Personensichere Robotersteuerung

Die Notwendigkeit einer sicheren Robotersteuerung ergibt sich aus der Tatsache, dass Industrieroboter programmiert und eingerichtet werden müssen, was in der Regel nur mit aktivem Antrieb erfolgen kann. Bei einigen Produktionsprozessen ist es zudem unumgänglich, den Prozess aus nächster Nähe zu beobachten, um eventuell korrigierend eingreifen zu können. Darüber hinaus ist beim Bearbeiten sehr großer, ausladender Bauteile eine trennende Schutzeinrichtung nicht installierbar. Personen müssen sich mitunter in unmittelbarer Nähe des Roboters aufhalten und sind somit potenziell gefährdet. Die Gefährdung auf ein Mindestmaß zu reduzieren war der Anlass, eine personensichere Robotersteuerung zu entwickeln. Das softwarebasierte Sicherheitskonzept bietet eine Vielzahl von Sicherheitsfunktionen. Das Prinzip der personensicheren Robotersteuerung beruht auf einem sogenannten Safety Controller, einem zusätzlichen Rechnersystem, das in Hardware und Software redundant aufgebaut ist. Die Aufgabe des SafetyControllers ist, die korrekte Funktion von Roboter und Steuerung ständig zu überwachen sowie die Anlage bei Abweichungen von den Nominalvorgaben abzuschalten. Die Achsstellungen des Roboters werden in den Servo-Reglern zweikanalig erfasst und dem SafetyController über ein Feldbussystem zweikanalig zur Verfügung gestellt. Aus den Achsstellungen berechnet der Safety Controller die Position und die Geschwindigkeit des Werkzeugflansches. Darüber hinaus sind sichere digitale Ein- und Ausgänge für den Anschluss von Schutzgitter, Lichtschranken oder Not-Aus vorhanden. Da sämtliche Überwachungsfunktionen mittels Software realisiert sind, werden neuartige Sicherheitsfunktionen möglich, die einem nicht softwarebasierten System vorenthalten bleiben. Stellvertretend für eine Vielzahl neuartiger Sicherheitsfunktionen soll auf die wichtigsten eingegangen werden. Virtuelle kartesische Sicherheitszonen Durch einfaches Einlernen können geometrische dreidimensionale Schutzbereiche konfiguriert und entweder als erlaubte oder verbotene Zonen definiert werden. Dringt der Roboter in eine verbotene Zone ein oder verlässt er eine erlaubte Zone, wird er vom Safety Controller stillgesetzt. Die Sicherheitszonen werden so konfiguriert, dass innerhalb der Schutzumzäunung eine virtuelle Wand positioniert wird, die dem Roboter Einhalt gebietet, bevor er das mechanische Schutzgitter erreicht. Außerdem soll sich der Roboter innerhalb erlaubter Arbeitsräume abwechselnd an zwei Schweißstationen frei bewegen dürfen. Der Arbeiter kann an der jeweils freien Station ein Fertigteil entnehmen bzw. sie mit einem Rohteil beschicken. Sicher reduzierte Geschwindigkeit Die Sicherheitsnormen ISO 10218-1 schreibt für den Einrichtbetrieb eine maximale Geschwindigkeit von 250mm/s am Werkzeugflansch vor, so dass Personen genügend Zeit haben, sich entweder vor der Gefahr bringenden Bewegung zurückzuziehen oder den Roboter anzuhalten. Der Safety Controller überwacht die Geschwindigkeit des Roboterwerkzeugflansches und schaltet den Roboter bei einer Überschreitung der Grenzgeschwindigkeit sicher ab. Safe Production Bei einigen Applikationen ist es unumgänglich, dass ein Arbeiter den Bearbeitungsprozess beobachtet, um gegebenenfalls Korrekturen an den Prozessparametern vornehmen zu können. Hierzu wird im Automatikbetrieb die Geschwindigkeit reduziert und sicher überwacht. Bei niedriger Geschwindigkeit kann sich der Arbeiter während des Produktionsbetriebs ohne trennende Schutzeinrichtungen in unmittelbarer Nähe des Roboters aufhalten. Aufgrund der geringen Verfahrgeschwindigkeit soll der Arbeiter in Gefahrensituationen die nächstgelegene Notabschaltung betätigen können. Der Arbeiter betritt nach einer Anmeldeprozedur den Arbeitsraum des Roboters und kann nun den Schweißprozess kontrollieren oder korrigieren. Da kein Zustimmungsschalter erforderlich ist, kann er sich ganz auf seine Arbeit und den Prozess konzentrieren. Sichere Roboterführung mit der 6D-Maus Der Roboter lässt sich durch eine am Werkzeug montierte 6D-Maus von Reis Robotics in allen Freiheitsgraden bewegen. Die Bewegungsfreigabe erfolgt erst bei Betätigung eines Zustimmungsschalters. Der Roboter kann z.B. bei der Herstellung längs verschweißter Pipelineröhren helfen, wie sie die Europipe GmbH, Mülheim, herstellt. Vor dem eigentlichen Schweißvorgang muss ein Anfangsblech an das Rohr angeheftet werden. Der Roboter unterstützt den Arbeiter bei seiner Tätigkeit, indem er ein Anschweißblech automatisch an einer Vorposition am Rohr grob positioniert. Der Arbeiter führt den Roboter danach mit der 6D-Maus an die exakte Schweißposition. Dort hält der Roboter das Blech in Position, und der Arbeiter hat beide Hände frei, um das Blech anzuheften. Der Roboter stellt keine Gefahr dar, da er auf sicheren Stillstand überwacht wird. Eine frei programmierbare Sicherheits-SPS im Safety Controller erlaubt die Verknüpfung verschiedener interner Informationen, wie die Stellung des Roboters und externe Sicherheitssignale, z.B. geöffnete oder geschlossene Schutzgitter, Not-Aus oder Zustimmungsschalter. Die Verknüpfungsergebnisse können an sicheren Ausgängen ausgegeben werden, um Schaltvorgänge in der Peripherie einzuleiten. Eine praktische Anwendung ist die sichere Abschaltung einer Laserstrahlquelle in einer Laserschneidapplikation. Die Sicherheits-SPS überwacht dabei die Austrittsrichtung des Laserstrahls, die sich aus den Achsstellungen des Roboters ergibt. Zeigt der Laserstrahl nicht auf das Bauteil, sondern auf die Kabinenwände, schaltet der Safety Controller den Laserstrahl sicher ab. Dies verhindert, dass der Laser die Kabinenummantelung durchtrennt und die Zelle verlässt. Mit den softwarebasierten Sicherheitsfunktionen wurde ein neuer Sicherheitsstandard für Roboter geschaffen, der zudem folgende Vorteile bietet: – die Realisierung aufwändiger Sicherheitsfunktionen ist kostengünstig möglich – elektromechanische Komponenten zur Überwachung des Roboters können entfallen – kartesische Funktionen, wie geometrische Schutzbereiche, bieten zusätzliche Sicherheit – der Betrieb ohne trennende Schutzeinrichtungen ist möglich