DE20000868U1

DE20000868U1 - Optische Positionserfassungsvorrichtung

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Publication number: DE20000868U1
Application number: DE20000868U
Authority: DE
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2000-01-19
Filing date: 2000-01-19
Publication date: 2000-03-23
Anticipated expiration: 2010-01-20

Description

SICK AG S 7349 - Ku/ho

Optische Positionserfassungsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine optische Positionserfassungsvorrichtung.

In vielen Maschinen und Anlagen werden zur Abwendung von Gefahren sogenannte trennende Schutzeinrichtungen verwendet. Diese sind häufig als beweglich trennende Schutzeinrichtungen ausgeführt. Die Schutzwirkung solcher Einrichtungen beruht auf einer elektrischen Verriegelung mit der betreffenden Steuerung, mit der ein jeweiliger gefährlicher Maschinenzustand durch einen entsprechenden Abschaltvorgang beseitigt oder vermieden werden kann.

Die Verriegelung der beweglichen trennenden Schutzeinrichtungen wird mit Sicherheitsschaltern verwirklicht. Dabei werden in der Regel nur die Sicherheitskategorien 1 bis 4 der Norm EN 954-1 in Betracht gezogen. Bei der normgerechten Anwendung solcher Sicherheitsschalter ergeben sich in der Praxis nun aber erhebliche Probleme.

Bei der Anwendung von Sicherheitsschaltern in Steuerungen der Sicherheitskategorien 1 und 2 der Norm EN 954-1 kann die Sicherheitsfunktion beispielsweise beim Auftreten folgender Fehler versagen:

Quer Schluß in der Leitung des betreffenden Schalters mechanisches Versagen des betreffenden Schützes

Verschweißen der Lastkontakte des Schützes.

Bei Steuerungen der Kategorie 2 wird das Schütz mit zwangsgeführten Kontakten ausgeführt. Durch die Schützkontrollfunktionen (SK/EDM) werden die zuvor genannten Fehler aufgedeckt und ein erneutes Ingangsetzen der betreffenden Maschine verhindert. Dies erfordert jedoch das regelmäßige Öffnen der Schutzeinrichtungen sowie den Stop der Maschine, oder es bedingt lange Risikozeiträume zwischen den Zeitpunkten, zu den eventuelle Fehler aufgedeckt werden können. 10

Bei einer Anwendung von Sicherheitsschaltungen in Steuerungen der Sicherheitskategorie 3 der Norm EN 954-1 kann die Sicherheitsfunktion beim Auftreten folgender Fehler versagen:

- Querschluß in den Leitungen der betreffenden Schalter mechanisches Versagen eines Schützes Verschweißen der Lastkontakte eines Schützes Versagen eines Schalters
Nichtbetätigen eines Schalters.
20

Die Schütze werden mit zwangsgeführten Kontakten ausgeführt. Durch die Überwachungsfunktion der Schaltung oder des Schaltgeräts werden die zuvor genannten Fehler aufgedeckt und ein erneutes Ingangsetzen der Maschine verhindert. Das gleichzeitige Versagen der Sicherheitsschalter kann durch diversitären Aufbau oder Betätigung vermieden werden. Zur Verwirklichung sind nun aber zwei Sicherheitsschalter und ein Schaltgerät, oder eine entsprechende sichere Schaltung oder eine Sicherheitssteuerung erforderlich.

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Die Sicherheitskategorie 4 der genannten Norm wird für Sicherheitsschalter nur sehr selten herangezogen. Diese Kategorie spielt hauptsächlich dort eine Rolle, wo Dauer oder Häufigkeit des Aufenthalts im Gefahrenbereich hoch sind. Aus ergonomischen Gründen sollten hier nur selbsttätig bewegliche Schutzeinrichtungen (z.B. Schnellauftore) verwendet werden. Definitionsbedingt dürfte diese Sicherheitskategorie 4 mit mechanisch betätigten Schaltern nur zu verwirklichen sein, wenn wenigstens drei Schalter in Kombination mit einer geeigneten Steuerung oder einem geeigneten Schaltgerät verwendet werden. Derzeit gibt es nun aber keine fertigen Schaltgeräte, die solche Anforderungen erfüllen. Hier käme nur eine entsprechende Sicherheitssteuerung mit passenden Funktionsbausteinen in Frage.

Die angesprochenen Probleme sind in der Industrie bereits seit längerem bekannt. In Verbindung mit den bei der Anwendung von Sicherheitsschaltern entstehenden mechanischen Problemen (ungenaue Führungen, Dejustagen von mechanischen Komponenten, Verschleiß von Führungen und Scharnieren, Vibrationen, Erschütterungen, usw.) führte dies zur Entwicklung von Magnetschaltern, die heute weit verbreitet sind. Auch in solchen Magnetschaltern kann jedoch angesichts der geringen Betätigungstoleranzen, der definierten Anfahrrichtungen und einer unter Umständen leichten Manipulierbarkeit noch keine optimale Lösung gesehen werden.

Es wurden auch bereits Sicherheitsschalter auf der Basis der Transpondertechnologie vorgeschlagen. Die derzeitigen Geräte erreichen die Sicherheitskategorie 3 der Norm EN 954-1 und können vielseitig eingesetzt werden. Obwohl die betreffenden Ausführungen industrietauglich sind und

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sich die betreffenden Systeme bewährt haben, sind insbesondere die beiden folgenden Schwachstellen festzustellen:

eine gewisse Empfindlichkeit gegenüber EMV-Störungen, die zwar nicht die Sicherheit, jedoch die Verfügbarkeit der Systeme beeinträchtigt

eine Einschränkung der Verwendung in Großanlagen, bedingt durch die maximale Leitungslänge zwischen Lesekopf und Auswerteeinheit (zur Zeit nur 15m).

In vielen fördertechnischen Anlagen müssen die Aufgabe- und Abnahmepositionen, d.h. die Stellen, an denen die Ware der Fördertechnik zugefügt oder dieser entnommen wird, gegen unzulässiges Eindringen des Personals abgesichert werden. Hierzu werden in der Regel Zugangsabsicherungen wie Lichtgitter mit Überbrückungsfunktion (Muting) verwendet. Besonders schwierig ist hierbei die Auswahl und Positionierung der geeigneter Mutingsensoren. Die häufig verwendeten Zugschalter entsprechen eigentlich nicht den jeweiligen sicherheitstechnischen Anforderungen an die zeitliche Aufhebung der Wirkung einer Schutzeinrichtung. Werden Lichtschranken (Einweg- oder Reflexionssysteme) verwendet, so besteht ein sehr hohes Manipulationsrisiko oder das Risiko eines unbemerkten Eindringens. Auch die Verwendung von Näherungsschaltern ist aufgrund der nicht eng eingrenzbaren Einsatzbedingungen nicht immer möglich. Hierzu werden oft Induktionsschleifen als Mutingsensoren verwendet. Solche Induktionsschleifen sind zwar zuverlässige Mutingsensoren, sie sind jedoch mit hohen Kosten in der Anschaffung, Montage und Wartung (Lebensdauer) verbunden.

Auch bei Robotern ist in der Praxis eine sichere Positionserkennung erforderlich. Da Roboter in der aktuellen Arbeitsumgebung vielseitig eingesetzt werden, muß der Arbeitsbereich der Roboter aus Sicherheitsgründen (Personensicherheit, Kollisionsschutz) häufig mit der erforderlichen Zuverlässigkeit begrenzt werden (vgl. insbesondere die Norm EN 775).

Ziel der Erfindung ist es, eine optische Positionserfassungsvorrichtung zu schaffen, die unter Vermeidung der zuvor erwähnten Probleme insbesondere auch in den genannten sicherheitstechnischen Bereichen einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß eine optische Sende-/Empfangseinheit vorgesehen ist, die einen Sender mit zugeordneter Sendeoptik sowie einen in definiertem Abstand vom Sender angeordneten Empfänger mit zugeordneter Empfangsoptik umfaßt, daß eine optische Reflektoreinheit mit einem ersten Spiegel und einem in definiertem Abstand von diesem angeordneten zweiten Spiegel vorgesehen ist und daß die beiden relativ zueinander bewegbaren Einheiten so ausgeführt sind, daß dann, wenn diese eine definierte Position relativ zueinander einnehmen, ein vom Sender der Sendeoptik der Sende-/Empfangseinheit ausgehendes paralleles Lichtbündel unter Aufrechterhaltung eines Mindestquerschnitts auf den ersten Spiegel der Reflektoreinheit auftrifft, durch diesen auf den zweiten Spiegel der Reflektoreinheit gelenkt und durch diesen auf die Empfangsoptik der Sende-/Empfangseinheit gelenkt wird.

Aufgrund dieser Ausbildung ist nunmehr insbesondere auch ein optischer Sicherheits- und/oder Positionsschalter realisierbar, der beispielsweise in den eingangs genannten Anwendungsbereichen einsetzbar ist und mit

dem die genannten Probleme vermieden werden. Dabei ist ein solcher optischer Sicherheits- bzw. Positionsschalter auch in anderen als sicherheitstechnischen Bereichen anwendbar.

Im Zusammenhang mit sicherheitstechnischen Anwendungen ergeben sich u.a. die folgenden Vorteile:

Erreichen der geforderten Sicherheitsgarantie mit jeweils nur einem Schalter, verminderter Verkabelungsaufwand

Bei Anwendungen der Kategorie 2 der Norm EN 954-1 werden die entsprechenden Anforderungen leicht erfüllt, ohne die Maschinensteuerung zu beeinflussen (Retrofiting). Die größte Anzahl der Anwendungen betrifft diese Sicherheitskategorie 2 sowie die Kategorie 3.

Bei einer Anwendung der Sicherheitskategorie 2 kann auf die Betätigung der Schutztür und ein Anhalten der Maschine zum Zweck eines zyklischen Tests verzichtet werden, wodurch die Verfügbarkeit der Maschinen entsprechend erhöht wird.

Bei einer Anwendung der Sicherheitskategorie 3 kann auf den zweiten Schalter und den Schutztürwächter verzichtet werden. Die durch das optische System bedingten zusätzlichen Kosten werden somit nicht nur ausgeglichen, sondern durch den erheblich verminderten Montageaufwand gesenkt.

Auch Anwendungen der Sicherheitskategorie 4 sind problemlos möglich. Die Verwendung eines optischen Schalters bringt hier einen eindeutigen Kostenvorteil mit sich.

- Das System ist unempfindlicher gegen EMV-Störungen als vorhandene Transponderlösungen.

Praktisch keine Begrenzung der notwendigen Leitungslängen.

Es kann beispielsweise ein optischer Schalter verwirklicht werden, bei dem z.B. die folgenden Voraussetzungen oder ein Teil davon erfüllt sind:

Es liegt ein Zweiwege-System vor. Sender und Empfänger befinden sich im gleichen Gehäuse, so daß keine bewegliche Leitung mehr erforderlich ist. Das System besteht aus einem (z.B. stationären) aktiven Schalter und einem (z.B. beweglichen) optischen Betätiger. Durch den Verzicht auf das Direktreflexionsprinzip wird eine hohe Manipulationssicherheit erreicht. So ist ausgeschlossen, daß das Auflegen eines Retroreflektors oder eines Spiegels auf den Schalter diesen betätigt.

Die Reichweite soll gering sein. Der Schalter muß sicher schalten, wenn die Schutzeinrichtung mehr als beispielsweise 6 mm bewegt wird. Es muß eine sogenannte Fingersicherheit gegeben sein. Die Reichweite sollte nicht einstellbar sein.

Es sollte eine größere Toleranz gegeben sein. Der Schalter sollte eine Toleranz von beispielsweise etwa 5 mm in den Anfahrrichtungen

aufweisen, um mechanische Toleranzen der trennenden Schutzeinrichtung abzudecken.

Als Sender ist vorzugsweise ein Infrarotlicht-Sender vorgesehen. Es sind jedoch auch andere Lichtsender (z.B. im Rotlichtbereich) denkbar.

Bei einer bevorzugten praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionserfassungsvorrichtung schließt das von der Sendeoptik der Sende-/Empfangseinheit ausgehende Sendelichtbündel mit einer den Sender mit dem Empfänger verbindenden Linie einen spitzen Winkel ein. Vorzugsweise bildet auch das auf die Empfangsoptik auftreffende Empfangslichtbündel mit der den Sender mit dem Empfänger verbindenden Linie einen spitzen Winkel. Die sich schneidenden Sende- und Empfangslichtbündel können somit zusammen mit der den Sender mit dem Empfänger verbindenden Linie ein Dreieck bilden.

Der Sender mit zugeordneter Sendeoptik und der Empfänger mit zugeordneter Empfangsoptik sind vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht, das mit einer Frontscheibe versehen ist, durch die das 20... Sendelichtbündel und das Empfangslichtbündel hindurchtreten. Dabei schneiden sich das Sendelichtbündel und das Empfangslichtbündel vorzugsweise innerhalb des Gehäuses.

Vorzugsweise schließt auch das auf den ersten Spiegel der Reflektoreinheit auftreffende Lichtbündel und das von deren zweitem Spiegel ausgehende Lichtbündel mit dem zwischen den beiden Spiegeln verlaufenden Lichtbündel jeweils einen spitzen Winkel ein.

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Auch die beiden Spiegel der Reflektoreinheit sind vorteilhafterweise wieder in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht, das mit einer Frontscheibe versehen ist, durch die das auf den ersten Spiegel auftreffende Lichtbündel und das vom zweiten Spiegel ausgehende Lichtbündel hindurchtreten. In diesem Fall schneiden sich das auf den ersten Spiegel auftreffende Lichtbündel und das vom zweiten Spiegel ausgehende Lichtbündel zweckmäßigerweise außerhalb des Gehäuses.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Positionserfassungsvorrichtung angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer optischen Positionserfassungsvorrichtung, deren Sende-/ Empfangseinheit Teil eines an einem Maschinengehäuse befestigten Sicherheitsschalters ist und deren Reflektoreinheit an einer Schutztür befestigt ist,

Figur 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer optischen Positionserfassungsvorrichtung, die zur Staplererkennung oder Kranüberwachung verwendbar ist,

Figur 3 eine detaillierte Darstellung der Ausführungsform gemäß Figur 2,

Figur 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer optischen Positionserfassungsvorrichtung, die der sicheren Positionserkennung bei einem Roboter dient,

Figur 5 eine schematische Darstellung einer an einer Robotorachse

angeordneten mehrteiligen Reflektoreinheit, der eine an einem beweglichen Roboterarm angeordnete Sende-/ Empfangseinheit gegenüberliegt, und

Figur 6 eine schematische Darstellung einer Reflektoreinheit mit einem flexiblen einteiligen Spiegelträger.

Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform einer optischen Positionserfassungsvorrichtung 10 mit einer optischen Sende-/Empfangseinheit 12 und einer optischen Reflektoreinheit 14.

Die Sende-/Empfangseinheit 12 umfaßt einen Sender 16 mit zugeordneter Sendeoptik 18 sowie einen in definiertem Abstand A vom Sender 16 angeordneten Empfänger 20 mit zugeordneter Empfangsoptik 22. 20

Die Reflektoreinheit 14 ist mit einem ersten Spiegel 24 und einem in definiertem Abstand B von diesem angeordneten zweiten Spiegel 26 versehen.

Die beiden relativ zueinander bewegbaren Einheiten 12, 14 sind so ausgeführt, daß dann, wenn sie relativ zueinander die in der Figur 1 dargestellte definierte Position einnehmen, ein vom Sender 16 der Sendeoptik 18 der Sende-/Empfangseinheit 12 ausgehendes paralleles Lichtbündel 28 zumindest im wesentlichen unter Aufrechterhaltung eines Mindest-

querschnitts auf den ersten Spiegel 24 der Reflektoreinheit 14 auftrifft, durch diesen auf den zweiten Spiegel 26 der Reflektoreinheit 14 gelenkt und durch diesen auf die Empfangsoptik 22 der Sende-/Empfangseinheit 12 gelenkt wird. Als Sender 16 kann insbesondere ein Infrarotlicht-Sender vorgesehen sein.

Das von der Sendeoptik 18 der Sende-/Empfangseinheit 12 ausgehende Sendelichtbündel 28 schließt mit einer den Sender 16 mit dem Empfänger 20 verbindenden Linie 30 einen spitzen Winkel &agr; ein. Auch das auf die Empfangsoptik 22 der Sende-/Empfangseinheit 12 auftreffende Empfangslichtbündel 32 bildet mit der Verbindungslinie 30 einen spitzen Winkel &agr;'. Entsprechend bilden die sich schneidenden Sende- und Empfangslichtbündel 28, 32 zusammen mit der den Sender 16 mit dem Empfänger 20 verbindenden Linie 30 ein Dreieck. Im vorliegenden Fall sind die beiden Winkel &agr;, &agr;' gleich groß, so daß mit der durch die Verbindungslinie 30 gebildeten Basis ein gleichschenkliges Dreieck gebildet wird.

Wie anhand der Figur 1 zu erkennen ist, sind der Sender 16 mit zugeordneter Sendeoptik 18 und der Empfänger 20 mit zugeordneter Empfangsoptik 22 in einem gemeinsamen Gehäuse 34 untergebracht. Dieses Gehäuse 34 ist mit einer Frontscheibe 36 versehen, durch die das Sendelichtbündel 28 und das Empfangslichtbündel 32 hindurchtreten. Dabei schneiden sich das Sendelichtbündel 28 und das Empfangslichtbündel 32 innerhalb des Gehäuses 34.

Die im Abstand B voneinander vorgesehenen Spiegel 24, 26 der Reflektoreinheit 14 sind so angeordnet, daß das auf den ersten Spiegel 24 auftreffende parallele Sendelichtbündel 28 und das von deren zweitem Spie-

gel 26 ausgehende parallele Empfangslichtbündel 32 mit dem zwischen den beiden Spiegeln 24, 26 verlaufenden parallelen Lichtbündel 38 gleichen Querschnitts jeweils einen spitzen Winkel &bgr; bzw. ß' einschließt. Die beiden Winkel &bgr; und ß' können beispielsweise wieder gleich groß sein. 5

Die beiden Spiegel 24, 26 der Reflektoreinheit 14 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 40 untergebracht. Auch dieses Gehäuse 40 ist wieder mit einer Frontscheibe 42 versehen, durch die das auf den ersten Spiegel 24 auftreffende Sendelichtbündel 28 und das vom zweiten Spiegel 26 ausgehende Empfangslichtbündel 32 hindurchtreten.

Gemäß Figur 1 schneiden sich das auf den ersten Spiegel 24 auftreffende Sendelichtbündel 28 und das vom zweiten Spiegel 26 ausgehende Empfangslichtbündel 32 außerhalb des Gehäuses 40. Wie bereits erwähnt und in der Figur 1 dargestellt, liegt der Schnittpunkt im vorliegenden Fall innerhalb des Gehäuses 34 der Sende-/Empfangseinheit 12.

Nehmen die beiden Einheiten 12, 14 ihre in der Figur 1 dargestellte definierte Relativposition mit einander gegenüberliegenden Frontscheiben 36, 42 und definiertem gegenseitigem Abstand D ein, so gelangt das von der Sendeoptik 18 ausgehende parallele Lichtbündel 28 zumindest im wesentlichen unter Aufrechterhaltung eines Mindestquerschnitts in Form des parallelen Empfangslichtbündels 32 auf die Empfangsoptik 22. Die den Sender 16 mit dem Empfänger 20 verbindende Linie 30 und die den ersten Spiegel 24 mit dem zweiten Spiegel 26 verbindende Linie 44 sind hierbei zueinander parallel.

Dem Empfänger 20 der Sende-/Empfangseinheit 12 kann eine Steuer- und/oder Auswerteelektronik 46 zugeordnet sein. Grundsätzlich kann auch der Sender 16 mit einer solchen Steuerelektronik verbunden sein.

Im vorliegenden Fall ist die Sende-/Empfangseinheit 12 Teil eines Positions- und/oder Sicherheitsschalters. Dabei ist die Sende-/ Empfangseinheit 12 an einem Maschinengehäuse 48 und die Reflektoreinheit 14 an einer relativ zum Maschinengehäuse 48 beweglichen Schutzeinrichtung, hier einer Schutztür 50, befestigt.

Das System besteht somit aus einem die Sende-/Empfangseinheit 12 umfassenden, am Maschinengehäuse 48 befestigten aktiven Teil und einem die Reflektoreinheit 14 umfassenden, an der beweglich trennenden Schutzeinrichtung 50 montierten passiven Teil. Das vom Sender 16 ausgestrahlte Licht, vorzugsweise IR-Licht, tritt durch die Frontscheibe 36 der Teil eines Schalters bildenden Sende-/Empfangseinheit 12 aus, gelangt durch die Frontscheibe 42 der Reflektoreinheit 14 zu deren erstem Spiegel 24, und wird durch diesen auf den zweiten Spiegel 26 reflektiert. Anschließend tritt das Licht durch die Frontscheibe 42 der Reflektoreinheit 14 wieder aus und gelangt durch die Frontscheibe 36 der Sende-/ Empfangseinheit 12 zum Empfänger 20. Die Auswertung der Empfangssignale sowie die Erzeugung entsprechender Schaltbefehle entsprechend der jeweiligen Sicherheitskategorie kann beispielsweise durch die hier im Gehäuse 34 untergebrachte Steuer- und/oder Auswerteelektronik 46 erfolgen. Grundsätzlich ist jedoch auch eine Auswertung der Empfangssignale außerhalb des Schalters in einem getrennten Auswertegerät möglich. Bevorzugt ist allerdings eine integrierte Auswertung.

Durch eine geeignete Kombination der Strahlwinkel &agr; und/oder &agr;', des Basisabstands A zwischen Sender 16 und Empfänger 22 und des Abstandes B zwischen den beiden Spiegeln 24, 26 kann eine geeignete Funktionsreichweite D (Abstand zwischen den beiden Einheiten 12, 14) erreicht werden. Die erforderliche Toleranz kann durch eine geeignete Auswahl des Strahldurchmessers, der Durchlaßgrößen, der optischen Tuben und Frontscheiben 36, 42 und der durch die Spiegel 24, 26 gebildeten Reflexionsflächen erreicht werden.

Denkbar sind solche Systeme beispielsweise in den Sicherheitskategorien 2, 3 und 4 nach der Norm EN 954-1 als Sicherheitspositionsschalter, aber auch beispielsweise in den Kategorien B und 1 (auch nach der Norm EN 954) als optische Positionsschalter.

Da für die Sendersysteme nur geringe Reichweiten erforderlich sind, können die notwendigen kleinen Abmessungen realisiert werden. Hierbei kann insbesondere auch auf bewährte Baugruppen vorhandener Sensorbaureihen zurückgegriffen werden.

Die Reflektorgehäuse können als Profil kostengünstig hergestellt werden. Aufgrund der benötigten kleinen Reichweite können die Anforderungen an die Güte der Reflexionsoberflächen gering gehalten werden.

Die Frontscheiben 36, 42 können beispielsweise zur Erzeugung eines sogenannten Lotus-Blatt-Effekts mit seit kurzem im Handel erhältlichen wasser- und schmutzabweisenden Beschichtungen versehen sein, um die Verfügbarkeit der Systeme zu erhöhen.

Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung eine weitere Ausführungsform einer optischen Positionserfassungsvorrichtung 10, die hier zur Staplererkennung verwendet wird.

Die Positionserfassungsvorrichtung 10 umfaßt wieder eine optische Sende-/Empfangseinheit 12 sowie eine optische Reflektoreinheit 14. Diese können ähnlich den zuvor beschriebenen ausgeführt sein.

Im vorliegenden Fall ist die Reflektoreinheit 14 an einem Stapler 52 befestigt. Die Sende-/Empfangseinheit 12 ist in einem Bereich 54 positioniert, in dem das betreffende zu fördernde Gut 56 auf eine betreffende Fördereinrichtung aufgegeben oder von dieser abgenommen wird.

Auch hier kann die Sende-/Empfangseinheit 12 insbesondere wieder Teil eines optischen Positions- und/oder Sicherheitsschalters sein. Durch eine der erforderlichen Reichweite und Winkeltoleranz angepaßte Ausführung kann eine Staplererkennung unter Vermeidung der eingangs genannten Nachteile verwirklicht werden. Die Winkeltoleranz ist durch das physikalische Prinzip der Doppelspiegelreflexion gegeben, sofern der Auftreffwinkel des Sendelichtbündels auf den ersten Spiegel (bezogen auf die Seite des zweiten Spiegels) größer 90° wird.

Figur 3 zeigt hierzu die Einzelheiten einer solchen Einrichtung. Diese Ausführung kann auch als Kollisionsschutzeinrichtung bei Kränen und ähnlichen Anlagen verwendet werden.

Die Sende-/Empfangseinheit 12 umfaßt einen Sender 16 mit zugeordneter Sendeoptik 18 sowie einen in definiertem Abstand A vom Sender 16 ange-

ordneten Empfänger 20 mit zugeordneter Empfangsoptik 22. Grundsätzlich entspricht diese Ausführung der vorangehenden (vgl. Figur 1), jedoch mit den folgenden Besonderheiten:

Die Reflektoreinheit 14 ist mit einer Anzahl &eegr; von Spiegelpaaren versehen, in denen jeweils die ersten Spiegel 24', 24", . . . bis 24n in festen Winkeln zu, jedoch unterschiedlich definierten Abständen von den zweiten Spiegeln 26', 26", . . . angebracht sind. Die Anzahl und Breite, sowie der gegenseitige Abstand der Einzelspiegel wird entsprechend der benötigten Reichweite (Entfernung zwischen Sende-/Empfangseinheit und Reflektoreinheit) sowie der benötigten Seitentoleranz (Versatz) gewählt.

Die beiden relativ zueinander bewegbaren Einheiten 12,14 sind so ausgeführt, daß dann, wenn sie relativ zueinander die in der Figur 3 dargestellten beliebigen Positionen innerhalb der möglichen Reichweite (z.B. 70', 70", . . ., 7On) einnehmen, ein vom Sender 16 der Sendeoptik 18 der Sende-/Empfangseinheit 12 ausgehendes paralleles Lichtbündel 28 zumindest im wesentlichen unter Aufrechterhaltung eines Mindestquerschnitts auf einen der ersten Spiegel 24^X der Reflektoreinheit 14 auftrifft, durch diesen auf den entsprechenden zweiten Spiegel 26^X der Reflektoreinheit gelenkt und durch diesen auf die Empfangsoptik 22 der Sende-/ Empfangseinheit 12 gelenkt wird. Als Sender 16 kann insbesondere ein Infrarotlicht-Sender vorgesehen sein.

Je nach Entfernung zwischen den relativ zueinander bewegbaren Einheiten 12 und 14 wird der Strahlengang zwischen Sende- und Empfangsoptik von einem Spiegelpaar 24^X, 26^X aufrechterhalten. Der lotrechte gegenseitige Abstand der Spiegel einer Seite und deren Größe ist so gestaltet, daß

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der Mindestquerschnitt des Strahlenbündels in jeder beliebigen Entfernung zwischen den relativ zueinander bewegbaren Einheiten 12 und 14 innerhalb der Reichweite aufrechterhalten wird.

Die beiden Einheiten 12, 14 einer entsprechenden optischen Positionserfassungsvorrichtung 10 können beispielsweise auch an zwei relativ zueinander bewegbaren Teilen eines Roboters vorgesehen sein. Figur 4 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer optischen Positionserfassungsvorrichtung 10, die der sicheren Positionserkennung bei einem Roboter 58 dient.

Um einen bestimmten Arbeitsbereich des Roboters 58 aus Sicherheitsgründen (z.B. Personensicherheit, Kollisionsschutz) zuverlässig zu begrenzen (beispielsweise nach der Norm EN 775), kann insbesondere wieder ein entsprechender optischer Schalter realisiert werden. Die betreffende optische Positionserfassungsvorrichtung 10 kann hierbei grundsätzlich wieder so ausgeführt sein, wie dies zuvor beschrieben wurde.

Die Reflektoreinheit 14 kann eine Vielzahl von jeweils einen ersten und einen zweiten Spiegel 24 bzw. 26 umfassenden Spiegelpaaren aufweisen. Dabei ist insbesondere eine mehrteilig ausgeführte Reflektoreinheit 14 denkbar, bei der jedes Reflektorteil jeweils einen ersten und einen zweiten Spiegel 24 bzw. 26 umfaßt. Eine entsprechende Ausführung mit einem starren Gliederreflektor ist in den Figuren 4 und 5 dargestellt. Es ist jedoch beispielsweise auch eine alternative Ausführungsform denkbar, bei der die Reflektoreinheit 14 einen einteiligen flexiblen Spiegelträger 40' umfaßt und die Spiegel dieser Reflektoreinheit 14 durch einen vorzugswei-

se lose in dem Spiegelträger 14' gelagerten, eine spiegelnde Oberfläche besitzenden flexiblen Materialstreifen 66 gebildet sind (vgl. Figur 6).

Im Fall der Verwendung eines starren Gliederreflektors (vgl. die Figuren 4 und 5) besteht das System aus einem die Sende-/Empfangseinheit 12 umfassenden optischen Schalter 12 und einer mehrteiligen Reflektoreinheit 14, die im vorliegenden Fall durch ein Reflektorenband gebildet ist, das aus mehreren auf einem flexiblen Trägermaterial 60 befestigten Reflektoren 14i besteht. Diese sind jeweils entsprechend der zuvor beschriebenen Reflektoreinheit aufgebaut.

Die durch ein Reflektorenband gebildete Reflektoreinheit 14 wird auf dem beispielsweise zylindrischen Gehäuse 62 der Achse 1 des Roboters 58 befestigt. Der optische Schalter 12 umfaßt im vorliegenden Fall zwei optische Sende-/Empfangseinheiten 12', 12" in einem Gehäuse. Er ist an einem beweglichen Roboterarm 64 befestigt. Die beiden Systeme 12', 12" sind so verstellt, daß zwischen ihnen ein Winkel &ggr; gebildet wird, der dem Spreizwinkel &ggr; zwischen aufeinanderfolgenden Reflektoren 14i entspricht. Im vorliegenden Fall ist das zweite optische System 12" des Schalters 12 entsprechend verstellbar. Jedes der beiden optischen Systeme 12', 12" kann beispielsweise wieder eine Senderanordnung 16, 18 und eine Empfängeranordnung 20, 22 umfassen. Nachdem die relative Verstellung der beiden Systeme 12', 12" dem Spreizwinkel &ggr; des die Reflektoreinheit 14 bildenden Reflektorenbandes entspricht, ist sie hauptsächlich vom Montageradius R dieses Reflektorenbandes abhängig.

Das winkelmäßige Auflösungsvermögen der optischen Positionserfassungseinrichtung ist von der Breite der einzelnen Reflektoren 14i, dem

Strahldurchmesser des Systems sowie dem seitlichen Versatz zwischen den beiden optischen Systemen 12', 12" abhängig. Solange eines der beiden Sende-/Empfangssysteme 12', 12" das die Reflektoreinheit 14 bildende Reflektorenband erkennt, werden ein oder mehrere Ausgänge freigegeben.

Bei der alternativen Ausführungsform gemäß Figur 6 umfaßt die Reflektoreinheit 14 einen einteiligen flexiblen Spiegelträger 40'. Die Spiegel dieser Reflektoreinheit 14 sind durch einen vorzugsweise lose in dem Spiegelträger 40' gelagerten, eine spiegelnde Oberfläche besitzenden flexiblen Materialstreifen 66 gebildet. Dem flexiblen Spiegelträger 40' ist überdies eine Tragschiene 68 zugeordnet. Schließlich ist auch eine biegsame oder flexible Frontscheibe 42 vorgesehen.

Mit geeigneten Materialien ist somit ein einteiliger flexibler Reflektor beispielsweise nach Art eines OTD-2/3-Reflektors (Produktname der Sick AG: Drehstrahl-Lichtvorhang) möglich, da an die Güte der spiegelnden Oberflächen angesichts der geringen benötigten Reichweite keine hohen Anforderungen gestellt werden müssen. Nachdem die spiegelnden Oberflächen durch einen lose gelagerten Materialstreifen gebildet werden, kann die (Mikro-)Rißbildung an den spiegelnden Flächen gering gehalten werden. Der Lichtfleckdurchmesser des Systems wird entsprechend den Eigenschaften des Materials gewählt.

Zweckmäßigerweise wird ein Material mit möglichst geringer Neigung zur Rißbildung verwendet. Dadurch sind kleine Strahldurchmesser mit entsprechend hohem (Winkel-)Auflösungsvermögen möglich. Alternativ hierzu kann ein gut gebündeltes (kollimiertes) Lasersystem verwendet werden,

wobei die hohe Leuchtdichte an den Reflexionspunkten die auftretenden Verluste ausgleicht. Mit einer solchen Konstruktion kann auch der Schalter kostengünstig mit einem einzigen Sende-/Empfangssystem ausgeführt werden.
5

Mit einer solchen Konstruktion kann auch der Schalter kostengünstig mit einem einzigen Sende-/Empfangssystem ausgeführt werden.

Die erfindungsgemäße Positionserfassungsvorrichtung ist beispielsweise auch zur sicheren Bereichsabfrage bei linearen Bewegungen anwendbar. So ist analog zu der bereits geschilderten Anwendung zur sicheren Positionsabfrage eines Achsensystems in vielen Fällen auch eine sichere Bereichsabfrage einer linearen (translatorischen) Bewegung beispielsweise bei Robotern, Handlingsystemen, Krananlagen und/oder ähnlichen An-Wendungen möglich. Hierzu kann der zuvor beschriebene optische Schalter entsprechend mit einem langen Refiektorprofil kombiniert werden, das nicht unbedingt auch flexibel sein muß.

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SICK AG

S 7349 - Ku/ho

Bezugszeichenliste

10 optische Positionserfassungsvomchtung

12 Sende-/Empfangseinheit

12' Sende-/Empfangseinheit

12" Sende-/Empfangseinheit

14 Reflektoreinheit

14i Reflektor

16 Sender

18 Sendeoptik

20 Empfänger

22 Empfangsoptik

24 erster Spiegel

24', 24"

... 24n erster Spiegel eines Spiegelpaares

26 zweiter Spiegel

26', 26"

... 26n zweiter Spiegel eines Spiegelpaares

28 Sendelichtbündel

30 Linie

32 Empfangslichtbündel

34 Gehäuse

36 Frontscheibe

38 Lichtbündel

• &diams;

22

40	Gehäuse
40'	flexibler Spiegelträger
42	Frontscheibe
44	Linie
46	Steuer- und/oder Auswerteelektronik
48	Maschinengehäuse
50	Schutztür
52	Stapler
54	Bereich
56	Gut
58	Roboter
60	Trägermaterial
62	Gehäuse
64	Roboterarm
66	flexibler Materialstreifen
68	Tragschiene
70, 70'
... 70&eegr;	verschiedene Abstände zwischen Sen<

und Reflektor

A	Abstand
B	Abstand
D	Abstand
R	Radius
&agr;	Winkel
&agr;'	Winkel
&bgr;	Winkel

&bgr;' Winkel

&ggr; Winkel

Claims

1. Optische Positionserfassungsvorrichtung (10), dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Sende-/ Empfangseinheit (12) vorgesehen ist, die einen Sender (16) mit zugeordneter Sendeoptik (18) sowie einen in definiertem Abstand (A) vom Sender (16) angeordneten Empfänger (20) mit zugeordneter Empfangsoptik (22) umfaßt, daß eine optische Reflektoreinheit (14) mit einem ersten Spiegel (24) und einem in definiertem Abstand (B) von diesem angeordneten zweiten Spiegel (26) vorgesehen ist und daß die beiden relativ zueinander bewegbaren Einheiten (12, 14) so ausgeführt sind, daß dann, wenn diese eine definierte Position relativ zueinander einnehmen, ein vom Sender (16) der Sendeoptik (18) der Sende-/ Empfangseinheit (12) ausgehendes paralleles Lichtbündel (28) unter Aufrechterhaltung seines Gesamtquerschnitts auf den ersten Spiegel (24) der Reflektoreinheit (14) auftrifft, durch diesen auf den zweiten Spiegel (26) der Reflektoreinheit (14) gelenkt und durch diesen auf die Empfangsoptik (22) der Sende-/ Empfangseinheit (12) gelenkt wird.

2. Positionserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sender (16) ein Infrarotlicht-Sender vorgesehen ist.

3. Positionserfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Sendeoptik (18) der Sende-/ Empfangseinheit (12) ausgehende Sendelichtbündel (28) mit einer den Sender (16) mit dem Empfänger (20) verbindenden Linie (30) einen spitzen Winkel (α)einschließt.

4. Positionserfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das auf die Empfangsoptik (22) der Sende-/Empfangseinheit (12) auftreffende Empfangslichtbündel (32) mit einer den Sender (16) mit dem Empfänger (20) verbindenden Linie (30) einen spitzen Winkel (α') einschließt.

5. Positionserfassungsvorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die sich schneidenden Sende- und Empfangslichtbündel (28 bzw. 30) zusammen mit der den Sender (16) mit dem Empfänger (20) verbindenden Linie (30) ein Dreieck bilden.

6. Positionserfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (16) mit zugeordneter Sendeoptik (18) und der Empfänger (20) mit zugeordneter Empfangsoptik (22) in einem gemeinsamen Gehäuse (34) untergebracht sind, das mit einer Frontscheibe (36) versehen ist, durch die das Sendelichtbündel (28) und das Empfangslichtbündel (32) hindurchtreten.

7. Positionserfassungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Sendelichtbündel (28) und das Empfangslichtbündel (32) innerhalb des Gehäuses (34) der Sende-/ Empfangseinheit (12) schneiden.

8. Positionserfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das auf den ersten Spiegel (24) der Reflektoreinheit (14) auftreffende Lichtbündel (28) und das von deren zweitem Spiegel (26) ausgehende Lichtbündel (32) mit dem zwischen den beiden Spiegeln (24, 26) verlaufenden Lichtbündel (38) jeweils einen spitzen Winkel (β, β') einschließt.

9. Positionserfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spiegel (24, 26) der Reflektoreinheit (14) in einem gemeinsamen Gehäuse (40) untergebracht sind, das mit einer Frontscheibe (42) versehen ist, durch die das auf den ersten Spiegel (24) auftreffende Lichtbündel (28) und das vom zweiten Spiegel (26) ausgehende Lichtbündel (32) hindurchtreten.

10. Positionserfassungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich das auf den ersten Spiegel (24) auftreffende Lichtbündel (28) und das vom zweiten Spiegel (26) ausgehende Lichtbündel (32) außerhalb des Gehäuses (40) schneiden.

11. Positionserfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei die definierte Relativposition einnehmenden Einheiten (12, 14) die den Sender (16) mit dem Empfänger (20) verbindende Linie (30) und die den ersten Spiegel (24) mit dem zweiten Spiegel (26) verbindende Linie (44) zueinander parallel sind.

12. Positionserfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Empfänger (20) der Sende-/Empfangseinheit (12) eine Steuer- und/oder Auswerteelektronik (46) zugeordnet ist.

13. Positionserfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende-/Empfangseinheit (12) einem Schalter, insbesondere einem Positions- und/oder Sicherheitsschalter zugeordnet ist.

14. Positionserfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende-/ Empfangseinheit (12) an einem Maschinengehäuse (48) und die Reflektoreinheit (14) an einem relativ zum Maschinengehäuse (48) beweglichen Schutzeinrichtung, insbesondere einer Schutztür (50) oder dergleichen, befestigt ist.

15. Positionserfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine (14) der beiden Einheiten (12, 14) an einer bewegbaren fördertechnischen Einrichtung wie insbesondere einem Stapler (52), Kran oder dergleichen befestigt und die andere Einheit (12) in einem Bereich (54) positioniert ist, in dem das betreffende zu fördernde Gut (56) aufgegeben oder abgenommen wird.

16. Positionserfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Einheiten (12, 14) an zwei relativ zueinander bewegbaren Teilen (62, 64) eines Roboters (58) vorgesehen sind.

17. Positionserfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoreinheit (14) eine Vielzahl von jeweils einen ersten und einen zweiten Spiegel (24 bzw. 26) umfassenden Spiegelpaaren aufweist.

18. Positionserfassungsvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoreinheit (14) mehrteilig ausgeführt ist und jedes Reflektorteil jeweils einen ersten und eine zweiten Spiegel (24 bzw. 26) umfaßt.

19. Positionserfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoreinheit (14) einen einteiligen flexiblen Spiegelträger (40') umfaßt und die Spiegel dieser Reflektoreinheit 14 durch einen vorzugsweise lose in dem Spiegelträger (40') gelagerten, eine spiegelnde Oberfläche besitzenden flexiblen Materialstreifen (66) gebildet sind.

20. Positionserfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoreinheit (14) eine Mehrzahl (n) von jeweils einen ersten Spiegel (24', 24", . . . 24n) und einen zweiten Spiegel (26', 26" , . . . 26n) umfassenden Spiegelpaaren aufweist, deren erste Spiegel (24', 24", . . . 24n) in einem zumindest im wesentlichen gleichen Winkel zu den jeweiligen zweiten Spiegeln (26', 26", . . . 26n), jedoch in einem unterschiedlichen Abstand zu diesen angeordnet sind.

21. Positionserfassungsvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl von Spiegelpaaren, die Breite der Einzelspiegel sowie der gegenseitige Abstand dieser Einzelspiegel entsprechend der benötigten Reichweite sowie der benötigten Seitentoleranz gewählt ist.

22. Positionserfassungsvorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden relativ zueinander bewegbaren Einheiten (12, 14) so ausgeführt sind, daß innerhalb einer vorgebbaren Reichweite der Strahlengang zwischen der Sendeoptik (18) und der Empfangsoptik (22) unabhängig von der jeweiligen Entfernung zwischen den Einheiten (12, 14) jeweils durch wenigstens ein betreffendes Spiegelpaar aufrechterhalten wird.