ЗАЩИТНАЯ СИСТЕМА
PROTECTIVE SYSTEM

Краткое описание изобретения
Настоящее изобретение относится к защитной системе, в особенности к системе, которая предназначена для использования с оборудованием, имеющим движущиеся части, таким как гибочные прессы, и которая способна обнаруживать препятствие на пути такой движущейся части.
Область изобретения.
Известны различные устройства, предназначенные для того, чтобы при работе не допустить попадания рук рабочего, управляющего производственным оборудованием, таким как гибочные прессы, под движущийся рабочий орган. Очевидно, что это может привести к серьезной травме, принимая во внимание усилие, развиваемое рабочим органом, и скорость, с которой он может перемещаться.
В одном таком защитном устройстве использовано механическое ограждение, размещаемое между рабочим и рабочим органом. Однако использование такого ограждения может ограничивать поле зрения рабочего и препятствовать доступу к заготовке, затрудняя выполнение работы наиболее эффективным способом. Кроме того, известно использование физических ограничителей для удержания рабочего на безопасном расстоянии от движущегося рабочего органа при работе. Такой ограничитель может быть выполнен в виде расположенного на безопасном расстоянии от оборудования стартового выключателя, который необходимо включать двумя руками. Таким образом, у рабочего обе руки заняты, и он не может приблизить руку к рабочему органу при его работе. Однако использование ограничителей затрудняет удержание заготовки и манипулирование ею, что снижает эффективность работы.
Известны также различные приспособления, в которых использованы световые лучи для создания светового заграждения, ограничивающего потенциально опасную площадь вблизи траектории движения рабочего органа. Световые лучи проектируются на датчики, которые способны ощущать разрыв луча и останавливать рабочий орган или замедлять его движение. Недостатки таких устройств с отдельными световыми лучами также связаны с тем, что рабочий изолирован от рабочей зоны. При переналадке станка на новую партию изделий как правило необходимо переустанавливать положение светового заграждения.
Далее, лучи ограничивают только одну зону вблизи рабочего органа, проникновение в которую любого объекта, в том числе части тела рабочего, останавливает оборудование. Кроме того, при использовании отдельных лучей света в световом заграждении имеются зазоры, размещение в которых малых объектов, таких как пальцы, не приведет к остановке оборудования.
Известен еще один способ защиты, предусматривающий использование по меньшей мере одного светового луча, излучаемого вдоль передней кромки рабочего органа. Рабочий орган выполнен так, что световые лучи перемещается вместе с ним, а если препятствие разрывает луч, рабочий орган замедляется или останавливается. В таких устройствах при приближении рабочего органа к заготовке луч должен быть отключен. Кроме того, световой луч должен быть установлен на существенном расстоянии от рабочего органа, для того чтобы вовремя остановить рабочий орган. Таким образом, минимально допустимое расстояние между лучом и рабочим органом зависит от максимальной скорости движения рабочего органа. В некоторых случаях можно использовать несколько световых лучей, находящихся на разных расстояниях от рабочего органа.
К недостаткам таких приспособлений можно отнести необходимость перенастройки световых лучей при смене рабочего органа, а также возможность того, что рабочий подставит руку под рабочий орган, когда лучи отключены. Как и в случае со световым заграждением, лучи не должны попадать на части заготовки, такие как стенка коробки, загибаемая при изготовлении коробки на гибочном прессе, так как всякий раз при обнаружении нового препятствия требуется подтверждение оператора.
Настоящее изобретение является попыткой преодолеть по меньшей мере некоторые недостатки известных защитных систем, используемых для обнаружения присутствия препятствий в опасных зонах вблизи машин, имеющих движущиеся части.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения предлагается защитная система, предназначенная для использования с машиной, имеющей движущийся рабочий орган, перемещаемый по известной траектории, и выполненная с возможностью обнаружения препятствия в зоне вблизи той части вышеуказанной траектории, которая считается опасной, отличающаяся тем, что она включает:
светоизлучающие средства, установленные с возможностью такого излучения света в целом перпендикулярно траектории рабочего органа, при котором указанная зона освещена,
светоприемные средства, установленные с возможностью приема от светоизлучающих средств света, прошедшего через указанную зону, и
средства обработки и управления, выполненные с возможностью получения информации от светоприемных средств, определения, имеется ли в указанной зоне препятствие, по присутствию на светоприемных средствах по меньшей мере одного затененного препятствием участка и управления перемещением рабочего органа в зависимости от наличия препятствий в указанной зоне.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение описано на примере его выполнения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 изображает вид светоизлучающих средств и системы линз для освещения зоны под рабочим органом в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.1b изображает вид еще одного варианта выполнения светоизлучающих средств и системы линз для освещения зоны под рабочим органом в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2а изображает вид светоприемных средств и системы линз для приема света от светоизлучающих средств, представленных на фиг.1а;
фиг.2b изображает вид светоприемных средств и размещения линз для приема света от светоизлучающих средств, представленных на фиг.1b;
фиг.3 изображает вид в перспективе прибора с зарядовой связью, используемого в качестве светоприемных средств;
фиг.4 изображает вид в перспективе гибочного пресса с зоной вблизи кромки рабочего органа, освещенной в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.5 изображает сечение освещенной зоны, созданной светоизлучающими средствами, с маской теней, используемой для проверки;
фиг.6 изображает вид маски 54 теней, создаваемой защитной системой при эксплуатации гибочного пресса, представленного на фиг.4;
фиг.7 изображает вид освещенной зоны, имеющей стоп-зону, очерченную вблизи рабочего органа;
фиг.8 изображает вид освещенной зоны, показанной на фиг.7 в то время как рабочий орган подходит к наковальне.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На чертежах показана защитная система, предназначенная для использования с оборудованием, имеющим движущиеся части, и служащая для обнаружения препятствия на пути движущейся части. В представленном варианте выполнения защитная система используется в гибочном прессе, содержащем рабочий орган 12, предназначенный для перемещения относительно наковальни 14 и удара по заготовке, размещенной на ней. Защитная система включает светоизлучающие средства 16 и светоприемные средства 18. Светоизлучающие средства 16 освещают зону 20 вблизи части траектории рабочего органа 12, чтобы обнаружить препятствия в этой зоне.
Как показано на фиг.1а, для создания параллельного светового луча 24 большой площади используют лазерный диод 22. В этом варианте выполнения изобретения диод 22 используют для освещения сферы 25. Сфера 25 фокусирует лазерный луч в точку 26. Точечный характер источника света может быть улучшен пропусканием луча через микроотверстие (не показано). За точкой 26 лазерный луч света корректируют с использованием вогнутой линзы 30 передающей стороны и первой выпуклой линзы 32 передающей стороны. Луч света затем формируют в виде параллельного луча 24 второй выпуклой линзой 34 передающей стороны. Хотя здесь для создания параллельного луча 24 света использованы сфера 25, линза 30 и линзы 32 и 34, возможны и другие способы его создания.
На фиг.1b показан еще один вариант выполнения изобретения, в котором для создания параллельного светового луча 24 большой площади также используют лазерный диод 22. В этом варианте вместо линзы 30 и линз 32 и 34 используют асферическую или ахроматическую линзу 35 передающей стороны. Вместо линзы 35 могут быть также использованы две выпуклые линзы передающей стороны. Для увеличения длины фокуса без значительного удлинения светоизлучающих средств может быть использовано зеркало 37 передающей стороны, что позволяет использовать две последовательно установленные выпуклые линзы без дальнейшей коррекции.
На фиг.2а показано устройство для фокусирования параллельного светового луча 24 на светоприемных средствах 18. В этом устройстве линзы расположены в обратном порядке по сравнению с тем, который показан на фиг.1а, так что луч света 24 пропускается через первую и вторую выпуклые линзы 36 и 38 приемной стороны и вогнутую линзу 40 приемной стороны, и в результате фокусируется на светоприемных средствах 18.
На фиг.2b показан еще один вариант выполнения устройства для фокусирования луча 24.
В этом устройстве, в котором части расположены в обратном порядоке по сравнению с передающей стороной, использованы ахроматическая и асферическая линза 39 приемной стороны и зеркало 41 приемной стороны. Вместо линзы 39 можно использовать две выпуклые линзы.
Светоприемные средства 18 включают экран 44 с отверстием 42 и устройство 46 для обнаружения изображения. В качестве устройства 46 может быть использован прибор с зарядовой связью или проекционный экран с камерой для наблюдения за спроецированным изображением. В предпочтительном варианте размеры проецируемого изображения меньше, чем размеры устройства 46. Таким образом, часть изображения, проецируемого на устройство 46, может использоваться для определения неточности фокусировки. Возможно также использование большой скорости затвора для создания стробоскопического эффекта. Изображения, и в особенности положение препятствий между стробированными изображениями, могут быть определены путем интерполяции.
Как показано на фиг.4, светоизлучающие средства 16 установлены на одном конце рабочего органа 12 гибочного пресса так, что луч 24 освещает зону 20 вблизи траектории рабочего органа 12, включающую переднюю кромку 48 рабочего органа 12. Светоприемные средства 18, установленные на противоположном конце рабочего органа 12, предназначены для приема луча 24. Если в зону 20 входит препятствие 50, такое как рука оператора, на устройство 46 отбрасывается соответствующая тень 52. Светоизлучающие средства 16 и светоприемные средства 18 установлены неподвижно относительно рабочего органа 12.
Защитная система также включает средства обработки и управления (не показаны), соединенные таким образом, что они получают информацию от светоприемных средств 18, обрабатывают эту информацию и управляют работой гибочного пресса. Средства обработки и управления могут быть выполнены в виде программы, установленной на цифровом сигнальном процессоре или компьютере или встроенной в микропроцессор, на вход которого поступает выходной сигнал светоприемных средств 18.
Средства обработки и управления захватывают изображения, полученные устройством 46, и обрабатывают эти изображения на предмет поиска неизвестных теней.
Средства обработки и управления хранят в памяти изображение, полученное устройством 46 при отсутствии препятствий. В случае, когда светоизлучающие средства 16 и светоприемные средства 18 установлены стационарно относительно рабочего органа 12, это изображение включает переднюю кромку рабочего органа 12. Средства обработки и управления сравнивают текущее изображение, полученное устройством 46, с этим хранящимся в памяти изображением, чтобы определить присутствие на устройстве 46 любых затененных участков, созданных препятствиями в зоне 20. Если обнаружено любое новое препятствие, средства обработки и управления могут остановить или замедлить перемещение рабочего органа 12.
Согласно одному способу управления движением рабочего органа 12, при обнаружении препятствия средства обработки и управления определяют расстояние по вертикали между рабочим органом 12 и препятствием, и если это расстояние превышает тормозной путь рабочего органа 12, позволяют продолжить движение рабочего органа 12. Средства обработки и управления могут также определить толщину тени, отбрасываемой препятствием, и разрешить движение рабочего органа 12, если эта толщина такова, что препятствие не может быть частью тела оператора. Если рабочий орган 12 все же подлежит остановке, оператор может подтвердить, что продолжение работы рабочего органа 12 безопасно средствами ввода, такими как кнопка, предназначенная для посылки сигнала на средства обработки и управления.
Средства обработки и управления могут также создавать общую картину, составленную из изображений, полученных светоприемными средствами 18 при перемещении рабочего органа 12 по своей траектории. Эта картина создается и сохраняется в памяти средств обработки и управления. Такая картина называется картой теней. Карта 54 теней показана на фиг.6, на которой нет теней, кроме теней рабочего органа 12 и наковальни 14. Такая карта теней была бы создана при первом проходе рабочего органа.
Средства обработки и управления могут сохранять в памяти некоторое число известных безопасных карт теней, которыми являются карты 54, на которых не обнаружено препятствий, наличие которых потребовало бы замедлить или остановить гибочный пресс.
Например, безопасной картой теней является карта 54, на которой нет других теней, кроме теней отбрасываемых передней кромкой рабочего органа 12 и наковальней.
При работе если на пути луча света 24 оказывается препятствие, на устройство 46 отбрасывается тень 52. Средства обработки распознают присутствие неизвестной затененной зоны на карте 54 теней и останавливают или замедляют перемещение рабочего органа до тех пор, пока либо тень не исчезнет вследствие устранения препятствия, либо оператор при помощи устройства ввода не подтвердит, что эксплуатация гибочного пресса безопасна. Кроме того, перед тем как остановить гибочный пресс, средства обработки и управления могут допустить опускание рабочего органа 12 до точки, находящейся вблизи препятствия для того, чтобы помочь оператору распознать препятствие, обнаружение которого запустило процесс остановки гибочного пресса.
Если препятствие, обнаруживаемое системой безопасности, расценено как безопасное для продолжения работы, например если оно является ранее загнутым краем заготовки, средства обработки и управления запоминают эту карту теней как известную безопасную карту теней. Поэтому при повторении этой операции средства обработки и управления автоматически распознают препятствие как неопасное и разрешают продолжение работы гибочного пресса.
Средства обработки и управления могут определить, что ранее обнаруженное препятствие опасно, даже несмотря на подтверждение безопасности продолжения работы, полученное от оператора. Например, если средства обработки и управления обнаружат известную тень, примыкающую к краю освещенной зоны, и распознают эту тень как крупную, за которой могло бы скрываться опасное препятствие, средства обработки и управления могут замедлить или остановить перемещение рабочего органа 12 или остановить лезвие на приемлемом расстоянии от материала заготовки.
Чтобы поддержать требования безопасности, карты известных безопасных теней удаляются средствами обработки и управления, если за определенный период времени они не обнаруживаются повторно.
Чтобы при работе создать карты теней 54, требуется детектор положения рабочего органа, предназначенный для обеспечения средств обработки и управления информацией, касающейся положения рабочего органа 12 относительно наковальни 14. Однако имеется еще один вариант выполнения, представленный на фиг.7 и 8, в котором для обнаружения возможного положения рабочего органа 12 детектор положения рабочего органа не используется. В этом варианте средства обработки и управления настроены на обнаружение освещенной зоны 60 в форме латинской буквы V, причем эта зона ограничена с одной стороны V-образной поверхностью наковальни 14, а с другой стороны заготовкой.
Средства обработки и управления выполнены с возможностью выделения стоп-зоны 62 как той части освещенной зоны, которая находится вблизи кромки рабочего органа 12. Если в стоп-зоне 62 появится препятствие, и при этом расстояние между ним и V-образной освещенной зоной 60 будет определено как небезопасное, средства обработки и управления остановят рабочий орган 12 на безопасном расстоянии от материала заготовки (см. фиг.8). Чтобы продолжить работу, необходимо будет подтверждение оператора. Обнаружение наковальни 14 может осуществляться и другими средствами. Это может быть необходимо, если например части заготовки попадают в V-образную освещенную зону 60, препятствуя точному обнаружению наковальни. Предпочтительным является использование некоторой комбинации из этих способов.
Средства обработки и управления включают также средства снижения возможности ложного срабатывания. Средства обработки и управления допускают расширение на некоторое число пикселей, чтобы учесть вибрацию или другие источники ошибок. Тени, созданные при торможении рабочего органа 12, игнорируются из-за того, что при резком торможении светоизлучающие и светоприемные средства 16 и 18 могут отклоняться. Кроме того, средства обработки и управления игнорируют действие подающего устройства гибочного пресса. Форма и возможные положения подающего устройства предварительно конфигурируются и заносятся в защитную систему при вводе ее в эксплуатацию.
Как показано на фиг.5, защитная система предпочтительно снабжена маской 56 теней, помещенной перед светоизлучающими средствами 16 и предназначенной для проверки правильности приема света 24 системой. Маска 56 имеет форму, известную средствам обработки и управления, например форму креста 58. Средства обработки и управления затем проверяют присутствие маски 56 заданной формы, а при ее отсутствии срабатывают на отключение гибочного пресса. Далее, маски теней могут быть расположены и на стороне светоизлучающих средств 16, и на стороне светоприемных средств 18. Обеспечивая согласование масок с обеих сторон, можно подтвердить согласование всей системы или компенсировать некоторое рассогласование.
Согласно некоторым стандартам безопасности может требоваться, чтобы светоизлучающие средства работали в импульсном режиме, так что светоизлучающие средства выключались или тускнели между каждым захватываемым кадром. Светоизлучающие средства 16 желательно было бы включать на минимальное время, необходимое для приведения в действие устройства для обнаружения изображения, и таким образом помогать работе устройства обработки и управления путем создания стробоскопического эффекта. Устройство обработки и управления может использовать период выключения или потускнения для проверки того, что на светоприемные средства 18 не падает искажающий свет от постороннего источника.
Защитная система может быть снабжена устройством вывода, таким как экран или монитор компьютера, которые показывают изображения, проецируемые на устройство 46, и помогают рабочему распознавать обнаруженные препятствия.
Защитная система может также содержать кварцевое отклоняющее устройство, расположенное перед светоизлучающими средствами 16 и предназначенное для коррекции влияния вибрации, а также параболические отражатели бокового излучения в составе светоизлучающих и светоприемных средств 16 и 18, позволяющие обойтись без линз и увеличить зону чувствительности. Кроме того, возможен анализ изгиба заготовки средствами обработки и управления, чтобы снизить риск застревания пальца между заготовкой и рабочим органом 12. Движение теней, которое не согласуется с движением изгибаемого материала, также может служить признаком небезопасного состояния.
Защитная система может включать нониус для регулировки направления светоизлучающих и/или светоприемных средств 16 и 18; при этом возможно автоматическое регулирование этого направления или осуществление световой индикации направления, в котором нарушена регулировка.
Возможны видоизменения и вариации, очевидные для опытного специалиста, в пределах объема настоящего изобретения. Например, луч света 24 здесь описан как параллельный луч света большой площади, однако возможно также использование матрицы фокусированных светоизлучающих устройств и матрицы дискретных датчиков. С матрицей светоизлучающих средств, работающих в таком импульсном режиме, который обеспечивает создание картины, может быть использован точечный p-i-n-фотодиод зоны наилучшего восприятия. Вместо матрицы светоизлучающих средств может быть использован сканирующий лазер с параллельным лучом. В этом случае каждый источник света матрицы может импульсно включаться один за другим в сканирующем порядке или лазер может осуществлять сканирование, так что p-i-n-фотодиод включается при поступлении параллельного светового луча от матрицы, а выключается при появлении тени, отбрасываемой препятствием. Далее, возможно использование ряда p-i-n-фотодиодов зоны наилучшего восприятия, размещенных за оптической щелью. В этом случае для создания картины наподобие описанной выше необходимо будет использовать множество лазеров с широким лучом, установленных с возможностью последовательного излучения вспышек.
Светоизлучающие средства 16 и светоприемные средства 18 могут быть установлены неподвижно относительно наковальни 14, а не рабочего органа 12. Кроме того, светоизлучающие средства 16, светоприемные средства 18 и связанное с ними оптическое оборудование может содержать и другие компоненты. Например, вместо систем линз и зеркал, представленных на фиг.1b и 2b, может быть использован внеосевой параболический отражатель.