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Sensorik

Kapazitive Sicherheitssensoren für Industrie 4.0

20. August 2014, 14:21 Uhr | Von Dr.-Ing. Luer Luetkens

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Sensoren in einer vernetzten Welt

Zu den Anwendungsmöglichkeiten kapazitiver Sensoren gehören Mensch-Roboter-Kollaborationen, Walzwerke und Airbag-Auslösegeräte.

Roboter in der Industrie

Roboter stellen ein zentrales Element der industriellen Automatisierung dar, nicht erst seit „Industrie 4.0“. Mit der heutigen Macht der Datenverarbeitung erwarten wir eigentlich, dass die Roboter den Gedanken der umgebenden Werker folgen. Aber sie bewegen sich heute noch entsprechend ihrem Auftrag bzw. ihrem Programm. Sie greifen z.B. ein Teil auf und bringen es irgendwohin. Schwierig wird es, wenn sich Menschen in ihrer Umgebung befinden. Die Roboter bewegen sich mit einer einstellbaren maximalen Geschwindigkeit und können so programmiert werden, dass sie einen in die Nähe kommenden Menschen nicht gefährden. Aber was ist, wenn sie den Kotflügel eines Autos durch die Gegend schwenken?

Es gibt bereits Roboter, die sich ohne Schutzgitter langsam bewegen und mit weichen Polstern umgeben sind – das ist ein naheliegender, richtiger Ansatz. Ein sich schnell bewegender Roboter kann plötzlich den Weg eines sich ebenfalls schnell bewegenden Menschen kreuzen. Auch wenn der Roboter schnell anhält, kann der Mensch noch gegen ihn laufen und sich verletzen. Deshalb sind ein vorhersehbares „Benehmen“ und ein „freundliches“ Auftreten für Roboter wünschenswert. – Welche Forderungen ergeben sich nun für kapazitiv wirkende Sensoren in diesem Bereich?

Es gibt Roboter in verschiedene Bauformen, welche sich typisch mit bis zu sieben Freiheitsgraden bewegen. Roboter wirken in einem dreidimensionalen Raum (x-, y-, z-Achse – drei Freiheitsgrade), können dabei ihre „Hand“ um drei Achsen drehen (weitere drei Freiheitsgrade) und dann einen Greifer, eine Schweißzange oder Sonstiges betätigen (siebter Freiheitsgrad). Dabei müssen Menschen in der Umgebung geschützt werden. Für welche Freiheitsgrade das gilt, muss im Einzelfall angesehen werden. Roboter, deren erster Freiheitsgrad durch Rotation ausgeführt wird, brauchen hierfür wahrscheinlich keine Sicherung, da diese durch die Sicherung der folgenden Freiheitsgrade hergestellt wird.

Anders bei einem Portalroboter, bei dem Bewegungen in allen ersten drei Freiheitsgrade – x-, y- und z-Richtung – zu Verletzungen führen können. Interessant wird es nun bei den höheren Freiheitsgraden. Um Nummer sieben zu nennen: Wie soll der Sensor unterscheiden, ob er seine Zange um einen zu seinem Arbeitsprogramm gehörenden Gegenstand schließt, oder ob ein Mensch vielleicht seinen Finger dazwischen hat? Wir wissen, dass mit den unwahrscheinlichsten Begebenheiten zu rechnen ist. Eins ist sicher: Man kann einen Sensor nicht unabhängig von der Anwendung und dem Roboter entwickeln. Betrachtet man die Funktionsweise des kapazitiven Sensors, so bemerkt man, dass das Einbrechen der Spannung am Sensor aufgrund einer Annäherung massebasierter leitender Gegenstände nicht erwartet wird, wenn der sich annähernde Gegenstand selbst ein phasenrichtiges Signal aussendet. Hierbei ist es sogar möglich, dass das Sensorsignal über seinen vorgesehenen Wert ansteigt. Ein zwischen den Gegenstand gehaltener – massebasierter – Finger würde aber immer noch bemerkt.

Ein weiteres typisches Beispiel ist der Knickarm eines Roboters: Auch hier nähern sich zwei Flächen an, die jeweils geschützt werden müssen und einen Sensor tragen. Ihre Annäherung sollte aber kein Absinken des Sensorsignals verursachen. Aus diesem Grund ist es vorgesehen, Frequenz und Phasenlage des Trägers und der Testfrequenz mehrerer Sensoren mit einem zentralen Oszillator zu synchronisieren. Da die Stellung aller Freiheitsgrade des Roboters sicher bekannt ist, kann man den Sensoren entsprechende Vorgaben über zu tolerierende Signalpegel geben. Eine Möglichkeit ist die Einflussnahme auf das Potenziometer P in Bild 3. Ebenso können die Toleranzen geändert werden.

Für die Annäherung z.B.einer Hand, gleich in welcher Stellung, wird eine Auslösung in 100 mm Entfernung oder mehr erreicht. Gewünscht ist das Detektieren einer Hand in 500 mm Entfernung.