Soft facts

Steuerungen - Die Zahl der fertigungstechnischen Applikationen, in denen Roboter in Interaktion mit Menschen arbeiten, wächst. Eine Hauptvoraussetzung dafür sind softwareseitige Sicherheits-Funktionen in der Steuerung.

11. Dezember 2007

Neu- und Weiterentwicklungen in der Robotik zielen zum einen darauf ab, die Geräte noch besser auf ihre jeweiligen Applikationen hin zu modifizieren und zum anderen, um damit neue Branchen zu erschließen ? Stichwort General Industry. Derartige Modifizierungen betreffen vor allem den konstruktiven Aufbau der Roboter, ihre Antriebskonzepte sowie die Verwendung von (für den Roboterbau) neuen Materialien wie beispielsweise CFK oder Edelstahl.

Doch mit den Fortschritten in der Computertechnik kristallisierte sich bereits vor Jahren heraus, dass die wirklichen Potenziale für die nachhaltige Ausweitung des Robotereinsatzes beziehungsweise für neue Anwendungen (auch außerhalb der Industrie) in der Steuerungs- und Softwareentwicklung liegen.

Seit Roboter in der Industrie ihre Arbeiten verrichten, tun sie dies in Bereichen, die nahezu hermetisch abgeschlossen sind und zu denen der Zutritt aus Sicherheitsgründen streng reglementiert und für Unbefugte gar verboten ist. So ist beispielsweise vorgeschrieben, dass beim Öffnen der Zugangstür zu einer Zelle, in der Roboter arbeiten, diese selbsttätig automatisch abschalten.

Sicherheitstechnische Normen und Richtlinien wie diese für solche »Hochsicherheitstrakte« gibt die Berufsgenossenschaft vor. Und die sind nicht nur anspruchsvoll, sondern auch in ihrer Umsetzung kostspielig: Bis zu 30 Prozent können die Aufwendungen für Sicherheitstechnik an den Gesamtkosten einer roboterbasierten Automatisierungslösung ausmachen.

Nun gibt es jedoch Arbeitsprozesse, bei denen Roboter und Werker quasi Hand in Hand arbeiten müssen oder aber in denen der Werker den Arbeitsfortschritt beziehungsweise die aktuellen Arbeitsergebnisse des Roboters zu begutachten hat. Das ist beispielsweise beim Auftragsschweißen der Fall. Normalerweise darf der Werker dafür aber nicht den Arbeitsraum des Roboters betreten, ohne zugleich den Schweißprozess zu unterbrechen und damit dessen Qualität zu gefährden.

Wenn man jedoch den dreidimensionalen Arbeitsraum eines Roboters frei definieren und damit die für den Werker tatsächlich sicherheitsrelevanten Bereiche enger eingrenzen könnte, dann wäre es möglich, dass er sich in der Roboterzelle aufhält, während das Gerät arbeitet.

Diesen Aspekt diskutierten vor ein paar Jahren die Entwicklungsingenieure in der Abteilung Steuerungstechnik bei Reis Robotics in Obernburg und präsentierten kurze Zeit später das Safe Production-System als Ergänzung zur softwarebasierten Robotersteuerung Robot Star V-PCX. Grundvoraussetzung dafür war eine Sicherheitssteuerung (Safety Controller) in der Robotersteuerung, welche die Bewegungen aller Achsen des Roboters und deren Zusammenspiel im Raum überwacht. Dabei können am Roboter »kartesische Nocken« definiert werden. Das sind virtuelle Arbeitsbereiche beliebiger Geometrie, in denen sich die Achsen des Roboters und die von ihm gehandhabten Werkzeuge bewegen dürfen. Auf diese Weise werden bislang mechanische Sicherheitsfunktionen auf die Steuerungsebene verlagert. Sobald eine Roboterachse den als zulässig vordefinierten Arbeitsbereich verlässt, schaltet das Gerät ab. Der Roboter kontrolliert sich praktisch selbst.

Die Funktionen der kartesischen Schutzzonen erstellt der Bediener ? grafisch unterstützt ? am PC in einer virtuellen 3DWelt. Der Safety Controller ist in Hard- und Software zweikanalig aufgebaut und erfüllt die Anforderungen der Steuerungskategorie 3 nach DIN EN 954-1. Während er dafür sorgt, dass der Roboter seinen definierten Arbeitsbereich nicht verlässt, reduziert das Safe Production-System die Arbeitsgeschwindigkeit des Roboters in diesem Bereich, wenn sich ein Werker in dessen unmittelbarer Nähe aufhält.

Fallbeispiel

Eines der ersten Unternehmen, das sich haargenau wegen dieser Eigenschaften für das Safe Production-System in Verbindung mit einem sechsachsigen Knickarmroboter und der RobotStar-Steuerung entschieden hatte, war die Johann Hay GmbH. Das Unternehmen fertigt mit etwa 1.250 Mitarbeitern an den Standorten Bad Sobernheim und Bockenau Schwungräder für OEMs, warmgewalzte nahtlose Ringe, Anlasserzahnkränze sowie Achsantriebs- und Tellerräder für Differentialgetriebe. Die für die Fertigung letzterer verwendeten Formwerkzeuge werden nach Erreichen eines gewissen Verschleißgrades (oder bei Beschädigung) im firmeneigenen Werkzeugbau überarbeitet, repariert und anschließend wieder dem Arbeitsprozess zugeführt.

Die Wiederaufbereitung der Schmiede- und Walzwerkzeuge erfolgt unter anderem durch Auftragsschweißen ? mehrheitlich mit halbautomatischen Schweißanlagen. Bei nicht rotationssymmetrischen Bauteilen hinge gen war mühevolle Handarbeit angesagt.

Doch Kosten- und Termindruck sowie die Forderung nach permanenter Qualitäts- und Effizienzsteigerung machten die komplette Automatisierung dieses arbeitstechnisch aufwendigen Prozesses erforderlich. Auf der Basis einer Machbarkeitsstudie zum Auftragsschweißen mit Robotern entschieden sich die Verantwortlichen bei Hay, in eine komplexe Schweißroboteranlage zu investieren.

Oliver Hammon, Leiter der Arbeitsvorbereitung Werkzeugbau bei Hay und Leiter des Automatisierungsprojektes, begründet, warum: »Die vom Roboter zu bearbeitenden Teile sind sehr oft Unikate. Zwar gibt es auch Teile, die in größeren Stückzahlen anfallen, doch hier sind die Beschädigungen oft so unterschiedlich, dass sie eine individuelle Behandlung jedes Werkstücks erfordern. Um diese Bearbeitung ausführen zu können, muss die Positionierung von Werkstück und Brenner zueinander optimal abgestimmt sein. Hinzu kommt die unverzichtbare Anforderung, dass der Werker auch während des Arbeitsprozesses die Schweißzelle gefahrlos betreten kann. Diese Kombination von Anwendungen konnte uns nur Reis Robotics in Kooperation mit dem Systemhaus S + B aus Landau zuverlässig garantieren und mit dem Safe Production-System ein anwendbares und zudem von der Berufsgenossenschaft abgenommenes System anbieten.«

Kernstück der neuen Anlage ist ein SRVL6L, ein automatisiertes Schweißrobotersystem in Hybridausführung aus Linear- und Knickarmroboter mit der personensicheren Robotersteuerung RobotStar V-PCX.

Hammon bestätigt auch, dass ? ausgehend von der Konzeption einer sicherheitstechnisch perfekten Anlage, welche die gestellten Anforderungen an Flexibilität und Effizienz sowohl technisch-mechanisch als auch hinsichtlich der Steuerung optimal erfüllt ? bereits nach zwei Informationstagen klar war: Sowohl Roboter und Steuerung als auch das Safe Production-System von Reis entsprachen genau diesen Anforderungen und stellten für Hay bei vertretbaren Kosten den bestmöglichen Lösungsansatz dar.

Die Achsstellungen des Roboters werden in den Servoreglern zweikanalig erfasst und dem SafetyController über ein Feldbus-System zur Verfügung gestellt. Aus den Stellungen berechnet sich der Safety-Controller Position und Geschwindigkeit des Werkzeugflansches. Da sämtliche Überwachungsfunktionen in Software realisiert sind, werden Sicherheitsfunktionen möglich, die hardwarebasierende Systeme nicht bieten. So wird beispielsweise bei Anwesenheit eines Werkers in der Schweißzelle zu dessen Sicherheit die Geschwindigkeit des Werkzeugflansches im Automatikbetrieb auf 250 Millimeter pro Sekunde reduziert.

Während des Schweißprozesses kann sich so der Werker ohne trennende Schutzeinrichtung in unmittelbarer Nähe des Roboters aufhalten, den Schweißprozess beobachten und bei Bedarf korrigierend eingreifen. Auch muss er die entstehenden Oxide, je nach Schweißgut, zwischen jeder aufzutragenden Lage manuell entfernen.

Oliver Hammon: »Diese geringe und damit sehr sichere Geschwindigkeit wurde für unser System als Standard eingerichtet, unabhängig davon, ob der Werker in der Zelle ist oder nicht. Sie erlaubt es ihm jederzeit, die Anlage zu betreten und bei Gefahrensituationen rechtzeitig über die Notabschaltung stillzulegen. Damit überschreiten wir sogar die sicherheitstechnischen Forderungen der Berufsgenossenschaft.«

In mehreren Schulungen der für die Arbeit mit dem Roboter zuständigen Hay-Mitarbeiter erfolgten auch erste Programmierungen für die verschiedenen geforderten Schweißgeometrien mittels RobOffice und der Check der Programme auf Funktionsfähigkeit über die Simulationssoftware ProSim ? beides spezielle Softwarepakete von Reis.

Dank der vielseitigen und einfach zu handhabenden Robot Star-Steuerung lassen sich sehr schnell perfekte Prozessabläufe erzielen. Dies wird durch Programme ermöglicht, die den Schweißer im Dialog durch die Programmierung führen. Meist genügen je nach zu bearbeitendem Teil zwei bis drei Teach-Punkte, um die Programmierung abzuschließen. Für komplexere Schweißaufgaben stehen eine Reihe vorgefertigter Roboterprogramme zur Verfügung, die als Vorlage dienen und sehr schnell auf die jeweilige Schweißaufgabe angepasst werden können. Etwa 70 Prozent der bisher manuell ausgeführten Arbeiten übernimmt nun der Roboter.

Neue Möglichkeiten

Damit hatte die personensichere Robotersteuerung aus Obernburg ihre Tauglichkeit nun auch in der Praxis bewiesen. Und sie gab immerhin anderen namhaften Roboterherstellern Anlass, ähnliche Funktionen in ihre Steuerungen zu integrieren. Denn danach hatten nicht nur Anwender aus der Industrie verlangt, sondern vor allem jene, die im Bereich der Servicerobotik forschen und an konkreten Projekten arbeiten.

Ein solches, in das unter anderem auch Reis mit einem Sechsachs- Knickarmroboter und der personensicheren Steuerung ein gebunden ist, läuft seit 2004 am Fraunhofer IPA in Stuttgart unter dem Namen Assistor (Assistierende, interaktive und sicher im industriellen Umfeld agierende ortsflexible Roboter). Ziel ist es, die mobile Handhabungstechnik und arbeitsraumübergreifende Zusammenarbeit von Mensch und Maschine durch die Entwicklung von industriegerechten Schlüsselkomponenten aus Aktorik, Sensorik und Software zu erschließen und auf breiter Basis nutzbar zu machen.

Im Rahmen des Assistor-Projektes führen Mensch und Roboter gemeinsam verschiedene Aufgaben aus. Dabei sind Handbetrieb mit Sicherheitsfunktionen, Automatikbetrieb mit interaktiver Prozessbeobachtung und interaktiver Automatikbetrieb möglich. Überwacht wird der Gefahrenbereich von Scannern, die direkt mit dem Safety-Controller verbunden sind.

Demnächst soll ein visionbasiertes Greifer-Kamera-Baukastensystem den Handhabungsbereich des Roboters überwachen, und kapazitive Sensoren dessen angrenzende Zonen. Die Greiferfinger werden mit Kraft- Sensoren ausgestattet sein, die Datenauswertung der Greifer-Kamera-Einheit wird direkt am Sensor erfolgen. Durch einen im Greifer integrierten nachgiebigen Kraftmomentensensor soll es möglich sein, zwischen Kontaktnähe (Kamera) und Kontakt zu unterscheiden, wobei auch seitliche Krafteinleitungen erkennbar sind.

Mit dem virtuellen Schutzzaun wird der reelle in der Fertigung zwar nicht obsolet. Projekte wie die hier geschilderten zeigen jedoch deutlich, welch neue und interessante Automatisierungskonzepte sich durch Weiterentwicklungen in der Steuerungs- und Softwaretechnik ergeben.

Dr. Michael Wenzel, Reis Robotics

Fakten

- Reis GmbH & Co. KG: gegründet 1957

- ca. 100 Mio. Euro Umsatz in 2006

- 1.000 Mitarbeiter, davon 750 am Stammsitz Obernburg

- Niederlassungen in Frankreich, Italien, Spanien, Tschechien, Brasilien, China und den USA

- Geschäftstätigkeit: Entwicklung und Vertrieb von Robotern und roboterbasierten Systemlösungen zum Schweißen und Schneiden, Montieren, Handhaben, Kleben und Bearbeiten

Erschienen in Ausgabe: Wer macht was?/2008