专利名称：模块化光幕和用于光幕的光学单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于监测保护区域的光幕，具体涉及一种用于监测保护区域的安全光幕。此外，本发明涉及作为这样的光幕的一部分的光学单元。
背景技术：
一般而言，光幕对对象移动或侵入到守卫区中进行检测，更具体地，光幕提供对使 用机器或其他工业装备来工作的人类操作者的保护。使用红外光束或可见光束的光幕在各种工业应用中被用来提供操作者安全。典型地，光幕被用于机械周围的操作者保护，诸如冲床、制动器、成型机、自动组装装备、绕线机、机器人操作和铸件操作等等。典型地，常规的光幕使用沿着在守卫区的一侧的发送器条在间隔的位置处安装的发光二极管(LED)、和沿着守卫区的相对侧的接收器条安装的光电晶体管(PT)、光电二极管或光电接收器。LED沿着独立的平行通道向接收器条处的PT发送经调制的红外光束。如果诸如操作者臂部的不透明对象阻挡一条或更多条光束穿过，则控制电路关闭机器、阻止机器循环、或以其他方式对区域进行安全保护。通常，安全光幕包括两个光学单元(称作条、杆或带)，这两个光学单元形成为两个不同的构造单元，光学单元中的一个具有发射器的功能，而另一个具有接收器的功能。然而，发射器和接收器的这种专用架构具有几个缺点。第一，制造成本高，这是由于每个类型的光学单元必须有差别地来制造。另外，由于光学通信仅是单向性的即从传送器到接收器的事实，光学同步会很难，并且通信信息的发送仅在一个方向上是可能的。第二，当使用用于进行光幕对准的传送器光学单元的光发射元件时，精度是不令人满意的，因为通过使用该方案仅能够对准系统的一半。因此，如在欧洲专利0889332中说明的，公知地使用独立的对准光源，例如激光。然而，这样的集成式激光对准系统的使用增加了制造光学单元的复杂性和成本。如在欧洲专利EP 1870734中描述的，已经提出了将接收器和发送器定位在第一光学单元和第二光学单元中的每个上。这里，网格具有两个相同的发送/接收带，发送/接收单元固定至发送/接收带。发送/接收带彼此相对布置，其间形成有保护区域。发送/接收带相同地形成在控制和评价单元中。控制和评价单元具有安全输出端，所述安全输出端一起形成为切换通道。针对所有带设置相同的电源。然而，由于公知的发送/接收条被相同地构造并也相同地操作的事实，同步是特别难的问题。此外，由于建立的具有独立的接收器条和发送器条的系统的显著架构差异，根据EP 1870734的组合的接收器/发送器单元不能被用于翻新或更新现有的光幕。此外，根据EP 1870734的系统也具有如下缺点该系统仅能够提供单通道通信，然而，许多应用需要双通道配置。此外，公知地，要提供另外的通信通道以用于提供双向通信。由于同步算法花费很长时间来仅以单向光学器件实现同步，所以公知地可替代地使用连接电缆从而电学地同步杆。
发明内容
本发明的目的是提供一种光幕及一种用于光幕的光学单元，其可以以特别具有成本效益的方式来制造，允许精确对准和同步并与现有的光幕组件兼容。通过独立权利要求的主题来解决该目的。本发明的有利实施方式是从属权利要求的主题。根据本发明，每个光学单元具有带有多个光发射元件和光接收元件的收发器单元、以及至少一个独立可拆卸的插件模块。第一收发器单元和第二收发器单元被相同地构造，然而，第一插件模块和第二插件模块彼此不同，从而限定相应的光学单元的功能。例如，插件模块以例如测试输入端区分光学单元为发射器，或以例如输出信号切换装置OSSD区 分光学单元为接收器。根据本发明的模块化架构允许非常具有成本效益的制造，这是由于收发器模块被相同地构造且另一方面可以以非常灵活的方式用于大量架构。根据有利的实施方式，光幕在至少一个光障被中断时产生限定的输出信号，该输出信号是安全信号。然而，对于本领域技术人员清楚的是，根据本发明的原理也可以用于不用在安全应用中的光幕或也可以用于感测式光幕。根据本发明，第一光学单元和第二光学单元与控制单元在冗余双通道配置下通信，从而满足了例如在“ IEC 61496-1和2，版本2. I，2008-01”中限定的电敏保护装备的需求。根据本发明的插件是单独容纳式可拆卸单元，该插件可以给光学单元提供各种功能。具体地，插件模块可以限定发送器功能，且可以包括至少一个通用输入/输出GPIO端子。可替代地，插件模块可以限定接收器功能，且包括用于使控制单元在至少一个光障的中断时输出安全信号的至少一个输出信号切换装置0SSD。另外，该插件模块可以包括机器初级控制元件/外部装置监测(MPEC/EDM)端子。实现收发器单元的特别有效的方式是提供多个独立的收发器元件，每个收发器元件包括至少一个光发射元件和至少一个光接收(检测)元件。光发射元件可以例如是发光二极管LED。根据有利的实施方式，该光发射元件包括用于生成限定并定向的光束的全内反射(TIR)单元。根据有利的实施方式，发射光是可见光，尤其是具有大约620nm到750nm之间的波长的红光。与在使用红外光时相比，可见光的使用使得能够更容易满足眼睛安全需求。此夕卜，具有可见发射光的LED也可以用于对使用者显示状态信息。这不仅在进行光幕对准时而且在在操作期间提供屏蔽或消隐的可能性时是特别重要的。为了降低噪声和干扰的影响，每个收发器元件可以设置有其自身的用于驱动光发射元件并用于预处理由光检测元件生成的信号的电路。优选地，该电路以专用集成电路ASIC的形式来实现。为了进一步降低成本，不是使用相同数目的发射器和接收器，而是可以更经常地使用它们中较便宜的一个。例如，光发射元件可以是光接收元件的两倍。
每个光学单元具有安装在其上的发送器和接收器的事实提供了实现这些单元之间的用于在光学上传输信息的双向通信的可能性。根据本发明的光学单元不必然每个仅具有一个插件模块，而也可以配备有第二插件模块。当在光学单元处设置顶端插件模块和底端插件模块时，也可以设计复杂的级联机构。
附图被包括到说明书中并形成说明书的一部分以说明本发明的几个实施方式。这些附图连同描述一起用来说明本发明的原理。附图仅用于说明本发明可以如何被完成并使用的优选和可替代的示例，而不应当解释为将本发明仅限制于示出并描述的实施方式。此夕卜，实施方式的几个方面可以单独地或以不同组合的方式来形成根据本发明的方案。如在 附图中示出的，根据本发明的各个实施方式的以下更具体的描述，另外的特征和优点将变得明显，在附图中，相同的附图标记代表相同的元件，其中图I示出了根据本发明的包括两个光学单元的光幕套件的示意图；图2示出了用于安全应用的具有模块化光学单元的光幕的框图；图3示出了两个交互作用的收发器单元的示意图；图4示出了收发器单元的可替代的实施方式；图5示出了两个收发器单元的又一实施方式；图6示出了具有多个级联光学单元的光幕套件的示意图；图7示出了包括几个收发器模块和两个插件模块的光学单元的分解图；图8示出了根据本发明的光幕的内部架构的框图。
具体实施例方式参照图1，示意性地示出了光幕组装套件100。根据本发明，设置有两个相同的收发器单元102、104，二者均具有布置在其上的多个光发射单元和光接收单元。这些收发器单元102、104中的每一个都本身需要另外的插件(plug-in)单元106或108以形成完整的准备运行的光学单元。第一插件模块106可以限定传送器功能并包括通用输入/输出(GPI0，general purpose input/output)。另一方面，第二插件模块108可以例如是包括输出信号切换装置(OSSD，outputsignal switching device)的模块,从而将一个收发器单元102与相应的插件模块的组合限定为接收器单元。如图I中示出的，插件模块106、108可以借助螺丝固定在收发器单元102、104处。然而，也可以使用搭扣配合连接件(snap fit connection)或任何其他的适合的固定器件将插件模块紧固在收发器单元处。设置有一组安装支架(bracket) 110用于将组装的光学单元固定在待监测的保护区域处。安装说明书112和标准测试棒114使光幕组装套件100完整。根据本发明，也可以称作杆的相同的收发器单元102、104在其功能方面由于相关联的插件106、108而不同。如根据下图将明显的，由于每个收发器单元包括光发射器和接收器，所以两个收发器单元之间的双向光通信是可行的。此外，由于双向通信，光同步被简化。可以使用光幕组装套件100替换较老式的经典光幕；如果使用红光发射器作为光发射装置，则可以在无额外帮助的情况下完成光学单元相对于彼此的对准。由于所有收发器单元是相同的，所以它们在制造处理期间的预组装是相同的，并且传送器光学单元或接收器光学单元的区别由插件单元106、108来实现，插件单元106、108小且便宜，并可以被使用者处理。此外，由于只需要一个收发器模块，所以方便替换存储。最终，由于更高的零件量，生产成本被降低。图2示意性地示出了根据本发明的安全光幕的示例性实施方式。在该实施方式中，光幕由两个光学单元116、118形成。第一光学单元116和第二光学单元118中的每一个都包括相同的收发器单元102、104。为了将第一光学单元116区分为传送器单元，第一光学单元116包括插件模块106，该插件模块106装配有通用输入/输出(GPIO)端子。这意味着可以使用图2中示出的配置中的光学单元116来替换如在市场上通常可 获得的传送器杆。另一方面，第二光学单元118在其功能方面被限定为接收器单元，该第二光学单元118具有在第二插件模块108处的OSSD端子。根据本发明的收发器单元102、104中的每一个都包括多个收发器元件120，所述多个收发器元件120更详细地示出在图3中。在图2的具体实施方式
中，每个收发器元件120包括一个指定为发送器Tx的光发射元件122和一个标记为接收元件Rx的光检测元件124。根据本发明，每个光发射元件122发射可见光，具体地发射具有620nm至750nm的波长范围的红光。通过使用可见光，可以通过从相对侧观察可见光容易地对准光学单元116、118。与红外光被用于发射器的最常规的光幕对比，可以在无另外成本的情况下进行对准，并还可以更容易地满足眼睛保护需求。在图2中，针对各个光束和收发器元件的距离给出了几个示例性度量。根据该布置，两个收发器单元102、104具有相同的定向，这意味着光发射装置与光检测装置总是彼此直接相对。光发射器以在传送器与接收器之间建立线性级联的方式来定向。图3示出了可替代的实施方式，其中，第一收发器单元102和第二收发器单元104以光发射元件122总是与光检测元件124直接相对地布置的方式来定向。收发器元件120被详细示出。根据本发明的每个收发器元件120包括带有(carry，携带、支撑)一个光发射二极管122和一个作为光检测兀件124的光电二极管的基底126。为了生成定向光束，光发射元件122包括全内反射(TIR)装置。光检测元件124设置有用于将入射光聚集(bundle)在光检测元件124的感测表面上的透镜光学器件和抛物面反射器130。TIR光学器件是用于高功率发光二极管(LED)的次级光学器件。该光学器件将中心透镜与全反射镜组合用于将光校准成平行光束。根据本发明，每个收发器元件120在公共基底126上将光发射元件122和光检测元件124与它们的光学器件128和130组合，该公共基底126也可以带有用于驱动LED并预处理来自光电检测器的信号所需的电路。当使用红光发射器作为光发射元件122时，发射器同时可以用于显示和感测。此夕卜，红光发射器可以另外用于绝缘(insulation)期间的对准。此外，红光发射器和接收器与红外传感器和传送器相比更具成本效益。光学器件二者可以集成为一个壳部件。从而，可以降低用于制造收发器元件120的成本。
通过针对发射器和接收器使用不同的光学器件，一方面，针对发射器通过使用全内反射可以实现高效率耦接，另一方面，针对接收器可以选择大透镜区域，从而使得高的光功率能够到达敏感区域。通过调节发射功率可以适应有效孔径角(EAA, effective aperture angle)。通过操作光发射元件接近检测限度，错误反射是可检测的。此外，由于接收器过驱动不会发生，所以响应时间较快。用于每个光学单元中的发射器的TIR光学器件导致小的光学器件体积，从而在印刷电路板上留下空间，该空间可以被用于显示器、通信元件、操作及控制元件、以及也有另外的激光对准单元。当然，收发器元件120不需要必须受限于仅具有一个光发射元件122和一个光检测元件124的情况。如在图4和图5中示出的，例如，可以将两个或四个光发射元件与仅一个光检测元件124组合。然而，针对收发器元件120也可以选择任何其他的适合的组合。通过使用交叉束，可以在光幕的整个长度上保持分辨率。在图5中使用了为接收器四倍的发射器。这里每个发射器必须使用多于两个的交叉束。在图5中用箭头标记了临界分辨率位 置(critical resolution location)。到目前为止，总是只有一个用于每个光学单元的插件模块被示出。然而，本发明可以扩展到使用多于一个的插件模块以增强每个光学单元的功能的情况。通过在每个光学单元的两端(“顶端”和“底端”)处使用插件单元，如在图6中示意性地示出的，也可以建立级联架构，其中，达到四个的光学单元以串联方式连接以覆盖待监测的较大区域。此外，可以直接地通过顶端插件模块连接紧急关闭装置。图7示出了根据另外的实施方式的光学单元116或118的分解图。该光学单元以与图I中示出的光学单元相比更复杂的方式来设计，但是模块化特性又导致对于用户的高灵活性。根据该实施方式，收发器单元102包括几个收发器模块132，其带有根据先前的图的多个收发器元件。为了将收发器模块132彼此连接,设置有互联件(interconnection) 134。控制器模块136包括控制器单元，该控制器单元具有包含于其中的微控制器。根据本发明，设置有两个插件模块，即，底端插件模块138和顶端插件模块140。在招挤压型材(aluminum extrusion profile) 144的两端处设置有端帽142以容纳插件模块138和140。透明前窗146保护收发器模块132免于灰尘和湿气。收发器单元102、104根据什么类型的插件模块138、140被插入而被相应地用作传送器或接收器光学单元。从而，可以以特别具有成本效益的方式产生安全光幕。图8作为示例示出了根据本发明的光学单元的内部结构，该光学单元用在具有两个OSSD输出端的接收器单元处。为了提供需要的冗余，设置有两个微处理器μ P1、μΡ2,并且内部通信路径在双通道配置下。另外，可以设置有光通信接口(OCI)，该光通信接口(OCI)使得能够通过光学路径并从光学单元到计算机等来通信。也可以借助根据本发明的相应的插件模块来包含如同消隐(blanking)、屏蔽(muting)或束编码(beam coding)的功能。除非本文中另有表示或上下文清楚地否定，否则描述本发明的上下文中(尤其是所附权利要求的上下文中)的词语“一个”、“一种”、“该”以及相似指示词的使用应当解释成包括单数和复数。除非另有说明，否则词语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”应当解释为开放式词语(即，意思是“包括但不限于”)。除非本文中另有表示，否则本文中的值的范围的叙述仅意在用作单独指示落入范围内的每个独立值的速记方法，并且每个独立值好像在本文中单独叙述一样地合并到说明书中。除非本文中另有表示或上下文另有清楚地否定，否则可以以任何适合的顺序执行本文中描述的所有方法。除非另有要求，否则本文中提供的任何及所有示例或示意性语言(例如“诸如”)的使用仅意在更好地说明本发明并且不造成对本发明范围的限制。说明书中的语言不应当解释为表示任何不要求保护的元件对于实践本发明必需。通过以上的描述可以看出，根据本发明的实施例，提供了如下的方案I. 一种用于监测保护区域的光幕，所述光幕包括至少一个第一光学单元(116)，其具有多个光发射元件(122)和光接收元件(124);以及至少一个第二光学单元(118)，其具有多个光发射元件(122)和光接收元件 (124)，其中，所述光发射元件和光接收元件用于以形成在相对的光发射元件与光接收元件之间的多个光障形成光网格，控制单元，用于处理由所述光接收元件生成的输出信号并用于在至少一个光障被中断时生成限定的输出信号，其中，所述第一和第二光学单元(116、118)每个都包括带有所述多个光发射元件和光接收元件的收发器单元(102、104)、以及至少一个独立可拆卸的插件模块(106、108)，所述第一和第二收发器单元(102、104)基于相同的结构，并且所述第一和第二插件模块(106,108)彼此不同以分别限定所述第一光学单元和第二光学单元的功能。2.根据附记I所述的光幕，其中，在至少一个光障被中断时生成的所述限定的输出信号是安全信号。3.根据附记I或2所述的光幕，其中，所述第一插件模块(106)限定传送器功能并且包括至少一个通用输入/输出GPIO端子。4.根据附记3所述的光幕，其中，所述第二插件模块(108)限定接收器功能并且包括用于使所述控制单元在至少一个光障被中断时输出安全信号的至少一个输出信号切换装置OSSD。5.根据附记4所述的光幕，其中，所述输出信号切换装置在冗余双通道配置下输出所述安全信号。6.根据前述附记之一所述的光幕，其中，所述第二插件模块(108)包括机器初级控制元件/外部装置监测MPCE/EDM端子。7.根据前述附记之一所述的光幕，其中，所述收发器单元(102、104)每个都包括多个收发器元件(120)，每个所述收发器元件(120)包括至少一个光发射元件(122)和至少一个光接收兀件(124)。8.根据附记7所述的光幕，其中，所述光发射元件(122)包括用于生成对准的光束的全内反射TIR单元。9.根据前述附记之一所述的光幕，其中，所述收发器单元(102、104)中的每一个用于向相应的另一收发器单元(104、102)发送光。
10.根据前述附记之一所述的光幕，其中，发射光是可见光，尤其是具有大约620nm到750nm之间的波长的红光。11.根据附记7至10之一所述的光幕，其中，所述光发射元件(122)中的至少一个还用于对使用者显示状态信息。12.根据附记7至11之一所述的光幕，其中，每一个收发器元件(120)包括用于驱动所述光发射元件(122)并用于处理由所述光接收元件(124)生成的信号的电路。13.根据附记7至12之一所述的光幕，其中，对于每一个收发器元件(120)，光发射元件(122)的数目和光接收元件(124)的数目彼此不同。14.根据附记7至13之一所述的光幕，其中，所述光发射元件(122)包括至少一个发光二极管LED。
15.根据前述附记之一所述的光幕，其中，所述光发射单元(122)和光接收单元
(124)中的至少一部分用于传输所述第一和第二光学单元(116、118)之间的通信信号。16.根据前述附记之一所述的光幕,其中，多个第一和第二光发射单兀(122)和/或第一光接收单元(124)中的至少一部分用于生成彼此之间的对准光束，并且其中，所述控制单元用于评价与所述对准光束对应的光接收单元的输出信号以支持所述第一和第二光学单元(116、118)相对于彼此的机械对准。17.根据前述附记之一所述的光幕，其中，所述插件模块(140)中的至少一个适于连接安全装置，优选地，连接紧急停止装置。18.根据前述附记之一所述的光幕，其中，至少一个插件模块(140)被配置成连接两个光学单元以形成级联架构。19. 一种用于光幕的光学单元，所述光学单元具有多个第一光发射元件(122)和第一光接收元件(124)，其中，所述光发射元件和光接收元件用于以形成在相对的第二光发射元件与第二光接收元件之间的多个光障形成光网格，其中，所述光学单元(116、118)包括带有所述多个第一光发射元件(122)和第一光接收元件(124)的收发器单元(102、104)、以及至少一个独立可拆卸的插件模块(104、106)，所述插件模块被配置成限定所述光学单元(116、118)的功能。本文中描述了示例性实施方式。对于本领域普通技术人员而言在阅读之前的描述时，这些实施方式的变体会变得明显。本发明人期望技术人员适当地使用这样的变体，并且本发明人意在本发明可以以本文中具体描述以外的方式来实践。因此，本发明包括本文所附权利要求中叙述的主题的如适用的法律允许的所有修改和等同替换。此外，除非本文中另有表示或上下文另有清楚地否定，否则本发明包括实施方式的所有可能的变体中的以上描述的元件的任何组合。
权利要求
1.一种用于监测保护区域的光幕，所述光幕包括 至少一个第一光学单元(116)，其具有多个光发射元件(122)和光接收元件(124);以及至少一个第二光学单元(118)，其具有多个光发射元件(122)和光接收元件(124)，其中，所述光发射元件和光接收元件用于以形成在相对的光发射元件与光接收元件之间的多个光障形成光网格， 控制单元，用于处理由所述光接收元件生成的输出信号并用于在至少一个光障被中断时生成限定的输出信号， 其中，所述第一和第二光学单元(116、118)每个都包括带有所述多个光发射元件和光接收元件的收发器单元(102、104)、以及至少一个独立可拆卸的插件模块(106、108)，所述第一和第二收发器单兀(102、104)基于相同的结构，并且所述第一和第二插件模块(106、108)彼此不同以分别限定所述第一光学单元和第二光学单元的功能。
2.根据权利要求I所述的光幕，其中，所述第一插件模块(106)限定传送器功能并且包括至少一个通用输入/输出GPIO端子。
3.根据权利要求2所述的光幕，其中，所述第二插件模块(108)限定接收器功能并且包括用于使所述控制单元在至少一个光障被中断时输出安全信号的至少一个输出信号切换装置OSSD。
4.根据前述权利要求之一所述的光幕，其中，所述收发器单元(102、104)每个都包括多个收发器元件(120)，每个所述收发器元件(120)包括至少一个光发射元件(122)和至少一个光接收兀件(124)。
5.根据权利要求4所述的光幕，其中，所述光发射元件(122)包括用于生成对准的光束的全内反射TIR单元。
6.根据权利要求4所述的光幕,其中，对于每一个收发器兀件(120),光发射兀件(122)的数目和光接收元件(124)的数目彼此不同。
7.根据前述权利要求之一所述的光幕，其中，所述光发射单元(122)和光接收单元(124)中的至少一部分用于传输所述第一和第二光学单元(116、118)之间的通信信号。
8.根据前述权利要求之一所述的光幕，其中，多个第一和第二光发射单兀(122)和/或第一光接收单元(124)中的至少一部分用于生成彼此之间的对准光束，并且其中，所述控制单元用于评价与所述对准光束对应的光接收单元的输出信号以支持所述第一和第二光学单元(116、118)相对于彼此的机械对准。
9.根据前述权利要求之一所述的光幕，其中，至少一个插件模块(140)被配置成连接两个光学单元以形成级联架构。
10.一种用于光幕的光学单元，所述光学单元具有多个第一光发射元件(122)和第一光接收元件(124)，其中，所述光发射元件和光接收元件用于以形成在相对的第二光发射元件与第二光接收元件之间的多个光障形成光网格， 其中，所述光学单元(116、118)包括带有所述多个第一光发射元件(122)和第一光接收元件(124)的收发器单元(102、104)、以及至少一个独立可拆卸的插件模块(104、106)，所述插件模块被配置成限定所述光学单元(116、118)的功能。
全文摘要
本发明涉及一种模块化光幕和用于光幕的光学单元，所述光幕包括至少一个第一光学单元，其具有多个光发射元件和光接收元件；以及至少一个第二光学单元，其具有多个光发射元件和光接收元件，其中，所述光发射元件和所述光接收元件用于以形成在相对的光发射元件与光接收元件之间的多个光障形成光网格。所述第一光学单元和第二光学单元每一个都包括带有所述多个光发射元件和光接收元件的收发器单元、以及至少一个独立可拆卸的插件模块，所述第一收发器单元和第二收发器单元被相同地构造，并且所述第一插件模块和第二插件模块彼此不同以分别限定第一光学单元和第二光学单元的功能。
文档编号G02B6/42GK102736121SQ20121010693
公开日2012年10月17日 申请日期2012年4月12日 优先权日2011年4月13日
发明者卡尔·曼赫茨, 马丁·哈德格 申请人:赛德斯安全与自动化公司