DE102009029021A1

DE102009029021A1 - Sensorsystem zur Umfeldüberwachung an einem mechanischen Bauteil und ein Verfahren zur Ansteuerung und Auswertung des Sensorsystems

Info

Publication number: DE102009029021A1
Application number: DE102009029021A
Authority: DE
Inventors: Joachim Frangen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2011-03-03
Anticipated expiration: 2029-09-01
Also published as: US8653837B2; US20110050256A1; JP2011053212A; CN102003612A; DE102009029021B4; JP5765901B2; CN102003612B

Abstract

Es wird ein Sensorsystem und ein Auswerteverfahren zur Umfeldüberwachung an einem mechanischen Baute(1; 12), das an der Oberfläche von Maschinen oder Maschinenteilen anbringbar ist, vorgeschlagen, bei dem mindestens ein Sensorelement (1; 12) aus einem Schichtaufbau von flexiblen elektrisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Lagen (2, 3, 4; 13, 14) aufgebaut ist, wobei elektrisch leitfähige Flächen (6, 7; D, E) einer Lage (2) seitlich derart beabstandet über dazwischen liegende isolierende Lagen (3) angeordnet sind, dass sich elektrische Feldlinien (5) zwischen den leitenden Flächen (6, 7; D, E) herausbilden, die sich bei Annäherung und/oder Kontakt eines Körpers oder Objekts messbar verändern.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur Umfeldüberwachung, insbesondere auch zur Kollisionserkennung an einem mechanischen Bauteil und ein Verfahren zur Ansteuerung und Auswertung des Sensorsystems, insbesondere zur Überwachung von Annäherungen an eine Maschine oder an Maschinenteile bei Fertigungs- oder Montageautomaten, nach der Gattung des Hauptanspruchs und der nebengeordneten Ansprüche.
Bei solchen Fertigungs- oder Montageautomaten kann ein Zusammentreffen von Menschen, z. B. ein Bediener oder Servicepersonal für die Fertigungs- oder Montageautomaten, mit bewegten Maschinen bzw. Maschinenteilen zu Kollisionen führen, die den Menschen und/oder die Funktion der Maschine gefährden. Es ist an sich bekannt, dass bei einer frühzeitigen Erkennung einer solchen Annäherung oder gar bei einer Berührung Maßnahmen getroffen werden können, um eine Kollision zu vermeiden oder zumindest die Energie der Kollision zu reduzieren. Dies ist oft eine wichtige Voraussetzung für eine Zulassung des gleichzeitigen Aufenthalts von Mensch und Maschine im gleichen Arbeitsraum.
Weiterhin ist an sich bekannt, dass zur automatischen Annäherungs- und/oder Kollisionserkennung eine Umfeldüberwachung der Maschine mit unterschiedlichen Sensorprinzipien und Sensoren, wie zum Beispiel optische Sensoren, Ultraschallsensoren oder kapazitive Sensoren, bzw. auch mit einer Kontaktkrafterfassung über den piezoelektrischen Effekt, vorgenommen wird. Solche Sensoren können in der Regel in Sonderfällen eingesetzt werden, um beispielsweise einfach geformte Maschinenteile mit definierten Bewegungsbahnen zu überwachen, sodass bei einer Erkennung einer Annäherung eines Menschen beispielsweise ein sicheres Abbremsen der Antriebe oder der Bearbeitungsaggregate der Maschine ausgelöst werden kann.
Andererseits ist bei relativ komplex geformten Oberflächen oder einer komplexen Bahnbewegung des gefährdenden Maschinenteils eine lückenlose sensorische Umfeldüberwachung oft nur mit sehr hohem Aufwand oder eventuell auch gar nicht möglich. So kann beispielsweise an Kanten und Hinterschneidungen der Maschinenoberfläche die optische Erfassung durch Abschattungen behindert sein oder es kann auch eine Integration von Sensoren an einem zu geringen Bauraum scheitern.
Für bedienersichere Maschinen ist es zur Erfüllung von Sicherheitsnormen üblich, Sicherheitseinrichtungen mit zwei voneinander unabhängigen Sicherheitskanälen mit Diagnosefunktion einzusetzen, sodass ein einzelner Fehler im System nicht zum Verlust der Sicherheit führt. Der Ausfall eines Sicherheitskanals wird sicher erkannt und gemeldet, während der zweite Sicherheitskanal die Sicherheitsfunktion aufrechterhält. Bei solchen Anwendungen ist eine doppelt und unabhängig ausgeführte sensorische Überwachung erforderlich. Sensoren zur sicheren Gestaltung von Maschinen mit zwei Sicherheitskanälen, die flexibel an komplex geformte Oberflächen anpassbar sind, sind nicht bekannt.
Ein eventuell möglicher Ansatz zur Kollisionsverhinderung ist auch, dass bei Maschinen, wie Montageautomaten, häufig ein Schutzzaun eingesetzt wird, sodass durch eine erzwungene Trennung des Menschen von der Maschine die Sicherheit des Bedieners gewährleistet ist. Hierbei können dann beispielsweise zur Teileübergabe sichere Schleusen im Schutzzaun vorhanden sein. Mit einem solchen Schutzzaun ist allerdings keine direkte Zusammenarbeit an einem Fertigungs- oder Montageautomaten mehr möglich, da hier der Mensch und die Maschine nicht zur gleichen Zeit den gleichen Arbeitsraum nutzen können.
Ein weiterer Ansatz mit einer ähnlichen Wirkung ist eine sogenannte Zweihand-Bedienung, bei der die Maschine nur dann arbeitet, wenn beide Hände des Bedieners jeweils einen Taster bedienen. Die Taster sind dabei soweit außerhalb des Arbeitsraumes angeordnet, dass eine Gefährdung des Bedieners durch die laufende Maschine weitgehend ausgeschlossen ist. Bei diesem Konzept können somit der Mensch und die Maschine zwar im Prinzip den gleichen Arbeitsraum nutzen, aber nicht gleichzeitig. Beispielsweise können keine gemeinsamen Handhabungsvorgänge von Mensch und Maschine durchgeführt werden.
Aus der DE 20 2005 002 475 U1 ist speziell für die Anwendung zur Kollisionserkennung bei Industrierobotern eine Schaumstoffabdeckung bekannt, die mit annäherungserkennenden taktilen und kapazitiven Sensoren ausgerüstet ist. Die Anbringung einer solchen Anordnung an unterschiedliche Industrieroboter ist allerdings oft aufwändig.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht von einem Sensorsystem zur Umfeldüberwachung an einem mechanischen Bauteil mit mindestens einem kapazitiven Sensorelement aus, das an der Oberfläche von Maschinen oder Maschinenteilen anbringbar ist. Gemäß der Erfindung ist in vorteilhafter Weise das mindestens eine Sensorelement aus einem Schichtaufbau von flexiblen elektrisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Lagen aufgebaut, wobei elektrisch leitfähige Flächen einer Lage seitlich derart beabstandet über dazwischen liegende isolierende Lagen angeordnet sind, dass sich elektrische Feldlinien zwischen den leitenden Flächen herausbilden, die sich bei Annäherung und/oder Kontakt eines feldverändernden Körpers, wie zum Beispiel eines Menschen, messbar verändern.
Weitere Lagen bilden dabei elektrische Feldlinien in einer elastisch komprimierbaren Schicht aus, sodass eine senkrecht zur Oberfläche des Sensorelementes einwirkende Kraft aufgrund der Kompression der Schicht eine messbare Kapazitätsänderung bewirkt.
Es kann somit als eine Aufgabe der Erfindung angesehen werden, dass eine bedienersichere Zusammenarbeit von Menschen und bewegten Maschinenteilen im gleichen Arbeitsraum zur gleichen Zeit ermöglicht werden soll.
Das zuvor vorgeschlagene erfindungsgemäße Sensorsystem mit einem modularen Aufbau kann mit relativ wenig Aufwand an bewegten Maschinenteilen appliziert werden, sodass eine Annäherung von Menschen und/oder der Kontakt mit Menschen sicher erkannt wird und diese Ereignisse an elektrische Signalausgänge gemeldet werden können. Eine sichere Erkennung bedeutet dabei, dass eine Fehlfunktion eines Sensorelements auch zeitnah ohne Gefährdung des Menschen diagnostiziert werden kann. Insbesondere können mit den erfindungsgemäßen flexiblen Lagen auch komplex geformte Oberflächen an Maschinen mit diesem Sensorsystem auf einfache Weise lückenlos abgedeckt werden.
Wenn das Sensorsystem somit eine Annäherung oder einen Kontakt meldet, kann eine übergeordnete Sicherheitssteuerung wirksame Schutzmaßnahmen auslösen, z. B. kann bei Annäherung oder Kontakt eine Bewegungspause oder – bei Erkennung einer Fehlfunktion des Sensorelements durch eine Eigendiagnose – auch eine Stillsetzung der Maschine und ein Serviceruf erfolgen.
Im Detail kann das erfindungemäße Sensorsystem so aufgebaut werden, dass eine zentrale leitende Fläche einer Polarität und am Rand der Sensorelemente oder auf benachbarten Sensorelementen eine diese über eine isolierende Lage umschließende zweite leitende Fläche der anderen Polarität vorhanden ist und sich die elektrischen Feldlinien dazwischen ausbilden. Ein Schichtaufbau der Lagen kann dabei in vorteilhafter Weise in der oberen Lage aus den leitenden Flächen mit der Ausbildung der elektrischen Feldlinien, der darunterliegenden isolierenden Lage, einer darunterliegenden leitenden Fläche als Abschirmelektrode und einer anschließend darunterliegenden maschinenseitigen isolierenden Lage bestehen.
Alternativ kann auch ein Schichtaufbau der Lagen in der oberen Lage aus den leitenden Flächen zur Ausbildung der elektrischen Feldlinien in den bedienerseitigen Raum, der darunterliegenden isolierenden Lage, einer darunterliegenden leitenden Fläche als Abschirmelektrode, einer weiteren isolierenden Lage, einer Lage mit mindestens einer Elektrode, einer kompressiblen und elektrisch isolierenden Lage, einer weiteren Abschirmelektrode und einer anschließend darunterliegenden maschinenseitigen isolierenden Lage bestehen, wobei die Kapazität zwischen zwei oder mehreren Elektroden durch taktilen Druck von außen messbar veränderbar ist.
Durch die vorgeschlagene getrennte Erkennung von Annäherung und Kontakt bzw. Kollision bestehen auch zwei unabhängig voneinander arbeitende Sensorkanäle, die bei Auftreten eines Fehlers aufgrund ihrer Redundanz ein besonders hohes Maß an Sicherheit gewähren.
Besonders vorteilhaft ist das erfindungemäße Sensorsystem, wenn eine Mehrzahl von Sensorelementen über seitliche Kontaktierungen oder sonstige Verbindungen aneinanderschaltbar sind.
Es können auf einfache Weise an einem, an mehreren oder allen Sensorelementen flexible elektrische Leiterplatten zur Aufnahme von elektronischen Messschaltungsteilen maschinenseitig angebracht werden, die untereinander kontaktier- oder verbindbar und an eine zentrale elektronische Auswerteeinrichtung anschaltbar sind.
Die elektrisch leitenden Lagen oder Flächen können jeweils aus einer flexiblen leitenden Matte, vorzugsweise Kupfervlies und die elektrisch isolierenden Lagen aus einem textilähnlichen Gewebe, vorzugsweise Filz, Kunststoff oder Schaumstoff gebildet sein und die Lagen sind an komplexe dreidimensionale Formen anpassbar und aufbringbar, vorzugsweise durch mechanisches Verknüpfen unterschiedlich geformter Basiselemente, oder auch durch Zuschneiden und Kleben.
Mit einem erfindungemäßen Verfahren zur Ansteuerung und Auswertung des zuvor beschriebenen Sensorsystems kann eine elektronische Auswerteeinrichtung zyklisch alle Sensorelemente dahingehend adressieren und prüfen, ob bei mindestens einem Sensorelement eine signifikante Veränderung der Kapazität gegenüber einem Referenzwert stattgefunden hat, sodass an jeweils einem Ausgang eine Annäherung oder eine Kollision im Umfeld der Maschine oder des Maschinenteils signalisiert wird.
Dazu ist eine schnelle Übertragung der Schaltzustände von Annäherungserkennung und Kollisionserkennung aller Sensorelemente an die Auswerteeinrichtung erforderlich. Zur Adressierung linear verketteter Sensorelemente kann die Reihenfolge der Sensorelemente genutzt werden, indem die Daten entlang der Kette ggf. über mehrere Sensorelemente zur Auswerteeinrichtung hin weitergeleitet werden.
Dazu erhält jedes Sensorelement einen Daten-Eingang und einen Daten-Ausgang, jeweils für die zwei Teilsysteme Annäherungs- und Kollisionserkennung, wobei die Ausgänge des ersten Sensorelementes mit der elektronischen Auswerteeinrichtung und die Eingänge jedes Sensorelementes mit den Ausgängen des nachfolgenden Sensorelementes verbunden sind. Alle Sensorelemente erhalten einen gemeinsamen Takt zur Informationsweitergabe, sodass die Information über die Schaltzustände aller Sensorelemente mit jedem Takt schrittweise von Element zu Element an die elektronische Auswerteeinrichtung übertragen wird.
In einem weiteren, langsameren Zyklus kann dann auch jedes Sensorelement einer Eigendiagnose unterzogen werden, wobei die Sensorelemente in an sich bekannter Weise mit Prüfspannungen oder einem charakteristischen Signalmuster beaufschlagt werden können.
Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende Vorteile:

– Es ist eine flächendeckende, zweikanalig ausgeführte Überwachung von individuell geformten Oberflächen möglich.
– Es ist ein modularer Aufbau des Sensorsystems mit mechanisch und elektrisch aneinanderreihbaren Sensorelementen möglich, zum Beispiel nach dem Prinzip von Teppichfliesen.
– Ein Basissatz von Sensorelementen mit wenigen geometrischen Grundformen (z. B. Quadrate, Rechtecke, Dreiecke) ermöglicht den flexiblen Aufbau komplex geformter Sensorhäute für nahezu beliebige Oberflächen.
– Die Sensorelemente können auf einem textilartigen Träger aufgebaut werden, wobei beliebige Stoffe, wie Gewebe, Filz, Kunststoff, Schaumstoff, etc. verwendet werden können, die sich flexibel an die Oberflächenform von Maschinen anpassen.
– Es sind Folien mit mehrlagigen Leiterbahnen anwendbar, die zuschneidbar sind, damit auch komplexe Oberflächen ohne Sonderanfertigung lückenlos abgedeckt werden können.
– Das Sensorsystem ist schnell und einfach applizierbar, beispielsweise mit Klebstoff oder als Verbund mehrerer Sensorelemente, der mit Klebeband zusammengehalten wird und durch Verknüpfung von Sensorelementen aus Basiselementen gebildet ist, die anhand der Beschreibung der Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Da die Sensorhaut aus mehreren Sensorelementen schnell beispielsweise für Service- und Wartungszwecke abnehmbar und montierbar ist, entsteht nur wenig Arbeitsaufwand und es gibt geringe Maschinenstillstandszeiten.
– Für solche Service- und Wartungszwecke ist ein hoher Sicherheitsstandard durch zwei voneinander unabhängige, gleichzeitig wirkende Sensorsysteme: Annäherungserkennung (berührungslos) und Kontaktkrafterkennung (taktil) gegeben. Mit Eigendiagnose für beide Systeme.
– Ein sicherer Betrieb kann durch eine sichere Eigendiagnose des Sensorsystems gewährleistet werden. Die Eigendiagnose ist auch für beide gleichzeitig wirkende Sensorsysteme: Annäherungserkennung (berührungslos) und Kontaktkrafterkennung (taktil) gegeben.
– Beide Sensorsysteme (Annäherungserkennung, Kontaktkrafterkennung) sind auch einzeln realisierbar, z. B. um in geeigneten Applikationen Kostenvorteile zu erzielen.
– Die Annäherungserkennung reagiert sowohl auf schnelle Bewegungen in großem Abstand (Dynamikfunktion) als auch auf die statische Anwesenheit von Objekten im Nahbereich (Statikfunktion). Eine Fehlauslösung durch statische Objekte in großem Abstand (z. B. Maschinenteile in der Umgebung) wird so vermieden.
– Es entsteht ein geringer Aufwand zur Applikation von Daten durch einheitliche Sensor-Schaltschwellen für alle Sensorelemente (Statik- und Dynamikfunktion).

Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigen:
1A und 1B ein erstes Ausführungsbeispiel flexibler Lagen zur Herausbildung eines kapazitiven Sensorelements in verschiedenen Ansichten,
2 ein Sensorelement nach der 1 in einer Draufsicht mit Feldlinien und Verbindungselementen zum Aneinanderfügen mehrerer Sensorelemente,
3A, 3B und 3C Varianten der Anordnung der Verbindungselemente nach der 2 und der Anordnung jeweils einer Leiterplatte am Sensorelement,
4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Sensorelements mit einer weiteren Elektrode zur Bildung eines kapazitiven Kollisionsdetektors,
5A, 5B und 5C das Ausführungsbeispiel nach 1 mit flexiblen Lagen und mit Schnittlinien zur Anpassung an verschiedene Oberflächen,
6 Sensorelemente mit verschiedenen geometrischen Formen,
7 ein Sensorsystem mit mehreren Sensorelementen unterschiedlicher geometrischer Formen im Verbund zu einer Sensorhaut,
8, 8A, 8B, 8C einen schichtweisen Aufbau unterschiedlicher Lagen eines Sensorelements,
9A und 9B eine schematische Darstellung einer Annäherung an Sensorelemente,
10 ein prinzipielles Blockschaltbild von Schaltungsteilen einer Annäherungs- und Kontaktkraftsensorik im Sensorelement,
11 ein prinzipielles Blockschaltbild mehrerer Sensorelemente mit jeweils einer Annäherungssensorik und einer Zentralelektronik und
12 ein prinzipielles Blockschaltbild mehreren Sensorelementen mit jeweils einer Kontaktkraftsensorik und einer Zentralelektronik.
Wege zu Ausführung der Erfindung
In 1A ist schematisch ein kapazitives Sensorelement 1 mit schichtweisem Aufbau gezeigt, das aus einer flexiblen, zum Beispiel textilähnlichen elektrisch leitenden Lage 2 (z. B. Cu-Vlies), einer elektrisch isolierenden, zum Beispiel ebenfalls textilähnlichen Lage 3 (z. B. Gewebe oder Moosgummi), einer weiteren elektrisch leitenden Lage als Abschirmelektrode 4 und einer weiteren elektrisch isolierenden Lage 3 besteht, die auf eine hier nicht dargestellte Maschine aufbringbar ist, zum Beispiel durch Klebung. Ferner sind die elektrischen Feldlinien 5 erkennbar, die sich zwischen Potenzialflächen 6 und 7 der Lage 2 herausbilden.
In 1B sind die Flächen 6 und 7 sowie die isolierende Lage 3 in einer Draufsicht in einem quadratischen Aufbau gezeigt. Hierbei stellt die Potenzialfläche 6 eine Signalelektrode und die Potenzialfläche 7 die Messelektrode dar.
Aus 2 ist das Sensorelement 1 nach der 1A, B in einer weiteren Ansicht gezeigt, wobei hier auch noch Buchsen 8 und Stecker 9 zur Ankopplung weiterer Sensorelemente 1 schematisch angedeutet sind. Die Kapazität zwischen den Potenzialflächen 6 und 7 wird dabei beispielsweise durch ein sich näherndes menschliches Körperteil (z. B. eine Hand des Bedieners der Maschine durch Pfeil 10 angedeutet) im elektrischen Feld verändert und dadurch erfassbar und kann zu einer Signalisierung oder direkten Reaktion, z. B. einem Bewegungsstopp, führen.
Die Buchsen 8 und die Stecker 9 können dabei an verschiedenen Ecken des Sensorelements 1 zur beliebigen Zusammenschaltung angeordnet werden. Aus 3A ist eine Anordnung zu entnehmen, bei der eine Leiterplatte 11 mit Teilen einer elektronischen Auswerteelektronik mit einer Buchse 8 und einem Stecker 9 rechts unten verbunden ist; 3B zeigt eine Anordnung mit einem Stecker 9 rechts oben und 3B zeigt eine Anordnung mit einem Stecker 9 links oben. Die Schaltungen auf den Leiterplatten 11 aller Sensorelemente 1 sind dadurch über elektrische Leitungen zur Energie- und Datenübertragung mit einer Auswerteelektronik verbindbar.
Um den Verdrahtungsaufwand gering zu halten, können die Sensorelemente 1 somit durch Hintereinanderschalten (z. B. in einer Kettentopologie) verdrahtet werden. Jedes Sensorelement 1 besitzt daher eine Buchse 8 und ein Anschlusskabel mit einem Stecker 9, mit dem die Verbindung zum nächsten Sensorelement 1 herstellbar ist. Die Anschlusskabel zum nächsten Sensorelement 1 können dabei je nach Bedarf in verschiedene Nuten des Sensorelements 1 eingelegt werden.
In jedem Sensorelement 1 ist daher eine elektronische Schaltung integriert, die vorzugsweise auf einem flexiblen Träger als Leiterplatte 11 aufgebaut ist. Diese elektronische Schaltung wandelt die gemessene Kapazität in elektrische Signale um und überträgt diese an die weiter unten erläuterte Auswerteeinrichtung. Außerdem können dabei noch Schaltungsteile integriert werden, die eine zyklische Eigendiagnose zur Überprüfung aller sicherheitsrelevanten Funktionen der Sensorelemente 1 erlauben.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 12 mit einer gegenüber der bisher erläuterten Annäherungssensorik zusätzlichen Funktion in Form einer Kollisionssensorik durch Berührung. Hierzu sind weitere Elektroden in Lage 13 eingefügt. Als Messgröße dient hier die Kapazität zwischen den Elektroden in Lage 13, sodass bei einer Kollision des Sensorelementes 12 mit einem Objekt die elastische isolierende Lage 5 zwischen den Elektroden der Lage 13 und einer zusätzlichen Elektrode 14 zusammengedrückt wird und dadurch sich die Kapazität zwischen den Elektroden der Lage 13 verringert. Diese Änderung wird erfasst und kann an einem Signalausgang als Kollision gemeldet werden.
Sensorelemente 1 und 12 sind somit ein weiches, biegsames Messelement zur Erfassung vorzugsweise der Annäherung von Mensch und Maschine und/oder der Kontaktkräfte bei Kollisionen, wobei beide Grundfunktionen einzeln oder gemeinsam realisierbar sind. Solche Sensorelemente 1 und 12 können in wenigen geometrischen Grundformen (Quadrate, Rechtecke, Dreiecke) ausgeführt werden, die aneinandergereiht werden können, um so nahezu beliebig geformte Oberflächen lückenlos abzudecken. Mehrere aneinandergereihte Sensorelemente 1 und 12 bilden eine weiter unten noch näher beschriebene Sensorhaut, die wie eine Jacke über ein abzusichernde Maschinenteil gezogen werden kann. Dabei kann ein Sensorhaut-Segment auch aus mehreren, gegeneinander beweglichen Sensorhaut-Segmenten bestehen. Beispielsweise erfordert die Absicherung eines sechs-achsigen Roboters die Einteilung der Sensorhaut in sechs mechanisch getrennte Segmente, die jeweils eine Achse vollständig abdecken. Während der Maschinenbewegung verformen sich die einzelnen Sensorhaut-Segmente in sich nicht, können sich aber gegeneinander verschieben oder verdrehen.
Aus 5A, 5B und 5C sind Ausführungsformen der Sensorelemente 1 oder 12 zu entnehmen, die Beispiele für Schnittlinien 15 zur Anpassung der Form des jeweiligen Sensorelementes 1 oder 12 an eine Maschinenoberfläche erlauben. Dadurch kann mit einer Verbindung mehrerer Sensorelemente 1 oder 12 eine sogenannten Sensorhaut gestaltet werden, die beliebige dreidimensionale Oberflächenstrukturen überdecken kann. Zum Abdecken einer solchen größeren Oberfläche können dann mehrere Sensorelemente 1 oder 12 schrittweise auf die Oberfläche aufgelegt werden, z. B. angeordnet in Form einer Kette, und an engen Stellen, am Rand oder auf gekrümmten Flächen werden die notwendigen Sensorelemente 1 oder 12 passend zugeordnet. Konkrete Aufbaumöglichkeiten der Sensorhaut werden weiter unten anhand der 6 und 7 beschrieben.
Anschließend werden die Sensorelemente 1 oder 12 untereinander befestigt, beispielsweise durch ein flächendeckendes Überkleben mit einem Textilklebeband. Danach kann der Gesamtverbund von der Oberfläche abgenommen werden und alle Sensorelemente 1 oder 12 können mit ihren Buchsen 8 und Steckern 9 elektrisch zu einer Kette verbunden werden. Zur Überbrückung größerer Entfernungen können dabei auch Verlängerungskabel eingesetzt werden.
Dieser zuvor beschriebene Verbund bildet jetzt die sogenannte Sensorhaut. Diese wird auf die Maschinenoberfläche aufgelegt und die Fixierung erfolgt mit Klebeband oder auch durch ein Überziehen mit einer maßgeschneiderten Kunstlederhaube. Dieser Verbund ist leicht montierbar und demontierbar, z. B. für Service- und Wartungszwecke. Letztendlich wird diese Sensorhaut mit einer weiter unten erläuterten Auswerteeinheit verbunden.
In 6 sind Ausführungsbeispiele von Sensorelementen 1 oder 12 in verschiedenen geometrischen Formen, wie Quadrat, Rechteck oder Dreieck, gezeigt, wobei hier noch Durchbrüche 31 zu erkennen sind, die zur Verkettung der Sensorelemente 1 oder 12 zur Hindurchführung von beispielsweise Klettband geeignet sind. 7 zeigt beispielhaft eine solche Anordnung als Sensorhaut mit mittels Klettbänder 32 verketteter Sensorelemente 1 oder 12. Mehrere Sensorelemente 1 oder 12 sind dadurch über lösbaren Verbindungen mechanisch zu der Sensorhaut miteinander verbunden, z. B. auch nach einem Kordel-/Loch-Prinzip (Kordeln, die ähnlich Schuhbändern durch Löcher am Rand der Sensorelemente gezogen werden), mit Klettbändern, mit Druckknöpfen oder mit Klebeband. Elektrisch werden alle Sensorelemente 1 oder 12 einer Sensorhaut mit Kabeln hintereinandergeschaltet und über das erste Sensorelement 1 oder 12 mit einer weiter unten beschriebenen Zentraleinheit verbunden.
Anhand 8 soll als weiteres Ausführungsbeispiel in Weiterbildung zur 4 ein schichtweiser Aufbau eines kapazitiven Sensorelements 12 zur Annäherungserkennung und Kollisionserkennung mit flexiblen textilähnlichen Lagen erläutert werden, von denen einige leitend und andere isolierend sind. Die nachfolgend erläuterten dargestellten Lagen können hier durch eine flächige Verklebung zu einem ca. 9 mm dicken Schichtpaket verbunden werden.
Als oberste Lage dient eine elastische Isolationslage 41 zur bedienerseitigen elektrischen Passivierung, zur Abschirmung von Umwelteinflüssen und als optischer Abschluss.
Es folgt eine leitende Lage 42 als strukturiertes Kupfer-Vlies, bei dem gemäß 8A eine Potenzialfläche A als Sendefläche und eine Potenzialfläche B als Empfangsfläche für die Messkapazität des Sensorelements 1 als Annäherungssensors dient.
Darunter liegt eine Isolationslage 43, die einen elektrischen Kontakt zwischen der Lage 42 und der nachfolgenden Lage 44 verhindert.
Die Lage 44 stellt eine ganzflächige Potenzialfläche für die Kapazitätsmessung zu den benachbarten, hier nicht gezeigten Sensorelementen dar und dient insbesondere einer Begrenzung der Nahfeldsensor-Wirkrichtung zur Bedienerseite, einem Abblocken der elektrischen Felder Richtung Maschinenseite, einem Abblocken von maschinenseitigen Einstreuungen in den Nahfeldsensor, einem Abblocken von bedienerseitigen Einstreuungen in den Kontaktkraftsensor und einer Begrenzung der elektrischen Felder des Kontaktkraftsensors auf eine Lage 47, die weiter unten erläutert wird.
Es folgt dann wieder eine Isolationslage 45, die einen elektrischen Kontakt zwischen der Lage 44 und einer Lage 46 verhindert.
Die leitende Lage 46 ist wiederum ein strukturiertes Kupfer-Vlies gemäß 8B, bei dem Potenzialflächen 4 als identische Messkapazitäten D/E1, D/E2, D/E3 und D/E4 für die Messkapazitäten des Sensorelements 12 als Kontaktkraftsensor ausgebildet sind. Die vier identischen Messkapazitäten D/E1, D/E2, D/E3, D/E4 bedecken hierbei jeweils ein Viertel der Fläche des Sensorelements 12.
Darunter liegt eine Lage 47 beispielsweise aus Moosgummi in einer Dicke von ca. 1,7 mm als Kraft-/Weg-Umsetzer: Die Kontaktkräfte komprimieren das Moosgummi und infolge dessen nimmt der Abstand zwischen der Lage 46 und einer Lage 48 ab und dadurch verändert sich die Kapazität zwischen den Elektroden der Lage 46. Zusätzlich dient das Moosgummi der Lage 47 als mechanischer Puffer zur Erhöhung der passiven Sicherheit.
Die leitende Lage 48 ist wiederum ein strukturiertes Kupfer-Vlies und liegt auf Masse-Potenzial. Die Strukturierung F gemäß 8C dient ausschließlich zur Verbesserung der mechanischen Dehn- und Stauchbarkeit bei einer Biegung des Sensorelementes 1 und zur Begrenzung der elektrischen Felder des Sensorelements 1 als Kontaktkraftsensor auf die Lage 47.
Als Lage 49 folgt wieder ein Moosgummi (z. B. mit ca. 5 mm Dicke) als mechanischer Puffer zur Erhöhung der passiven Sicherheit, zur Aufnahmen von beispielsweise zwei hier nicht gezeigten Leiterplatten in Hohlräumen im Moosgummi, wobei eine Leiterplatte für die Annäherungssensorik und eine Leiterplatte für die Kontaktkraftsensorik ausgelegt werden kann. Jedes Sensorelement 1 kann daher auf den Leiterplatten eine Mikrocontroller-Steuerung für die Annäherungssensorik und getrennt davon eine Mikrocontroller-Steuerung für die Kontaktkraftsensorik enthalten. Ferner dient die Lage 49 der elektrischen Passivierung maschinenseitig.
Die Steuerungen der Sensorelemente 1 sind somit auch kompakt im flexiblen Träger integriert, wobei entsprechende Schaltungsteile die zu messenden Kapazitäten in elektrische Signale umwandeln und diese an die Zentralelektronik übertragen. Außerdem können Schaltungsteile vorhanden sein, die eine zyklische Eigendiagnose zur Überprüfung aller sicherheitsrelevanten Funktionen des Sensorelements 1 erlauben.
Alle Steuerungen sind über weiter unten erläuterte elektrische Leitungen zur Energie- und Datenübertragung mit der Zentralelektronik verbunden. Um den Verdrahtungsaufwand gering zu halten und eine eindeutige Adressierung der Sensorelemente 1 zu ermöglichen, werden diese vorzugsweise durch Hintereinanderschalten, z. B. in Ketten-Topologie verdrahtet, wobei sich die Adresse eines Sensorelements 1 beispielsweise aus dessen Position in der Kette ergibt.
Anhand 9A und 9B soll nun erläutert werden, wie ein Sensorelement 1i eine Annäherung eines menschlichen Körperteils 50 oder anderer Objekte anhand der Veränderung der Kapazität eines Kondensators mit offenem Feldraum erfasst.
Als Messkapazität stehen die beiden Potenzialflächen A und B (vgl. 8A) in der Lage 42 des Sensorelements 1i zur Verfügung; sie bilden eine Messkapazität Cii, wobei die Potenzialfläche C (vgl. Lage 44 aus der 8B) dabei auf Massepotenzial liegt. Die beiden Potenzialflächen der Messkapazität Cii können auch auf zwei benachbarte Sensorelemente 1i und 1j gemäß der 9B verteilt sein, wobei sich Vorteile dadurch ergeben, dass ein größerer Erfassungsbereich möglich ist und eine Erfassung auch an Lücken zwischen den Sensorelementen 1i und 1j durchführbar ist. Die Potenzialfläche im linken Sensorelement 1i besteht dann aus der Potenzialfläche A (Lage 42) oder C (Lage 44) oder beiden elektrisch zusammengeschaltet; die entsprechende Potenzialfläche im rechten Sensorelement 1j ist die Fläche B (Lage 42) und es bildet sich eine Messkapazität Cij.
Bei einer Initialisierung des Sensorsystems mit den Sensorelementen 1i und 1j wird festgelegt, welche der Messkapazitäten Cij zu überwachen sind. Die zu überwachenden Messkapazitäten Cij werden gemessen und einmalig als Startwerte Cij0 abgespeichert. Während des Betriebes werden die zu überwachenden Messkapazitäten Cij zyklisch in konstantem Zeitraster, typischerweise 100 Hz–1000 Hz, gemessen. Durch eine Auswertung dieser Daten kann die Information über eine Annäherung abgeleitet werden.
Im Folgenden werden zwei bevorzugte Verfahren beschrieben, die sich gegenseitig ergänzen und daher beide simultan eingesetzt werden können. Eine Annäherung wird gemeldet, wenn mindestens eines der Verfahren eine Annäherung erkennt.
a) statische Annäherungserkennung
Eine Annäherung wird erkannt, wenn für mindestens eine Messkapazität Cij gilt

|(Cij – Cij0)/Cij0| > Tstat ; Cij: aktueller Kapazitätsmesswert

; Cij0: bei Initialisierung abgespeicherter Messwert

; Tstat: applizierbarer Schwellwert, Einheit: %.
Das heißt, wenn mindestens ein Kapazitätsmesswert Cij um mehr als Tstat von seinem Initialisierungswert abweicht, wird eine Annäherung erkannt, wobei ein typischer Wertebereich für Tstat 10%–50% ist.
b) dynamische Annäherungserkennung
Eine Annäherung wird erkannt, wenn für mindestens eine Messkapazität Cij gilt.

d(Cij/Cij0)/dt > Tdyn ; dt: Beobachtungszeitraum

; Tdyn: applizierbarer Schwellwert, Einheit: %/s
Das heißt, wenn mindestens ein Kapazitätsmesswert Cij in einem beliebigen Zeitraum dt eine Veränderung von mehr als (Tdyn·dt) aufweist, wird eine Annäherung erkannt, wobei ein typischer Wertebereich für dt 0,1 s–1 s und für Tdyn 10%/s–100%/s ist. Die Werte für Tdyn und Tstat werden bei der Systemapplikation festgelegt.
Typischerweise können einheitliche Daten für alle Sensorelemente 1 oder 1i, 1j einer modulartig gebildeten Sensorhaut verwendet werden, wobei in Sonderfällen auch eine individuelle Festlegung der Grenzwerte für einzelne Sensorelemente 1; 1i, 1j vorgesehen werden kann.
Da die Kapazitätsänderung bei einer Annäherung überproportional zunimmt, bewirkt die dynamische Annäherungserkennung bei großen Geschwindigkeiten einen großen Schaltabstand und bei kleinen Geschwindigkeiten einen kleinen Schaltabstand. Dies kommt der physikalischen Gesetzmäßigkeit entgegen, dass bei hohen Geschwindigkeiten größere Bremswege erforderlich sind. Somit wird durch die Dynamikfunktion ein kollisionsfreier Betrieb begünstigt.
Gleichzeitig wird eine Fehlauslösung bei niedrigen Geschwindigkeiten vermieden, da eine langsame Kapazitätsänderung nicht zum Überschreiten des Schwellwertes Tdyn führt. So führt z. B. ein bestimmungsgemäß langsam laufendes Maschinenteil in der Nähe der Sensorhaut nicht zur Fehlauslösung.
Die statische Annäherungserkennung verhindert auch bei niedrigen Geschwindigkeiten eine Quetschung von Körperteilen, da bei Unterschreiten des durch Tstat festgelegten Minimalabstandes immer ein sicherer Maschinenhalt erfolgt.
Die Funktionsweise bei einer Kollisionserkennung ergibt sich, wie folgt.
Die Messkapazität des Sensorelements 1 als Kontaktkraftsensor wird aus den Strukturen D und E nach den 8; 8A; 8B, 8C gebildet. Die in 8B dargestellte Aufteilung der Struktur E in mehrere identische Einzelstrukturen (E1–E4) und die sequenzielle Messung der Kapazitäten (CDE1, CDE2, CDE3, CDE4) erhöht die Empfindlichkeit und ermöglicht eine genauere Lokalisierung des Krafteinleitungsortes auf dem Sensorelement 1, ist aber nicht zwingend erforderlich.
Der Feldraum der Messkapazitäten wird durch die auf Massepotenzial geschalteten Potenzialflächen C (Lage 44) und F (Lage 48) nach außen zu beiden Seiten hin abgeschirmt, sodass Störungen durch äußere Felder abgeblockt werden.
Ein mechanischer Kontakt mit der Sensorhaut aus den Sensorelementen 1 führt primär zum Eindrücken der weichen Moosgummischichten in den Lagen 47 und 49. Dadurch rückt die Massefläche F näher an die Messkapazität D/E heran und reduziert diese, sodass die Information über den mechanischen Kontakt aus den gemessenen Werten abgebildet werden kann. Dazu können verschiedene Verfahren angewendet werden. Ein bevorzugtes, sehr einfaches Verfahren besteht darin, dass ein Kontakt gemeldet wird, wenn sich die Messkapazitäten wie folgt verhalten:
CDEi > CT für alle i = 1..n (n: Anzahl der Messzellen auf dem Sensorelement)
Der applizierbare Schwellwert CT wird dabei so eingestellt, dass ein sicherer Betrieb erreicht wird.
Anhand der folgen Figuren wird die elektrische Funktionsweise eines Sensorsystems mit den Sensorelementen 1 erläutert.
10 zeigt ein Blockschaltbild eines Sensorelements 1, bei dem eine Annäherungssensorik 52 mit den Potenzialflächen A, B, C und eine Kontaktkraftsensorik 53 mit den Potenzialflächen C, D, E, F unabhängig voneinander arbeiten, d. h. eine Störung, z. B. Ausfall, Kurzschluss oder Unterbrechung beliebiger Komponenten des einen Systems, führen nicht zum Ausfall des jeweils anderen Systems. Die einzige elektrische Verbindung beider Systeme besteht über die Masseleitung GNDN/GNDK.
Auf der rechten Seite sind Versorgungs- und Signalleitungen 54 gezeigt, wobei UN, GNDN die Betriebsspannung mit aufmodulierter Informationsübertragung von einer Zentraleinheit zum Sensorelement 1; Nin, Nout die digitale Signalleitungen zur Informationsübertragung von den Sensorelementen 1 an die Zentralelektronik darstellen. Die Versorgungs- und Signalleitungen 54 für die Kontaktkraftsensorik 53 sind ähnlich aufgebaut, wobei Kin, Kout die gleiche Funktion für die Kontaktkraftsensorik 53 wie Nin, Nout für die Annäherungssensorik 52 aufweist.
Jedes Sensorelement 1 enthält somit eine Steuerung für die Annäherungssensorik 52 und eine Steuerung für die Kontaktkraftsensorik 53. Elektrisch sind beide nur über ihre Masse-Leitungen GNDN und GNDK verbunden. Die Anschlussleitungen beider Steuerungen sind auf getrennten Steckern herausgeführt, um bei Kabelabfall den gleichzeitigen Ausfall beider Systeme zu vermeiden.
Im Blockschaltbild nach 11 sind Sensorelemente 12, durchnummeriert von 1 bis n bzw, 1i, 1j bis 1n gezeigt, die eine Sensorhaut mit einer Annäherungssensorik 52 bilden sollen. Ferner ist eine abgesetzte Zentralelektronik 55 vorhanden und es sind die elektrischen Verbindung bezüglich der Versorgungs- und Signalleitungen 54 zwischen den Sensorelemente 1i, 1j bis 1n und der Zentralelektronik 55 gezeigt. Die Zentralelektronik 55 hat hier die Master-Funktion und die Sensorelemente 1i, 1j bis 1n die Slave-Funktion. Die Zentralelektronik 55 erhält die Betriebsspannung über die Anschlüsse UBN und GNDN und sie stellt vier potentialfreie Schaltausgänge zur Verfügung, nämlich SN1, SN2 als zweifach redundante Schaltausgänge zur Signalisierung „Annäherung erkannt” und EN1, EN2 als zweifach redundante Schaltausgänge zur Signalisierung „Systemfehler erkannt”.
Die Sensorelemente 1i, 1j bis 1n sind untereinander und mit der Zentralelektronik 55 über ein dreiadriges Kabel verbunden. An den Anschlüssen GNDN und UN stellt die Zentralelektronik 55 die Versorgungsspannung für die Annäherungserkennung-Steuerungen aller Sensorelemente 1i, 1j bis 1n bereit. Auf die Versorgungsspannung ist eine Signalübertragung an die Sensorelemente 1i, 1j bis 1n aufmoduliert. Mit dieser Signalübertragung sendet die Zentralelektronik 55 Befehle an alle Steuerungen in den Sensorelementen 1i, 1j bis 1n zum Zweck der Änderung interner Parameter oder der Abfrage von Werten. Über vorgegebene Adressen können einzelne Sensorelemente 1i, 1j bis 1n gezielt angesprochen werden, wobei die jeweilige Adresse eines Sensorelementes 1i, 1j bis 1n sich beispielsweise aus dessen Position in der Kette ergeben kann.
Der Informationsfluss von einem Sensorelement 1i, 1j bis 1n an die Zentraleinheit 55, zum Beispiel bezüglich Messwerte, Statusinformationen oder Fehlerinformationen, kann nach dem Eimerkettenprinzip erfolgen, d. h. durch Weitergabe über die Sensorelemente 1n-1 bis 1, wozu die Kommunikationsanschlüsse Nin und Nout vorgesehen sind.
12 zeigt eine der Anordnung nach der 11 vergleichbare Anordnung zur Auswertung der Kontaktsensorik 53 in einer Zentralelektronik 56. Die Funktionen entsprechen der Annäherungserkennung nach der 13 mit geänderten Bezeichnungen (SK1, SK2 statt SN1, SN2. EK1, EK2 statt EN1, EN2. UBK statt UBN. GNDK statt GNDN. Kin, Kout statt Nm, Nout).
Bei den Anordnungen nach den 11 und 12 kann in einem dem Prüfzyklus überlagerten, langsameren Zyklus (beispielsweise 1 Hz) die jeweilige Zentralelektronik 55 oder 56 bei jedem Sensorelement 1i, 1j bis 1n eine Eigendiagnose durchführen. Dabei werden die Sensorelemente 1i, 1j bis 1n mit Prüfspannungen beaufschlagt und deren Reaktion von der jeweiligen Zentralelektronik 55 oder 56 gemessen. Die Prüfstrategie kann dabei so gewählt werden, dass Fehlfunktionen des jeweiligen Sensorelementes 1i, 1j bis 1n eindeutig als Fehler erkannt werden. Sobald mindestens ein Sensorelement 1i, 1j bis 1n als fehlerhaft erkannt wird, meldet die Zentralelektronik 55 oder 56 den Fehler am Ausgang EN1/EN2 (Annäherungserkennung) bzw. KN1/KN2 (Kontaktkrafterkennung).
Zu den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen sind noch Alternativen oder Erweiterungen möglich:

– Ein ausschließlich zur Annäherungserkennung eingesetztes Sensorelement 1i, 1j bis 1n ohne Kontaktkrafterkennung kann ev. nur aus den Lagen 41 (optional), 42, 43, 44 und 49 (vgl. 10) mit jeweils zugehöriger Steuerung bestehen.
– Ein ausschließlich zur Kontaktkrafterkennung eingesetztes Sensorelement 1i, 1j bis 1n ohne Annäherungserkennung besteht nur aus den Schichten 41 (optional) und 44–49 mit zugehöriger Steuerung.
– Optional können weitere unabhängige Sicherheitssysteme installiert sein.
– Die Informationsübertragung zwischen der Zentralelektronik 55, 56 und den Sensorelementen 1i, 1j bis 1n kann auf Basis anderer bekannter und geeigneter Technologien erfolgen, hinsichtlich der physikalischen Ebene (z. B. durch drahtlose Übertragung, analog/digital, seriell/parallel), des Datenprotokolls, der Netztopologie (z. B. Ring-, Stern-, Baumtopologie) und der Methoden zur Erkennung oder Behebung von Übertragungsfehlern.
– Für eine große Sensorhaut können mehrere der beschriebenen Systeme in kaskadierter Form eingesetzt werden, indem eine übergeordnete Steuerung die Koordination mehrerer Zentralelektroniken 55, 56 übernimmt.
– Zur Applikation oder Systemdiagnose können zusätzliche Schnittstellen, Anzeige- oder Bedienelemente in das Sensorsystem eingebunden sein, mit denen die internen Zustände ausgelesen oder verändert werden können.
– Mit weiteren funktionalen Lagen kann der Funktionsumfang der Sensorhaut erweitert werden. So kann z. B. die Außenseite der Sensorelemente 1i, 1j bis 1n mit einem nichtleitenden Textil überzogen werden (z. B. Kunstleder), welches die Sensorelemente vor Staub, Schmutz und Feuchtigkeit schützt.
– Um die Installation weiter zu vereinfachen, kann die elektrische Versorgung der Sensorelemente 1i, 1j bis 1n durch berührungslose Energieübertragung erfolgen. Beispielsweise kann eine durchgängige, mit Wechselstrom beaufschlagte Erregerleitung unter allen Sensorelementen hindurchgeführt werden, sodass eine Empfängerspule in jedem Sensorelement die Versorgungsenergie aus dem magnetischen Wechselfeld gewinnt.
– Im Sensorelement 1i, 1j bis 1n können Strukturen eingearbeitet sein, die eine Entwärmung der abgedeckten Maschinenteile bewirken (z. B. Löcher, Lüftungskanäle oder Kühlschlangen).
– Die mechanische Verknüpfung benachbarter Sensorelemente 1i, 1j bis 1n kann mit bekannten und geeigneten Technologien erfolgen, beispielsweise in einem festen Raster (Kordel-/Öse-Prinzip, Rastzungen, Clipse, Druckknöpfe) oder ohne Raster (Klettband, Verkleben).
– Als leitfähige, dehnbare Lage können weitere bekannte und geeignete Stoffe zum Einsatz kommen, beispielsweise leitfähige Polymere, leitfähig beschichtete Folien oder Stoffe, Netze oder Gewebe aus leitfähigen Fasern.
– Um die Dehnbarkeit weiter zu erhöhen, können die Schichten auf verschiedene Arten geschlitzt oder gefaltet werden.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 202005002475 U1 [0008]

Claims

Sensorsystem zur Umfeldüberwachung an einem mechanischen Bauteil mit mindestens einem kapazitiven Sensorelement (1; 12), das an der Oberfläche von Maschinen oder Maschinenteilen anbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sensorelement (1; 12; 1i, 1j, 1n) aus einem Schichtaufbau von flexiblen elektrisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Lagen (2, 3, 4; 13, 14) aufgebaut ist, wobei elektrisch leitfähige Potenzialflächen (6, 7; D, E) einer Lage (2; 42) seitlich derart beabstandet über dazwischen liegende isolierende Lagen (3; 41, 43, 45,) angeordnet sind, dass sich elektrische Feldlinien (5) zwischen den leitenden Potenzialflächen (6, 7; D, E) herausbilden, die sich bei Annäherung und/oder Kontakt eines Körpers oder Objekts messbar verändern.
Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale leitende Potenzialfläche (7) einer Polarität und am Rand des Sensorelements (1; 12; 1i, 1j, 1n) eine diese über die isolierende Lage (3; 41, 43, 45) umschließende zweite leitende Potenzialfläche (6) der anderen Polarität auf dem Sensorelement (1; 12; 1i, 1j, 1n) oder einem benachbarten Sensorelement (1; 12; 1i, 1j, 1n) vorhanden ist.
Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schichtaufbau der Lagen (2, 3) in der oberen Lage (2) aus den leitenden Flächen (6, 7), der darunterliegenden isolierenden Lage (3), einer darunterliegenden leitenden Fläche als Abschirmelektrode (4) und einer anschließend darunterliegenden maschinenseitigen isolierenden Lage (3) besteht.
Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schichtaufbau der Lagen (2, 3, 4, 13, 14; 41 bis 49) bei Sensorelementen (12) in der oberen Lage aus den leitenden Flächen, der darunterliegenden isolierenden Lage, einer darunterliegenden leitenden Fläche als Abschirmelektrode, einer weiteren isolierenden Lage, einer leitenden Lage als zweite Elektrode und einer anschließend darunterliegenden maschinenseitigen isolierenden Lage besteht, wobei die Kapazität zwischen der Abschirmelektrode und der zweiten Elektrode durch taktilen Druck von außen messbar veränderbar ist.
Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Sensorelementen (1; 12; 1i, 1j, 1n) über seitliche Kontaktierungen oder sonstige Verbindungen, wie Buchsen (8) oder Stecker (9), aneinanderschaltbar sind.
Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem, an mehreren oder allen Sensorelementen (1; 12, 1i, 1j, 1n) flexible elektrische Leiterplatten (11) zur Aufnahme von elektronischen Messschaltungsteilen maschinenseitig angebracht sind, die untereinander kontaktier- oder verbindbar und an eine zentrale, elektronische Auswerteeinrichtung (20) anschaltbar sind.
Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Lagen (2, 4; 13; 44, 48) oder Potenzialflächen (6, 7) jeweils aus einer flexiblen leitenden Matte, vorzugsweise Kupfervlies, und die elektrisch isolierenden Lagen (3; 14; 41, 43, 45) aus einem textilähnlichen Gewebe, vorzugsweise Filz, Kunststoff oder Schaumstoff gebildet sind und dass die Lagen (2, 3, 4; 13, 14; 41–48) zuschneidbar und an komplexe dreidimensionale Formen anpassbar und verknüpfbar sind.
Sensorsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (2, 3, 4; 13, 14; 41–48) zuschneidbar und untereinander verklebbar sind.
Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (1; 12; 1i, 1j, 1n) zur ausschließlichen Kontaktkraftmessung mit einer elastischen Lage (47) versehen sind, die derart kompressibel ist, dass eine Abstandsänderung zu einer Kapazitätsänderung führt.
Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (1; 12; 1i, 1j, 1n) jeweils eine Annäherungssensorik (52) und/oder eine Kontaktkraftsensorik (53) als Slave-System aufweisen, deren Messwerte parallel oder unabhängig voneinander in jeweils einer gemeinsamen (30) oder separaten Zentralelektronik (55, 56) als Master-System verarbeitbar sind.
Verfahren zur Ansteuerung und Auswertung des Sensorsystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Auswerteeinrichtung (20) zyklisch alle Sensorelemente (1; 12; 1i, 1j, 1n) adressiert und prüft, ob bei mindestens einem Sensorelement (1; 12; 1i, 1j, 1n) eine signifikante Veränderung der Kapazität gegenüber einem Referenzwert stattgefunden hat, sodass an jeweils einem Ausgang (27, 28, 29) eine Annäherung oder eine Kollision im Umfeld der Maschine oder des Maschinenteils signalisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Adressierung linear verketteter Sensorelemente (1; 12; 1i, 1j 1n) die Reihenfolge der Sensorelemente (1; 12; 1i, 1j 1n) genutzt wird, indem die Daten entlang der Kette über mehrere Sensorelemente (1; 12; 1i, 1j 1n) zur Auswerteeinrichtung hin weitergeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren, langsameren Zyklus jedes Sensorelement (1; 12) einer Eigendiagnose unterzogen wird, wobei die Sensorelemente (1; 12) mit Prüfspannungen oder einem charakteristischen Signalmuster beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine statische und dynamische Annäherungserkennung dadurch durchgeführt wird, dass eine Erkennung einer Annäherung durch zyklische Messung der Kapazität zwischen zwei elektrisch leitfähigen Potenzialflächen und einem Vergleich des aktuellen Messwertes mit einem oder mehreren Referenzwerten, wobei eine Über- und/oder Unterschreitung von einem oder mehreren Referenzwerten um voreingestellte Schwellen als Annäherung gewertet wird, wobei ein Referenzwert als konstanter Wert im System speicherbar ist, bei Initialisierung des Systems gemessen oder aus dem gemessenen Kapazitätsverlauf als zeitlich gefilterter Wert ermittelt wird.
Anwendung eines Sensorsystems oder eines Verfahren zur Ansteuerung und Auswertung des Sensorsystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestes eine Sensorsystem bei Fertigungs- oder Montageautomaten eingesetzt wird, die sich in einem gemeinsamen Arbeitsraum mit Bedienern oder Servicepersonal befinden und deren Annäherung und/oder Kollision mit den Maschinen oder Maschinenteilen der Fertigungs- oder Montageautomaten erfasst und zur Abgabe eines Warn- oder Stoppsignals genutzt wird.