Sicherheitssteuerung

Auch ohne Schutzgitter?

Ein Industrieroboter ohne trennende Schutzeinrichtung, vielleicht sogar Hand in Hand mit dem menschlichen Kollegen? Genau das ist – auf lange Sicht gesehen – das Ziel von B&R. Die Integration der sicherheitsgerichteten Steuerungs- und Antriebstechnik über Open Safety ist bereits der erste Schritt auf diesem Weg; der zweite die sichere Überwachung der gesamten Kinematik.

Ein Roboter, der ohne trennende Schutzeinrichtung und bei bestimmten Abläufen vielleicht sogar Hand in Hand mit dem menschlichen Kollegen arbeitet, ist das Ziel von B&R. Der nächste Schritt auf diesem Weg ist die sichere Überwachung der gesamten Kinematik-Kette.

Die drei Robotergesetze, die Asimov vor fast 70 Jahren für das Verhalten von Robotern in seinen Romanen formulierte, sind das Ziel neuester Forschungen. „Eines Tages könnte es Industrieroboter geben, die um sich herum keine trennenden Schutzeinrichtungen mehr benötigen, um Menschen vor Verletzungen zu schützen“, erläutert Dr. Gernot Bachler das Idealszenario seiner Forschungstätigkeit bei B&R. Er leitet den Bereich Forschung und Softwareentwicklung für CNC und Robotik. „Allerdings ist dieser Tag noch in weiter Ferne, denn um Kollisionen mit Menschen zu vermeiden, die sich unvorhersehbar bewegen, würde keine noch so schnelle Reaktion ausreichen.“

Dennoch ist es nicht reine Theorie, sondern konkrete, anwendungsorientierte Forschung zu den Themenbereichen sichere Steuerungstechnik, „gelbe“ Sensorik und Minimierung des Verletzungsrisikos. Grundlage ist die auch für Roboter gültige Maschinenrichtlinie. „In erster Linie geht es natürlich um die Bewegungsvorgänge des Roboters selbst“, grenzt Bachler die unmittelbaren Ziele von der Vision ab. „Zusätzlich zu diesen können anwendungsspezifische Eigenheiten zu berücksichtigen sein, die den Arbeitnehmerschutz erschweren.“ Hierbei geht es um das Laser- oder Wasserstrahlen bei Schneidanwendungen oder die mit hoher Geschwindigkeit austretende Farbe beim Lackieren.

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Am weitesten fortgeschritten sind die Grundlagen für den Aufbau sicherer Robotersysteme im Bereich der Steuerung. Mit Open Safety steht ein offenes Protokoll für den sicheren Transport der Signale über beliebige Feldbusse zur Verfügung. Die ausgereiften Safe Logic Sicherheitssteuerungen und die kompakten SafeIO-Module gestatten die Integration der peripheren Schutzeinrichtungen von der Trittschutzmatte bis zum Bildverarbeitungsgerät ohne Verdrahtungsaufwand in die Steuerung am Roboter selbst. In die Module direkt integrierte Tests überprüfen sogar laufend die Leitungsverbindung mit der sicheren Sensorik. Auch die Entwicklung der Sicherheitsapplikation wird den Herstellern von Robotersystemen leicht gemacht: Die Verdrahtung erfolgt virtuell über PL Copen-konforme und vom TÜV Rheinland zertifizierte Funktionsbausteine im SafeDesigner innerhalb der Entwicklungsumgebung B&R Automation Studio. Dessen Programmiermöglichkeiten gehen weit über die oftmals übliche reine Konfiguration hinaus.

Sicherheit im Antrieb

Ebenso wichtig wie die Ablaufsteuerung sind für die Sicherheit von Robotersystemen die Überwachung der Achs- und Armbewegungen sowie die Beherrschung der Brems- und Anhaltewege. Hier setzte B&R erst kürzlich unter dem Begriff Safe MC neue Maßstäbe in der sicheren Bewegungssteuerung. Mit der Integration der Sicherheitstechnik direkt in die Servoantriebe und -motoren gelang es, die Fehleraufdeckungs- und Reaktionszeit gegenüber Sicherheitsschaltungen mit Abschaltrelais von 80 auf 7 ms zu senken – und damit den Anhalteweg um den Faktor 100 zu reduzieren. „Das heißt, bei gleicher Geschwindigkeit können die Sicherheitsabstände und damit die Abmessungen der Roboterzelle reduziert werden“, erläutert Bachler den Nutzen dieser bereits entwickelten Lösung. Weiter sagt er: „Ein klarer Vorteil der zertifizierten sicherheitsgerichteten Antriebstechnik in der Robotik ist die Smart Safe Reaction, die etwa mit SBC (Safe Brake Control) oder SLS (Safety Limited Speed) zahlreiche Alternativen zur bloßen Abschaltung bietet. Der Einsatz dieser sanfteren Mechanismen zum Schutz des Personals hilft unter anderem, Beschädigungen des Roboters durch Sicherheitsabschaltungen zu vermeiden.“

Bei dem nächsten konkreten Schritt zu mehr Robotersicherheit, der sich bereits in der Entwicklung befindet, geht es darum, dass die Smart Safe Reaction nicht mehr auf der Ebene der Einzelachse erfolgt, sondern an der resultierenden Bewegung am TCP, das heißt am Werkzeugmittelpunkt. „Um das zu erreichen, muss die Logik der sicheren Reaktion innerhalb der Safe MC die gesamte kinematische Kette mit allen Freiheitsgraden und Eventualitäten berücksichtigen und beherrschen“, schildert Bachler die Herausforderung dieser Aufgabenstellung, und ergänzt: „Der Entwicklungsstand der dazu benötigten Funktionsbausteine ist so weit fortgeschritten, dass bereits Gespräche mit dem TÜV aufgenommen wurden und mit einer zertifizierten Verfügbarkeit 2011 gerechnet werden kann.“ Diese ist dann inklusive der für die sichere Softwareentwicklung benötigten Funktionsblöcke im Safe Designer.

Dieser Termin fällt zusammen mit der erwarteten Verfügbarkeit von analogen SafeIO-Modulen, die auch und gerade im Bereich der Robotik weitere interessante Möglichkeiten zur Weiterentwicklung in Richtung sicherer Systeme bieten werden. Bei diesen Lösungen geht es (noch) nicht um humanoide Roboter wie in Asimovs Romanen, sondern in erster Linie um Systeme, die keine trennenden Schutzeinrichtungen mehr benötigen – aber selbst das wäre schon ein sehr großer Schritt. st

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