Der zahme Roboter

Roboter arbeiten heute fast immer hinter Gittern, streng abgeschirmt vom Werker. Neue Sicherheitskonzepte tragen dazu bei, dass die Zäune zwischen Mensch und Maschine fallen, und beide künftig „Hand in Hand“ arbeiten können.

Roboter arbeiten heute fast immer hinter Gittern, streng abgeschirmt vom Werker. Neue Sicherheitskonzepte tragen dazu bei, dass die Zäune zwischen Mensch und Maschine fallen, und beide künftig „Hand in Hand“ arbeiten können.

Nach heutigem Stand der Technik dürfen Industrieroboter aus Sicherheitsgründen nur in abgesicherten Arbeitsbereichen betrieben werden. Stets verhindern Schutzzäune oder andere aufwendige Schutzeinrichtungen, dass der Mensch dem Roboter zu nahe kommt. Eine übergeordnete SPS kontrolliert und überwacht den Roboter im Produktionsablauf, und nur ein geringer Anteil von Robotern wird zusätzlich durch externe Sensoren geführt. In jedem Fall bewegt sich der Roboter im Produktionsbetrieb allerdings nur, wenn sich kein Werker in seinem Arbeitsbereich aufhält.

Der Einsatz der „Safe Robot Technology (SRT)“ schafft die Voraussetzung dafür, diese Trennung zwischen  Bediener und Roboter bei vielen Anwendungen aufzulösen. Neben dem Verzicht auf aufwendige Sicherheitstechnik sind damit vor allem in der Montagetechnik neue Anlagenkonzepte realisierbar. Die Stärken von Mensch (Sensorik) und Roboter (Arbeitsleistung) werden dabei in idealer Weise kombiniert. Mit anderen Worten: Automatisierungsaufgaben, die bisher wirtschaftlich nicht zu rechtfertigen waren, sind jetzt durch kostengünstigere Teilautomatisierung lösbar. Was steckt nun im Detail hinter dem „sicheren“ Roboter?

Sichere Elektronik ersetzt Mechanik

Bis vor kurzem erfolgte die Überwachung des Arbeitsraumes eines Roboters durch mechanische Bereichs- Endschalter. Durch die Einbaugröße von Schalter und Profilen war die Anzahl der zu überwachenden Bereiche stark eingeschränkt. Nachteilig für den Einsatz in einer Produktionsanlage wirkte sich zusätzlich aus, dass nicht der Roboter selbst, sondern stets eine übergeordnete Sicherheits-SPS die Arbeitsbereiche des Roboters überwachte. Fuhr der Roboter zum Beispiel mit „Achse 1“ über einen Bereichs-Endschalter, so wurde dieses Signal zunächst über einen Sicherheitsbus zur SPS übertragen. Die Sicherheits- SPS verarbeitete dieses Signal und leitete den Stopp des Roboters ein. Die Übertragung dieses Stopp-Signals zum Roboter erfolgte wiederum über den Sicherheitsbus. Da der Roboter seinen eigenen Schutz- und Arbeitsbereiche nicht kannte fuhr er während dieser Zeit „munter“ im eigentlich gesperrten Bereich weiter. Ergo ergaben sich durch diese zentrale Sicherheitslogik große und kaum vorherberechenbare Nachlaufwege des Roboters. Schutzzäune mussten deshalb in einem relativ großen Abstand zum Roboter aufgebaut werden, was letztlich zu einem erhöhten Flächenbedarf in der Produktionshalle führte.

Mit der Technologie des „sicheren“ Roboters – sprich einer zweikanalig-redundant ausgeführten Überwachungstechnik direkt am Roboter – fällt nun vor Ort die Entscheidung, ob der Roboter in einen gesperrten Bereich einfährt oder nicht. Die aktuelle Position aller Achsen wird permanent erfasst und zyklisch innerhalb weniger Millisekunden mit konfigurierten Grenzwerten verglichen. Da diese Lösung keiner mechanischen Nocken bedarf, ist die Anzahl der Arbeits- oder Schutzbereiche deutlich größer: Ließen sich bis dato für die Achsen 1, 2 und 3 des Roboters maximal ein bis zwei Schutzbereiche definieren, so sind jetzt für sämtliche Achsen des Roboters bis zu zehn Schutzbereiche möglich! Bei Bereichsverletzung leitet der Roboter sofort selbst den notwendigen Stopp ein. Dadurch werden Nachlaufwege im Fehlerfall deutlich reduziert und der Platzbedarf gesenkt.

Die Baugruppe, die für die Überwachung der Sicherheitsfunktionen verantwortlich ist, ist in sicherer Technik redundant ausgeführt. Umfangreiche Testroutinen im Hochlauf der Baugruppe (CPU-Selbsttest, RAM-Test usw.) und zur Laufzeit (Eingangs- und Ausgangstest, Datengleichheit beider Kanäle usw.) garantieren die fehlerfreie Funktionalität. Damit entspricht der sichere Roboter den Anforderungen für EN-Sicherheitskategorie 3 und SIL2.

Auf Basis der sicher ermittelten Positionswerte seiner Achsen und optional zweier Zusatzachsen überwacht der Roboter nicht nur seine Arbeits- und Schutzbereiche, sondern ebenso seine kartesische Geschwindigkeit im Raum und die individuelle Geschwindigkeit jeder seiner Achsen. Zusätzlich wird der sichere Halt bei aktivierten Antrieben garantiert. Gerade diese zusätzlichen Funktionen sind es, die völlig neue Einsatzmöglichkeiten des Roboters eröffnen.

Der „Mensch-geführte Roboter“

Die bis heute vorherrschende Sicherheitsvorstellung, dass der Betrieb eines Roboters nur „hinter Gittern“ erlaubt ist, erklärt den geringen Automatisierungsgrad in den Endmontage- Linien der Automobilindustrie. Und sie erklärt auch die schleppenden Fortschritte in den Bereichen der mobilen Robotik sowie der Service-Robotik. Unter dem Begriff „assistierende Roboter“ beschreibt die ISO 10218 (Roboter in der industriellen Umgebung – Sicherheitsanforderungen) den Einsatz eines Robotersystems, das von einem Werker geführt wird. Mittels eines Führungsgriffes (Joy Stick), der direkt am Roboter oder am Roboterwerkzeug befestigt ist, bewegt der Mensch den Roboter – ohne Programm und ohne SPS! Voraussetzung für die Kooperation von Mensch und Roboter gemäß der neuen Norm – sie befindet sich aktuell im Draft-Status – sind eine sicher überwachte und reduzierte Geschwindigkeit des Robotersystems (kartesisch), die sichere Überwachung der Geschwindigkeiten jeder einzelnen Roboterachse (achsspezifisch) und ein dreistufiger Zustimmtaster am Führungsgriff.