Teile und profitiere!

Sicherheit - Der Trend zu größerer Variantenvielfalt bei sinkenden Serienzahlen und Losgrößen erfordert zunehmende Anpassung in der Fertigung. Bei 100-prozentiger Automatisierung liegt die wirtschaftlichste Lösung häufig in der Teilautomatisierung.

14. Dezember 2006

Industrieroboter sind seit etwa 30 Jahren ein wichtiger Baustein in der Automobilfertigung und ihrer Zulieferindustrie, zunehmend auch in anderen Industriezweigen. Das Spektrum reicht von der Kommissionierung von Paletten, über das Pick-and-Place von Pralinen, Croissants, Fischstäbchen bis hin zur Handhabung von Werkstücken bei der Beschickung von Werkzeugmaschinen oder Pressen. Da ein sich bewegender Industrieroboter von vornherein erst einmal eine Gefahrenquelle für Menschen darstellt, war bis vor kurzem eine strikte Trennung der Arbeitsbereiche von Robotern und Menschen in der Fabrik durch Zäune üblich. Das Öffnen der Zugangstür im Zaun hatte dabei ein sofortiges automatisches Abschalten des Roboters zur Folge. Das gemeinsame Ausführen eines Arbeitsschritts zwischen Werker und Roboter war nicht möglich - sie konnten nicht kooperieren. Dieser arbeitstechnisch ungünstige Umstand widerspricht in besonderem Maße auch der oft geäußerten Forderung nach höherer Flexibilität von Fertigungsanlagen. Eine solche flexiblere Auslegung lässt sich mit fest installierten Zäunen nur sehr kostenintensiv erreichen. Zum Teil wird die Forderung durch die Verwendung von sicherheitsgerichteter Sensorik erfüllt, wie beispielsweise von Lichtgittern und Laserscannern. In diesem Fall entfällt zumindest für einen Teil der Roboterzelle der Zaun.

Neue Funktion

Im sensorisch abgesicherten Bereich lassen sich Umgestaltungen der Roboterzelle durch Umprogrammieren der Schutzfeldgeometrie der Sensoren erreichen. Jedes Übertreten des optoelektronisch aufgespannten Schutzfeldes führt jedoch durch die sicherheitsgerichtete Elektronik zu einer sofortigen, automatischen Abschaltung des Roboters. Eine Kooperation ist nach wie vor nicht möglich, da der Roboter in dieser Situation weiterhin als Gefahrenquelle zu betrachten ist und er sich daher nur in sicherem Abstand vom Menschen bewegen darf.

Der Roboterhersteller ABB hat zur Lösung des Problems eine neue Funktion mit dem Namen Safe Move TM in seine Roboter integriert. Mithilfe dieser neuen Funktion wird der Roboter in seiner Bewegung so gesteuert, dass er nach gängigen Bestimmungen nicht mehr als Verletzungsquelle gilt. Eine frei programmierbare Sicherheitssteuerung überwacht dabei stetig Position und Geschwindigkeit des Roboterarms durch vergleicht sie permanent mit vorkonfigurierten Grenzen.

Wenn sich Personen im Arbeitsraum des Roboters aufhalten, liegt gemäß der Sicherheitsnorm für Industrieroboter die Geschwindigkeitsbegrenzung bei 250 Millimetern pro Sekunde. Diese Obergrenze darf der Roboter auf keinen Fall überschreiten. Als Sicherungsinstrument für den Werker dient dabei ein so genannter Zustimmungsschalter, den er ständig mitführen muss. Eine Bewegung des Roboters ist nur bei betätigtem Zustimmungsschalter in Gegenwart des Werkers möglich. So kann dieser sich mit dem Roboter gleichzeitig im selben Raum aufhalten und gemeinsam Aufgaben ausführen. Potenzielle Kooperationsaufgaben sind das manuelle Be- oder Entladen eines Greifers mit Werkstücken oder das Führen des Roboters über Steuerhebel oder -tasten. Soll der Roboter aus Sicherheitsgründen oder bestimmter Fertigungsschritte vorübergehend stillstehen, müssen die Achsantriebe wegen des Zustimmungsschalters nicht mehr ausgeschaltet werden. Nach einem gemeinsamen Arbeitsschritt von Werker und Roboter kann sich letzterer in einem folgenden, vollautomatischen Schritt wieder mit voller Geschwindigkeit bewegen, wenn der Werker den sensorisch überwachten Gefahrenbereich verlassen hat.

Kameras für 3D

Da heutige sicherheitsgerichtete Sensoren das Durchqueren einer Ebene nur zweidimensional registrieren können, lässt sich der dreidimensionale Raum der gesamten Zelle mit diesen Hilfsmitteln nicht zuverlässig überwachen - besonders nicht hinsichtlich der Gefährdung von Personen. Darum geht der Trend zu räumlich detektierenden Sensoren, wie es Kamerasysteme leisten können. Diese werden die technologische Lücke künftig schließen und im Rahmen von Sicherheitskonzepten in Roboterzellen Anwendung finden. Denn sobald sichere 3D-Sensoren verfügbar sind, ist eine ganz neue Klasse von Applikationen denkbar, die dann ohne dauernde Betätigung eines Zustimmungsschalters auskommen. Der Mensch wird im selben Arbeitsraum, in dem sich der Roboter befindet, die Hände frei haben, um noch effizienter gemeinsame Arbeitsschritte durchzuführen. Die Forschungsgruppe von Prof. Dr. Dominik Henrich am Lehrstuhl für Angewandte Informatik III, Robotik und eingebettete Systeme, an der Universität Bayreuth beschäftigt sich mit Kamerasystemen zur Überwachung von Roboterzellen.

Getrennte Arbeitsschritte

Ein dort entwickeltes System aus mehreren Kameras, die die Bewegungen in einer Roboterzelle genau registrieren, ist zu Forschungszwecken im Roboterlabor am ABB-Forschungszentrum in Ladenburg aufgebaut. In der hier simulierten Umgebung übernimmt der Werker die feinfühligen und komplexen Arbeitsschritte, während der Roboter die Aufgaben übernimmt, die Kraft und räumliche Präzision erfordern.

Eine mögliche Anwendung ist die Ergonomie von Montagearbeitsplätzen. Abhängig vom aktuell am Arbeitsplatz arbeitenden Werker hebt der Roboter dabei schwere Werkstücke automatisch an eine vorher individuell programmierte Position.

Alexander Sonneck, ABB

FAKTEN

- Die strikte Trennung von Arbeitsräumen für Werker und Roboter hemmt die Flexibilität in der Fertigung.

- Mit der Funktion Safe Move TM hat ABB dieses Hemmnis beseitigt.

- Kernidee der Lösung ist ein Zustimmungsschalter, mit dem der Werker den Roboter unter Kontrolle hält.

Erschienen in Ausgabe: Wer macht was?/2007