkbar angeordnet
ist und der zur Änderung der Winkelposition der ersten
Ebene ausgebildet ist, wobei die Auswerteschaltung aus dem ersten
Winkelpositionssignal, dem zweiten Winkelpositionssignal und dem
Abstandssignal die Position des Objekts im Raum ermittelt.
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Zusätzlich
ist erfindungsgemäß die Vorrichtung vollständig
in einem Gehäuse mit einer Frontscheibe angeordnet. Nach
außen sind somit keine bewegbaren Komponenten sichtbar,
sodass die Vorrichtung bei entsprechend ausgestaltetem Gehäuse, insbesondere
bei entsprechend abgedichteten Gehäusen, in beliebigen
Umgebungen zur Anwendung kommen kann. Die Frontscheibe ist dabei
für das von dem Impulslaser ausgesandte Licht transparent.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung hat somit den Vorteil,
dass die Laserscannertechnik, welche eine in der Sicherheitstechnik
eingeführte, getestete und zertifizierte Technik ist, die
zudem weithin akzeptiert ist, verwendet werden kann, um einen dreidimensionalen
Raum auf kostengünstige und zuverlässige Art und
Weise zu überwachen, was mit der 3D-Kameratechnik nicht
möglich ist.
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Die
erste Lichtablenkvorrichtung kann in einer Ausführungsform
derart angeordnet sein, dass sie die Einheit von Impulslaser und
Fotoempfangsanordnung rotiert. Besonders bevorzugt ist jedoch die erste
Lichtablenkvorrichtung zwischen dem Raum und dem Impulslaser angeordnet
und weist einen Ablenkspiegel auf, der um die erste Drehachse dreh- oder
schwenkbar angeordnet ist und der zur Aussendung aufeinanderfolgender
Lichtimpulse unter sich verändernden Winkeln in einer ersten
Ebene und zur Lenkung der zurückgeworfenen Lichtimpulse
auf die Photoempfangsanordnung ausgebildet ist, so dass nicht die
Einheit von Impulslaser und Fotoempfangsanordnung durch die erste
Lichtablenkvorrichtung rotiert werden muss, sondern lediglich die
von dem Impulslaser ausgesendeten Lichtimpulse durch die erste Lichtablenkvorrichtung
entsprechend abgelenkt werden.
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Besonders
bevorzugt sind die erste und die zweite Drehachse zueinander senkrecht
angeordnet, was den konstruktiven Aufbau der Vorrichtung vereinfacht
und eine symmetrische Abtastung des Raumes ermöglicht.
Zudem hat dies den Vorteil, dass bei geeigneter Wahl der Umdrehungsfrequenzen
der ersten und zweiten Lichtablenkvorrichtungen die Auflösung
in Richtung der zweiten Drehachse höher ist als in Richtung
im Winkel oder quer zur zweiten Drehachse, da bei jeder Drehung
der ersten Lichtablenkvorrichtung um die erste Drehachse wenigstens
ein Lichtimpuls im wesentlichen in Richtung der zweiten Drehachse
ausgesendet wird.
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Die
erste Lichtablenkvorrichtung ist vorzugsweise auf dem Ablenkteller
angeordnet, sodass die erste Lichtablenkvorrichtung um die zweite
Drehachse gedreht oder geschwenkt wird, um auf diese Art und Weise
Lichtimpulse in einen dreidimensionalen Raumbereich zu senden.
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Besonders
bevorzugt sind der Impulslaser und/oder die Fotoempfangseinrichtung
fest auf dem Ablenkteller angeordnet, sodass ein einfacher und kompakter
Aufbau erreicht wird.
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Vorzugsweise
weist der Ablenkspiegel und/oder der Ablenkteller einen Ablenkwinkel
von mehr als 180°, vorzugsweise von mehr als 270°,
insbesondere von 360° auf, um einen möglichst
großen Raumwinkelbereich überwachen zu können.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
der Ablenkspiegel als Drehspiegel und/oder der Ablenkteller als
Drehteller ausgebildet, da eine kontinuierliche Drehbewegung bspw.
mit Hilfe von Drehmotoren einfacher und kostengünstiger
zu realisieren ist als eine Schwenkbewegung über einen
bestimmten Schwenkwinkelbereich.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt
die Energieübertragung zwischen bewegten und unbewegten
Komponenten der Vorrichtung, insbesondere die Energieübertragung
von der Energieversorgung der ersten Lichtablenkvorrichtung zu der
ersten Lichtablenkvorrichtung, kontaktlos, insbesondere induktiv,
sodass kein Verschleiß auftritt und eine zuverlässige
Energieübertragung gewährleistet ist.
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Besonders
bevorzugt erfolgt die Datenübertragung zwischen bewegten
und unbewegten Komponenten der Vorrichtung kontaktlos, insbesondere induktiv,
kapazitiv oder optisch, bspw. mittels Infrarotlicht. Auf diese Art
und Weise wird einerseits ein Verschleiß verhindert und
andererseits eine zuverlässige Datenübertragung
gewährleistet.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung als
sichere Vorrichtung ausgebildet, insbesondere den Normen
EN 61496, EN 61508 oder EN 954 entsprechend
ausgebildet.
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Vorzugsweise
ist zur Ermittlung der Winkelstellung des Ablenkspiegels und/oder
des Ablenktellers jeweils ein Inkrementalgeber vorgesehen, welcher
vorzugsweise als sicherer Inkrementalgeber ausgebildet ist, um eine
sichere Erfassung der Winkelstellungen und somit der Position des
Objekts im Raum gewährleisten zu können.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist zur Überwachung der
Funktion der Vorrichtung innerhalb des Gehäuses wenigstens
ein lichtreflektierender oder lichtstreuender Testkörper
derart angeordnet, dass in wenigstens einer definierten Winkelstellung der
ersten und/oder zweiten Lichtablenkvorrichtung die von dem Impulslaser
ausgesendeten Lichtimpulse auf den Testkörper fallen und
in die Fotoempfangsanordnung zurückgeworfen werden. Insbesondere
findet ein Vergleich des von dem Testkörper in der Fotoempfangsanordnung
erzeugten Signals mit Referenzsignalen statt, um zu überprüfen,
dass die Vorrichtung ordnungsgemäß funktioniert.
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Eine
weitere Möglichkeit zur Überprüfung der
Funktion der Vorrichtung ist durch eine Testlichtquelle gegeben,
welche derart angeordnet ist, dass in wenigstens einer definierten
Winkelstellung der ersten und/oder zweiten Lichtablenkvorrichtung
die von der Testlichtquelle ausgesendeten Lichtstrahlen in der Fotoempfangsanordnung
detektiert werden, wo sie ebenfalls insbesondere mit Referenzsignalen
verglichen werden können.
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Um
die Position eines Objekts im Raum zuverlässig erfassen
zu können, ist insbesondere eine derart kurze Lichtimpulsdauer
vonnöten, dass während der Aussendung des entsprechenden Lichtimpulses
die Vorrichtung als quasi stillstehend angesehen werden kann. Vorzugsweise
beträgt daher die Lichtimpulsdauer des Impulslasers 1 bis
5 ns, vorzugsweise 2 bis 4 ns, insbesondere etwa 3 ns.
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Damit
eine kurze Ansprechzeit erzielt wird, um zu gewährleisten,
dass keine Objekte unbemerkt in den Raum eindringen können,
weist die erste Lichtablenkvorrichtung, insbesondere der Ablenkspiegel,
eine erste Umdrehungsfrequenz von etwa 20 bis 100 Hz, insbesondere
von etwa 50 Hz auf. Vorzugsweise weist die zweite Lichtablenkvorrichtung, insbesondere
der Ablenkteller, eine zweite Umdrehungsfrequenz von etwa 1 bis
15 Hz, insbesondere von etwa 5 Hz, auf. Sowohl die erste Umdrehungsfrequenz
als auch die zweite Umdrehungsfrequenz sind vorzugsweise variabel
einstellbar, um die Vorrichtung an die entsprechenden Applikationen
anpassen zu können.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Frontscheibe
zumindest teilweise als Teil einer Kugeloberfläche, insbesondere
als Halbkugel, ausgebildet, sodass in einer Ebene eine 360°-Überwachung
und in der dazu senkrechten Ebene eine 180°-Überwachung
eines dreidimensionalen Raums möglich ist.
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Vorzugsweise
ist der Durchmesser des Ablenktellers geringfügig kleiner
als der Durchmesser der halbkugelförmigen Frontscheibe,
wodurch es insbesondere ermöglicht wird, den Ablenkteller
in einer Schnittebene der halbkugelförmigen Frontscheibe anzuordnen,
um auf diese Art und Weise einen möglichst einfachen und
kompakten Aufbau der Vorrichtung zu erreichen.
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Eine
besonders einfache Möglichkeit zur Überwachung
der Frontscheibe der Vorrichtung, insbesondere der Verschmutzung
der Frontscheibe, ergibt sich dadurch, dass in einer Vergleichseinheit
die Signale der von der Frontscheibe zurückgeworfenen Lichtimpulse
mit einem Referenzsignal verglichen werden, wobei das Referenzsignal
das Signal des an einer sauberen Frontscheibe zurückgeworfenen Lichtimpulses
ist. Aufgrund der Tatsache, dass die Frontscheibe in einem engen
Raster von Lichtimpulsen durchsetzt wird, wird eine zuverlässige Überwachung
der gesamten Frontscheibe auf einfache Art und Weise erreicht. Insbesondere
erfolgt damit auch bei einer sauberen Frontscheibe ständig
eine Funktionsüberwachung.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren ausführlich
erläutert. Es zeigt
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1 eine
schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 eine
perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung des Ausführungsbeispiels
gemäß 1,
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3 eine
schematische Seitenansicht des Ausführungsbeispiels gemäß 2,
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4 eine
schematische Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß 2 und
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5 ein
Signal-Zeitdiagramm von verschiedenen Signalen.
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Die 1 bis 4 zeigen
verschiedene Ansichten einer Vorrichtung 10 zur Ermittlung
der Position eines Objekts 110 im Raum 100, wobei
gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen, zur besseren Übersicht
jedoch nicht sämtliche Bezugsziffern in allen Figuren angegeben
sind.
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Die
Vorrichtung 10 weist einen Impulslaser 20 auf,
der gesteuert Lichtimpulse in den Raum 100 sendet. Die
Winkellage der ausgesendeten Lichtimpulse im Raum 100 wird
durch eine erste Lichtablenkvorrichtung 50 und eine zweite
Lichtablenkvorrichtung 60 bestimmt.
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Die
erste Lichtablenkvorrichtung 50 weist einen ersten Motor 58 auf,
welcher eine Drehscheibe 56 zu einer kontinuierlichen Umlaufbewegung
um eine erste Drehachse 90 antreibt. Auf der Drehscheibe 56 ist
ein Kreiszylinderkörper 54 angeordnet, dessen
obere Stirnfläche als Ablenkspiegel 52 ausgebildet
ist, wobei die Stirnfläche unter einem Winkel von 45° zur
ersten Drehachse 90 angeordnet ist. Alternativ kann der
Ablenkspiegel 52 auch als ebene Spiegelplatte ausgebildet
sein, welche auf der Drehscheibe 56 entsprechend angeordnet
ist.
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Am
Umfang der Drehscheibe 56 ist ein erster Inkrementalgeber 57 angeordnet,
der bspw. als Gabellichtschranke ausgebildet sein kann. Der erste
Inkrementalgeber 57 ist insbesondere als sicherer Inkrementalgeber
ausgebildet, sodass eine zuverlässige Erfassung der Winkelposition
der Drehscheibe 56 und somit des Ablenkspiegels 52 jederzeit
gegeben ist.
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Oberhalb
des Ablenkspiegels 52 ist ein Umlenkspiegel 24 angeordnet,
dessen Spiegelfläche ebenfalls in einem Winkel von 45° zur
ersten Drehachse 90 angeordnet ist. Der Umlenkspiegel 24 kann ebenfalls
als Stirnfläche eines Kreiszylinderkörpers oder
als ebene Spiegelplatte ausgebildet sein. Der Umlenkspiegel 24 weist
eine kleinere Fläche auf als der Ablenkspiegel 52.
Im Bereich des Schnittpunktes der ersten Drehachse 90 mit
dem Umlenkspiegel 24 trifft das durch eine Sendelinse 22 gebündelte
Licht des Impulslasers 20 etwa senkrecht zur ersten Drehachse 90 auf
den Umlenkspiegel 24 auf und wird entlang der ersten Drehachse 90 auf
den Ablenkspiegel 52 der ersten Lichtablenkvorrichtung 50 gelenkt.
Der Ablenkspiegel 52 lenkt die Lichtimpulse des Impulslasers 20 im
Wesentlichen senkrecht zur ersten Drehachse 90 ab.
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Das
so erzeugte Lichtbündel 30 gelangt in den Raum 100 und
wird bspw. an dem lichtreflektierenden oder lichtstreuenden Objekt 110 in
ein Empfangslichtbündel 32 reflektiert oder gestreut,
von wo aus es im Sinne eines Autokollimationsstrahlenganges zurück
zum Ablenkspiegel 52 gelangt. Da das Empfangslichtbündel 32 in
der Regel breiter aufgefächert als das Sendelichtbündel 30 ist,
trifft es auch seitlich eines zentralen Bereichs 52a des
Ablenkspiegels 52, welcher insbesondere um den Schnittpunkt der
ersten Drehachse 90 mit dem Ablenkspiegel 52 gebildet
ist und auf den das Sendelichtbündel 30 und insbesondere
ein Mitteleinfallslichtstrahl 34 des von dem Lichtimpulslaser 20 ausgesendeten
Lichtimpulses auftrifft, in einem Ringbereich 52b des Ablenkspiegels 52 auf,
um an dem Umlenkspiegel 24 vorbei entlang der ersten Drehachse 90 zu
einem Interferenzfilter 46 einer Fotoempfangsanordnung 40 reflektiert
zu werden. Im Strahlengang hinter dem Interferenzfilter 46 befindet
sich vor einem Fotoempfänger 42 eine Empfangslinse 44,
die Bereiche 44', 44'' unterschiedlicher Brennweite
aufweist, um auch sehr nahe an der Vorrichtung 10 angeordnete
Objekte 110 einwandfrei erkennen zu können. Die
auf dem Fotoempfänger 42 auftreffenden Lichtimpulse
erzeugen Signale, welche an einer Auswerteschaltung weitergeleitet
und dort verarbeitet werden können.
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Durch
Drehung des Ablenkspiegels 52 um die erste Drehachse 90 wird
das Sendelichtbündel 30 in einer ersten Ebene 95 um
360° abgelenkt.
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Wie
insbesondere in 2 ersichtlich, ist die erste
Lichtablenkvorrichtung 50 einschließlich des Impulslasers 20 und
der Fotoempfangsanordnung 40 auf einem Ablenkteller 62 angeordnet,
wobei die erste Drehachse 90 im Wesentlichen parallel zur
Oberfläche des Ablenktellers 62 verläuft.
Nur die Lichtimpulse, die nicht auf einer den Ablenkteller 62 schneidenden
Geraden von dem Ablenkspiegel 52 abgelenkt werden, können
die Vorrichtung 10 in den Raum 100 verlassen,
sodass sich durch die erste Lichtablenkvorrichtung 50 ein
Abtastbereich von etwa 180°, d. h. der Bereich oberhalb
des Ablenktellers 62, ergibt.
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Die
zweite Lichtablenkvorrichtung 60 ist insbesondere in 2 im
Detail erkennbar. Der Ablenkteller 62 kann entweder direkt
oder wie in 2 dargestellt über
ein im Nachfolgenden detaillierter beschriebenes Gehäuse 132 mit
einer Welle 64 drehfest verbunden sein, welche über
einen Riemen 63 eines Riemenantriebs, der über
einen zweiten Motor 68 angetrieben wird, in kontinuierliche
Umlaufbewegung versetzt wird. Der Riemen 63 verläuft
dabei über ein erstes Rad 63a und ein zweites
Rad 63b, wobei der Motor 68 das erste Rad 63a antreibt
und über den Riemen 63 das zweite Rad 63b,
welches mit der Welle 64 drehfest verbunden ist, angetrieben wird.
Dabei dreht sich der Ablenkteller 62 um eine zweite Drehachse 92,
die insbesondere konzentrisch durch die Welle 64 verläuft.
An dem Ablenkteller 62 ist ein zweiter Inkrementalgeber 67 angeordnet,
der vorzugsweise ebenfalls als sicherer Inkrementalgeber 67 ausgebildet
ist, um jederzeit eine zuverlässige Bestimmung der Winkelstellung
des Ablenktellers 62 gewährleisten zu können.
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Die
Welle 64 ist durch ein Kugellager 65 geführt,
welches über Stützelemente 66 ortsfest
gehalten wird, eine Abstützung der Welle 64 bietet
und insbesondere starke Positionsänderungen der Welle 64 und
somit des Ablenktellers 62 beispielsweise durch Vibrationen
verhindert.
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Auf
dem Ablenkteller 62 der zweiten Lichtablenkvorrichtung 60 sind
der Messkopf der Vorrichtung 10, d. h. die erste Lichtablenkvorrichtung 50 einschließlich
des Impulslasers 20 und der Fotoempfangsanordnung 40 angeordnet.
Bei Drehung des Ablenktellers 62 um die zweite Drehachse 92 wird
ein Abtastwinkelbereich von 360° realisiert. Insbesondere
wird durch die Drehung des Ablenktellers 62 die erste Ebene 95 um
die zweite Drehachse 92 gedreht, sodass die Aussendung
der Lichtimpulse des Impulslasers 20 in den Raum 100 erfolgen.
Wie insbesondere anhand von 4 ersichtlich,
wird die erste Ebene 95 bei Drehung des Ablenktellers 62 in
verschiedene Positionen 95', 95'' gedreht, wobei
bei kontinuierlicher Drehung des Ablenktellers 62 um nur 180° bereits
der gesamte Raumbereich abgedeckt wird.
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Über
dem Ablenkteller 62 wölbt sich etwa halbkugelförmig
eine Frontscheibe 142, welche Teil eines Gehäuses 140 ist,
in welchem die Vorrichtung 10 angeordnet ist. Der Durchmesser
der kugelförmigen Frontscheibe 142 ist dabei geringfügig
größer als der Durchmesser des Ablenktellers 62,
wobei der Ablenkteller 62 in einer Schnittebene entlang
eines Durchmessers der Frontscheibe 142 angeordnet ist. Auf
diese Weise ergibt sich einerseits ein kompakter Aufbau, andererseits
ist die ungehinderte Abstrahlung von Lichtimpulsen durch die Frontscheibe 142 in den
Raum 100 möglich.
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3 zeigt
in einer Seitendarstellung die Schnittpunkte der in der ersten Ebene 95 ausgesendeten
Lichtimpulse mit der Frontscheibe 142, sodass insbesondere
ersichtlich wird, dass in jede Raumrichtung Lichtimpulse abgestrahlt
werden, sodass eine dreidimensionale Überwachung des Raumes 100 möglich
ist.
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Unterhalb
des Ablenktellers 62 und mit dem Ablenkteller drehfest
verbunden ist das Gehäuse 132 angeordnet, in welchem
eine Ansteuerung 130 für den Impulslaser 20 sowie
die Messelektronik für die Fotoempfangsanordnung 40 angeordnet
ist. Diese Messelektronik dreht sich gemeinsam mit dem Ablenkteller 62 und
ist über das Gehäuse 132 drehfest mit
der Welle 64 verbunden.
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Die
Daten- und Energieübertragung zwischen den bewegten Komponenten
der Vorrichtung 10, insbesondere dem Ablenkteller 62 mit
dem Messkopf der Vorrichtung 10, welcher vorliegend den
Impulslaser 20, die Fotoempfangseinrichtung 40 sowie die
erste Lichtablenkvorrichtung 50 umfasst, und den nicht
bewegten Komponenten der Vorrichtung 10 erfolgt kontaktlos.
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Die
Energieübertragung erfolgt induktiv über eine
erste Ferritschale 70 und eine zweite Ferritschale 72.
Die erste Ferritschale 70 ist innerhalb des zweiten Rades 63b des
Riemenantriebes, welches drehfest mit der antreibenden Welle 64 verbunden
ist, angeordnet und fest mit dem Gehäuse 140 der
Vorrichtung 10 verbunden, sodass es sich nicht mit dem
Rad 63b dreht. Die zweite Ferritschale 72 ist
oberhalb der ersten Ferritschale 70 derart innerhalb des
zweiten Rades 63b des Riemenantriebes angeordnet, dass bei
sie Drehung des zweiten Motors 68 der zweiten Lichtablenkvorrichtung 60 und
somit bei Drehung des zweiten Rades 63b mitgedreht wird
und sich somit relativ zur ersten Ferritschale 70 bewegt,
um auf diese Weise eine induktive Energieübertragung von
den nicht bewegten Komponenten der Vorrichtung 10 zu den
bewegten Komponenten der Vorrichtung 10, insbesondere von
einer Energieversorgung zu der ersten Lichtablenkvorrichtung 50 und,
falls nötig, zu dem Impulslaser 20 sowie der Fotoempfangsanordnung 40 zu
ermöglichen. Dazu ist insbesondere die erste Ferritschale 70 mit
einer ersten Elektronikeinheit 150, welche ebenfalls feststehend
in dem Gehäuse 140 angeordnet ist, und die zweite
Ferritschale 72 mit einem zweiten Elektronikmodul 152,
welches zu den bewegten Komponenten zählt und beispielsweise
in oder an dem Gehäuse 132 angeordnet sein kann, verbunden.
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Teil
des ersten Elektronikmoduls 150 ist eine erste Infrarotschnittstelle 80,
Teil des zweiten Elektronikmoduls 152 ist eine zweite Infrarotschnittstelle 82, über
welche kontaktlos Daten mittels infrarotem Licht zwischen den bewegten
und unbewegten Komponenten der Vorrichtung 10 übertragen
werden können. Insbesondere ist dazu das zweite Elektronikmodul 152 mit
der Ansteuerung 130 zum Datenaustausch verbunden, sodass
bspw. die von der Fotoempfangsanordnung 40 detektierten
Signale über das zweite Elektronikmodul 152 und
die zweite Infrarotschnittstelle 82 an die erste Infrarotschnittstelle 80 und
das erste Elektronikmodul 150 in dem feststehenden Gehäuse 140 weitergegeben
werden können. Die kontaktlose Daten- und Energieübertragung hat
den großen Vorteil, dass die Drehung der zweiten Lichtablenkvorrichtung 60 ungehindert
erfolgen kann und zudem kein Verschleiß von Teilen auftritt,
wie es bspw. bei der Verwendung von Schleifringen der Fall wäre.
Dies ermöglicht es weiterhin, die Vorrichtung 10 als
sichere Vorrichtung auszubilden, da auf einfache Art und Weise die
Daten- und Energieübertragung in Testzyklen getestet und
somit kontinuierlich sichergestellt werden kann, was bspw. bei der
Verwendung von Schleifringen nicht der Fall ist.
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Die
Ansteuerung 130 veranlasst den Impulslaser 20 zur
Abgabe von Lichtimpulsen 160 bspw. von einer Dauer von
3 bis 4 ns.
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Weiterhin
steuert die Ansteuerung 130 die erste Umdrehungsfrequenz
des Ablenkspiegels 62 bspw. im Bereich von etwa 20 bis
100 Hz, wobei bspw. eine erste Umdrehungsfrequenz von etwa 50 Hz
besonders bevorzugt ist. Die entsprechenden Befehle zur Ansteuerung
können jedoch auch von dem ersten Elektronikmodul 150 über
die Infrarotschnittstellen 80, 82 an die Ansteuerung 130 weitergegeben werden.
Auch der Ablenkteller 92 weist vorzugsweise eine variable
Umdrehungsfrequenz auf, bspw. im Bereich von etwa 1 bis 15 Hz, wobei
bspw. eine Umdrehungsfrequenz von etwa 5 Hz besonders bevorzugt ist.
Da bei jeder Umdrehung der ersten Lichtablenkvorrichtung 50 um
die erste Drehachse 90 Lichtpulse in Richtung der zweiten
Drehachse 92 ausgesendet werden, ist die Dichte der Lichtimpulse
in Richtung der zweiten Drehachse 92 größer
als in Richtung etwa senkrecht zur zweiten Drehachse 92.
Hierdurch ergibt sich in Richtung der zweiten Drehachse 92, welche
in der Regel in Sichtrichtung der Vorrichtung 10 weist,
eine höhere Auflösung als im Winkel oder quer
zur Sichtrichtung. In Richtung der zweiten Drehachse 92 kann
bei einer ersten Umdrehungsfrequenz von etwa 25 Hz und einer zweiten
Umdrehungsfrequenz von etwa 5 Hz eine Ansprechzeit von 40 ms erreicht
werden, während in Richtung etwa senkrecht zur zweiten
Drehachse 92 eine Ansprechzeit von immerhin noch etwa 100
ms erreicht werden kann, was für sicherheitstechnische
Anwendungen jedoch vollkommen ausreichend ist.
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Über
die Sendelinse 22 und den Umlenkspiegel 24 sowie
den Ablenkspiegel 52 werden Lichtimpulse 160 in
den Raum 100 gesendet. Sie werden bei Reflektion an dem
im Raum 100 befindlichen Objekt 110 nach einer
Laufzeit t1 als Empfangssignal 164, 164' von der
Fotoempfangsanordnung 40 empfangen (vgl. 5).
Aus der Laufzeit t1 und der Lichtgeschwindigkeit kann der Abstand
d des Objekts 110 von der Vorrichtung 10 bestimmt
werden. Wie in 5 ersichtlich, ist auch bereits
nach der Zeit t2 ein kleineres Empfangssignal 162, 162' erkennbar, wobei
diese Laufzeit t2 einem Objekt in der Entfernung des halben Durchmessers
des Ablenktellers entspricht und somit dieses Empfangssignal 162, 162' dem
Rückreflex des Lichtimpulses 160 an der Frontscheibe 142 entspricht.
-
Bei
Abgabe eines Lichtimpulses 160 werden gleichzeitig die
Winkelstellung des Ablenkspiegels 52, welche mit dem ersten
Inkrementalgeber 57 erfasst wird, und die Winkelstellung
des Ablenktellers 62, welche mit dem zweiten Inkrementalgeber 67 erfasst
wird, hinterlegt. Bei Detektion eines Empfangssignals 164, 164', 162, 162' kann
somit aus der Laufzeit t1, t2 nicht nur der Abstand d des Objekts 110 zu der
Vorrichtung 10, sondern auch die relative Lage des Objekts 110 im
Raum 100 bestimmt werden. Diese Information kann für
verschiedenste Einsatzzwecke verwendet werden.
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Einerseits
ist es möglich, die Vorrichtung 10 an einer festen
Position im Raum anzubringen und mit der Vorrichtung 10 die
Anwesenheit eines Objekts im Raum sicher zu erkennen. Zusätzlich
kann überprüft werden, wo genau sich das Objekt
befindet, wobei insbesondere geprüft werden kann, ob sich
dieses Objekt innerhalb oder außerhalb eines definierten
Schutzfeldes befindet. Bei Anwesenheit des Objekts innerhalb von
Gefahrenbereichen kann dann ein Schaltsignal erzeugt werden, welches
zur Abschaltung einer gefährdenden Maschine oder zumindest
zur Überführung der Maschine in einen nicht gefährdenden
Zustand führt.
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Weiterhin
ist es möglich, die Vorrichtung 10 an einem selbstfahrenden
Fahrzeug anzubringen und mit der Vorrichtung 10 zu überprüfen,
ob in Fahrtrichtung Hindernisse vorhanden sind.
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Falls
ein Hindernis vorhanden ist, welches sich insbesondere innerhalb
eines vordefinierten Abstands zu dem Fahrzeug befindet, wird das
Fahrzeug gebremst oder angehalten, um auf diese Weise Kollisionen
zu verhindern.
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Schließlich
ist es auch möglich, die Vorrichtung 10 zur Bereitstellung
eines Navigationssignals für selbstfahrende Fahrzeuge zu
verwenden. Mit Hilfe der Vorrichtung 10 wird die das Fahrzeug
umgebende Raumkontur erfasst und zur Steuerung des Fahrzeugs verwendet.
Beispielsweise kann gefordert werden, dass sich das Fahrzeug zwischen
zwei Fahrbahnbegrenzungen, welche beispielsweise durch entsprechende
Markierungen auf dem Boden gegeben sein können, bewegt,
wobei die Fahrbahnbegrenzungen mit Hilfe der Vorrichtung 10 erfasst
werden. Vor dem Fahrzeug kann ein Schutzfeld definiert werden. Beispielsweise
kann, sobald die Fahrbahnbegrenzungen innerhalb des Schutzfeldes
liegen, eine entsprechende Gegensteuerbewegung eingeleitet werden,
um das Fahrzeug im wesentlichen immer zwischen den Fahrbahnbegrenzungen
fahren zu lassen.
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Um
die Funktionsweise des Impulslasers 20 regelmäßig
zu testen und somit den Anforderungen der einschlägigen
Sicherheitsnormen zu genügen, sind auf dem Ablenkteller 62 in
dem Bereich, der bei Drehung des Ablenkspiegels 52 von
dem Impulslaser 20 ausgesandten Lichtimpulsen überstrichen
wird, ein Testkörper 120 und eine Testlichtquelle 122 angeordnet.
Der Testkörper 120 hat ein definiertes Reflektions-
oder Streuverhalten und produziert bei ordnungsgemäß ausgerichteter
Lichtablenkvorrichtung 50 sowie ordnungsgemäß funktionierendem
Impulslaser 20 ein definiertes Signal in der Fotoempfangsanordnung 40.
Bei jeder Umdrehung des Ablenkspiegels 52 fallen Lichtimpulse
auf den Testkörper 120 und das von dem Testkörper 120 zurückgeworfene Licht
wird in der Fotoempfangsanordnung 40 detektiert und mit
dem Sollsignal verglichen. Wird eine Abweichung festgestellt, lässt
dies auf einen Defekt schließen, sodass bspw. sofort ein
Alarm ausgelöst werden kann, welcher auf den Defekt hinweist.
Auch die Testlichtquelle 122 erzeugt in einer bestimmten Winkelstellung
des Ablenkspiegels 52 ein Signal in der Fotoempfangsanordnung 40,
welches bei jeder Umdrehung des Ablenkspiegels 52 überprüft
und mit einem entsprechenden Referenzsignal abgeglichen werden kann,
um die Ausrichtung der Lichtablenkvorrichtung 50 zu überprüfen.
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Gemäß den
einschlägigen Sicherheitsnormen wird weiterhin gefordert,
dass eine Möglichkeit zur Überprüfung
der Vorrichtung 10 im Hinblick auf die Frage gegeben ist,
ob die Frontscheibe 142 verschmutzt ist. Da die gesamte
Frontscheibe 142 aufgrund der Aussendung von Lichtimpulsen
in alle Raumrichtungen von den Lichtimpulsen in einem engen Raster
durchsetzt wird, wird zur Überprüfung der Verschmutzung
der Frontscheibe 142 der Rückreflex 162, 162' der
Lichtimpulse bei Durchgang durch die Frontscheibe 142 ausgenutzt.
Ist die Frontscheibe 142 sauber, wird ein definiertes Empfangssignal 162 durch
den an der Frontscheibe 142 gestreuten Lichtimpuls in der
Fotoempfangsanordnung 40 erzeugt. Im normalen Betrieb wird
für jeden ausgesendeten Lichtimpuls das entsprechende Empfangssignal 162',
welcher durch Reflexion an der Frontscheibe 142 erzeugt
wird, mit einem hinterlegten Referenzsignal, welches dem Empfangssignal 162 einer sauberen
Frontscheibe 142 entspricht, verglichen. Setzt sich auf
der Frontscheibe 142 eine Schmutzschicht ab oder wird ein
Bereich der Frontscheibe 142 durch sonstige Abdeckungen
blockiert, weicht das in der Fotoempfangsanordnung 40 detektierte Empfangssignal 162' des
an der Frontscheibe 142 zurückgeworfenen Lichtimpulses
von dem hinterlegten Referenzsignal ab, sodass auf eine Verschmutzung
der Frontscheibe 142 der Vorrichtung 10 geschlossen
werden kann. Auf diese Art und Weise ergibt sich eine einfache und
zuverlässige Möglichkeit, die Verschmutzung der
Frontscheibe 142 zu überwachen.
-
- 10
- Vorrichtung
- 20
- Impulslaser
- 22
- Sendelinse
- 24
- Umlenkspiegel
- 30
- Sendelichtbündel
- 32
- Empfangslichtbündel
- 34
- Mitteleinfallslichtstrahl
- 40
- Fotoempfangsanordnung
- 42
- Fotoempfänger
- 44,
44', 44''
- Empfängerlinse
- 46
- Interferenzfilter
- 50
- erste
Lichtablenkvorrichtung
- 52
- Ablenkspiegel
- 52a
- zentraler
Bereich
- 52b
- Ringbereich
- 54
- Kreiszylinder
- 56
- Drehscheibe
- 57
- erster
Inkrementalgeber
- 58
- erster
Motor
- 60
- zweite
Lichtablenkvorrichtung
- 62
- Ablenkteller
- 63
- Riemen
- 63a
- erstes
Rad
- 63b
- zweites
Rad
- 64
- Welle
- 65
- Kugellager
- 66
- Stützelement
- 67
- zweiter
Inkrementalgeber
- 68
- zweiter
Motor
- 70
- erste
Ferritschale
- 72
- zweite
Ferritschale
- 80
- erste
Infrarotschnittstelle
- 82
- zweite
Infrarotschnittstelle
- 90
- erste
Drehachse
- 92
- zweite
Drehachse
- 95,
95', 95''
- erste
Ebene
- 100
- Raum
- 110
- Objekt
- 120
- Testkörper
- 122
- Testlichtquelle
- 130
- Ansteuerung
- 132
- Gehäuse
- 140
- Gehäuse
- 142
- Frontscheibe
- t,
t1, t2
- Laufzeit
- d
- Abstand
- 160
- Lichtimpuls
- 162,
162'
- Empfangssignal
- 164,
164'
- Empfangssignal
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 4340756
C5 [0002]
- - DE 29724806 U1 [0004]
- - DE 3318686 C2 [0004]
- - EP 1543270 [0007]
- - EP 1269762 [0007]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Normen EN
954 [0006]
- - EN 61496 [0006]
- - EN 61508 [0006]
- - Normen EN 61496 [0023]
- - EN 61508 [0023]
- - EN 954 [0023]