Safety Controller

Geschwindigkeitskontrolle für den Roboter

Die Kooperation von Mensch und Roboter ohne trennenden Schutzzaun gehört zu den Trend-Themen in der industriellen Automation. Bei solchen kooperativen Arbeitssystemen benötigt der Roboter allerdings einen „eingebauten“ Schutzzaun, bei der bisherige Hardware-Funktionen in eine intelligente Steuerung verlagert werden.

Robotergestützte Anlagen sind in Produktion und Verpackung weit verbreitet. Ihr Arbeitsbereich muss von dem der Bediener getrennt sein – in der Regel durch einen Schutzzaun. (Bild: ETT Verpackungstechnik)

Über Jahrzehnte hinweg galt in der automatisierten Produktion die eherne Regel: Die Arbeitsbereiche von Mensch und Roboter sind streng getrennt, und der Roboter verrichtet seine Tätigkeit hinter Schutzzäunen. Diese Regel wird in immer mehr Betrieben außer Kraft gesetzt, und das mit gutem Grund. Wenn Mensch und Roboter zusammenarbeiten, können beide ihre Stärken einbringen – der Mensch die Intelligenz, das Urteilsvermögen und die Flexibilität, der Roboter die Kraft und das ermüdungsfreie Leistungsvermögen.

Neue Aufgabenpakete der Maschinensicherheit

Bei der direkten Mensch-Roboter-Kooperation mit „virtuellem“ Schutzzaun werden Sicherheitsfunktionen in intelligente Steuerungen verlagert.(Bild: Schmersal)

Den Wandel von der strikten Trennung der Arbeitsbereiche hin zu kooperativen Arbeitssystemen verlangt von den Roboterherstellern, aber auch von den Anlagenbauern und Integratoren sowie von den Anwendern intensive Vorarbeiten. Letztlich muss man hier zwei Aufgabenpakete unterscheiden. Bei Kleinrobotern, die sich mit geringer Geschwindigkeit bewegen, reichen unter Umständen taktile Schutzeinrichtungen zur Absicherung. Da Roboter zumeist aber eingesetzt werden, um dem Menschen schwere Wiederholarbeiten abzunehmen, wird dies in den meisten Fällen nicht ausreichen. Dann muss – bildlich gesprochen – der (virtuelle) Schutzzaun in die Robotersteuerung verlagert werden. Das heißt: Der Roboter überwacht selbst seine Bewegungen im Raum und verlässt nicht einen definierten Arbeitsbereich.

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Derartige virtuelle Schutzzäune werden inzwischen von vielen Roboterherstellern eingesetzt. Führende Anbieter verlassen sich dabei auf die kundenspezifischen Lösungen der Schmersal Gruppe, die seit rund fünfzehn Jahren Forschungs- und Entwicklungsarbeit auf diesem Gebiet der Maschinensicherheit leistet.

Ein Ergebnis dieser Arbeit ist die Sicherheitssteuerung „Safety Controller“. In ihr sind so genannte „kartesische Nocken“ hinterlegt, die einen virtuellen Arbeitsbereich bilden. Der Roboter überwacht dann mit Hilfe der Sicherheitssteuerung selbsttätig seine Position und die Geschwindigkeit der Achsen. Sind Kräfte und Geschwindigkeiten gering genug und bleiben alle Roboterachsen in ihrem virtuellen „Käfig“, dann kann er in direkte Interaktion mit dem Menschen treten. Zum Beispiel hält er ein Teil fest, während eine Person dieses Teil bearbeitet oder inspiziert. Oder er führt der Person Bauteile zu, die bearbeitet werden sollen.

Aus der Perspektive der Sicherheitstechnik geht damit eine Verlagerung von bisherigen „Hardware“-Funktionen (Schutzzaun!) in die Software einher. Bezogen auf die Mensch-Roboter-Kooperation bietet diese Art des software-basierten Sicherheitssystems den Vorteil, dass der Mensch in definierte Bereiche des Schutzfeldes hineinreichen darf. Dabei werden alle Anforderungen der Maschinensicherheit wie z.B. ein sofortiges Stillsetzen im Gefahrenfall erfüllt.

Zugleich überwacht der Safety Controller zu jedem Zeitpunkt die Geschwindigkeit in Richtung der Begrenzung. Das heißt: Die Geschwindigkeit darf immer nur so groß sein, dass der Roboter jederzeit abbremsen kann, ohne den erlaubten Bewegungsraum zu verlassen.

Mit der Entwicklung des Safety Controllers hat Schmersal die Grundlagen für einige der Sicherheitskonzepte gelegt, die heute von namhaften Roboterherstellern genutzt werden und sich überwiegend (aber nicht nur) in der Automobilindustrie durchzusetzen beginnen. Die jeweils kundenspezifisch angepasste Sicherheitssteuerung ermöglicht das Realisieren von Funktionen wie „Sicherer Achsbereich“, und „Sichere Geschwindigkeit“.

Das hat zunächst zur Folge, dass man auf elektromechanische Sicherheitskomponenten verzichten und den Gefahrenbereich kleiner sowie den Schutzzaun schlanker dimensionieren kann. Denn der Schutzzaun erfüllt ja nur noch die Funktionen, den Menschen am Betreten des Gefahrenbereichs zu hindern oder ihn z.B. vor herausfliegenden Teilen zu schützen. Die Gefahr, dass der Roboter in den Schutzzaun einschlägt, muss nicht mehr abgesichert werden.

Von der Hardware in die Software

Außerdem – und das eröffnet die eingangs beschriebenen neuen Möglichkeiten – erlaubt die Funktion „Sichere Geschwindigkeit“ die unmittelbare Kooperation von Mensch und Roboter bei reduzierter Arbeitsgeschwindigkeit des Roboters.

Der Safety Controller gibt ein gutes Beispiel dafür, dass sich auch in der Maschinensicherheit Hardware-Funktionen zunehmend in die Software verlagern. Diese Entwicklung treibt Schmersal voran und wird das Prinzip des virtuellen Schutzzauns in Zukunft auch mit neuen Generationen von Sicherheitssteuerungen abbilden.

„Application Engineering“ für die sichere Robotik

Bei der sicheren Mensch-Roboter-Kooperation handelt es sich immer um Lösungen, die nicht „von der Stange“ einzusetzen sind, sondern prinzipiell an die Anforderungen des Anwenders angepasst und in die betriebsmäßigen Roboterfunktionen integriert werden. Für diese Aufgaben ist innerhalb der Schmersal Gruppe der Geschäftsbereich „Application Engineering“ verantwortlich. Die Ingenieure in diesem Bereich, der an den Standorten Wuppertal und Wettenberg angesiedelt ist, entwickeln im Kundenauftrag individuelle Software-Bausteine, die eine optimale Anpassung der Sicherheitsfunktionen an den jeweiligen Anwendungsfall erlauben. Dabei können sie auf die Erfahrungen zurückgreifen, die in zahlreichen kundenspezifischen MRK-Applikationen auf Basis des „Safety Controller“ gewonnen wurden. ee

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