Die Notwendigkeit einer sicheren Robotersteuerung ergibt sich aus der Tatsache, dass Industrieroboter programmiert und eingerichtet werden müssen, was in der Regel nur mit aktiven Antrieben 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 und ausladender Bauteile eine trennende Schutzeinrichtung nicht installierbar. In den genannten Fällen können sich Personen in unmittelbarer Nähe des Roboters aufhalten und sind somit potenziell gefährdet. Die Gefährdung auf ein absolutes Mindestmaß zu reduzieren, war der Anlass für Reis Robotics eine personensichere Robotersteuerung zu entwickeln. Das softwarebasierte Sicherheitskonzept bietet eine Vielzahl von Sicherheitsfunktionen. Funktionsprinzip In der Robotersteuerung ist neben dem eigentlichen Steuerungsrechner ein zusätzliches Rechnersystem, der sogenannte SafetyController, vorhanden. Der SafetyController ist in Hardware und Software zweikanalig aufgebaut und bietet Personensicherheit nach DIN EN 954-1, Steuerungskategorie 3. Seine Aufgabe ist, die korrekte Funktion von Roboter und Steuerung ständig zu überwachen und die Anlage bei Abweichungen von den Nominalvorgaben sicher 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 sich der SafetyController die Position und die Geschwindigkeit des Werkzeugflansches. Darüber hinaus sind sichere digitale Ein- und Ausgänge für den Anschluss von Schutzgitter, Lichtschranken, Not-Aus usw. vorhanden. Sicherheitsfunktionen Da sämtliche Überwachungsfunktionen in Software realisiert sind, werden neuartige Sicherheitsfunktionen möglich, die einem nicht softwarebasierten System vorenthalten bleiben. Stellvertretend für eine Vielzahl neuartiger Sicherheitsfunktionen sind nachfolgend die wichtigsten aufgeführt. 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 SafetyController stillgesetzt. Die Sicherheitszonen können so konfiguriert werden, dass innerhalb der Schutzumzäunung eine virtuelle Wand entsteht, die den Roboter stillsetzt, bevor er das mechanische Schutzgitter erreichen kann. Außerdem soll sich der Roboter innerhalb erlaubter Zonen, z. B. an zwei Arbeitsstationen, frei bewegen dürfen. Der Werker kann an der jeweils freien Station ein Fertigteil entnehmen, bzw. ein Rohteil einlegen. Sicher reduzierte Geschwindigkeit Die EN-775 schreibt für den Einrichtbetrieb eine maximale Geschwindigkeit von 250mm/s am Werkzeugflansch vor. Der SafetyController 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 Werker 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 Werker während des Produktionsbetriebes ohne trennende Schutzeinrichtungen in unmittelbarer Nähe des Roboters aufhalten, ohne dass dabei ein Zustimmungsschalter betätigt werden muss. Er kann sich somit ganz auf seine Arbeit und den Prozess konzentrieren. Die geringe Verfahrgeschwindigkeit erlaubt dem Werker, die Anlage in Gefahrensituationen rechtzeitig über die nächstgelegene Notabschaltung still zu setzen. Sichere Roboterführung mit 6D-Maus Der Roboter lässt sich durch eine am Werkzeug montierte 6D-Maus in allen Freiheitsgraden bewegen, wobei die Bewegungsfreigabe erst bei Betätigung eines Zustimmungsschalters erfolgt. Der Roboter kann den Werker bei seiner Tätigkeit wie eine dritte Hand unterstützen. z.B. kann der Werker ein Bauteil mit Hilfe des handgeführten Roboters an einem Werkstück positionieren. Dort hält der Roboter das Bauteil in Position und der Werker hat nun beide Hände frei, um das Bauteil mit dem Werkstück zu verbinden. Der Roboter stellt dabei keine Gefahr dar, da er auf sicheren Stillstand überwacht wird. Sicherheits-SPS Eine frei programmierbare Sicherheits-SPS im SafetyController erlaubt die Verknüpfung verschiedener interner Informationen, wie z. B. die Stellung des Roboters mit externen Sicherheitssignalen, wie z. B. geöffnete oder geschlossene Schutzgitter, Not-Aus, Zustimmungsschalter usw. Die Verknüpfungsergebnisse können an sicheren Ausgängen ausgegeben werden, um Schaltvorgänge in der Peripherie einzuleiten. Vorteile einer personensicheren Robotersteuerung Die aufgeführten Beispiele zeigen, welches Potenzial diese zukunftsweisende Technologie bietet. Die softwarebasierte Realisierung von Sicherheitsfunktionen bietet dabei enorme Vorteile: – Die softwarebasierte Realisierung aufwendiger Sicherheitsfunktionen ist kostengünstig möglich. – Auf elektromechanische Komponenten zur Überwachung des Roboters, wie z.B. Sicherheitsschalter und Nockenbahnen, kann verzichtet werden. – Die Definition kartesischer Funktionen, wie z.B. geometrische Schutzbereiche, erlauben eine Bereichserkennung und eine Kollisonserkennung. – Ein Betrieb ohne trennende Schutzeinrichtungen ist möglich. Mit der sicheren Robotersteuerung ist ein Sicherheitsstandard für Roboter geschaffen, der neue Einsatzmöglichkeiten bietet. Ausblick Die oben genannten Funktionen gehören zur Grundausstattung jeder Roboteranlage von Reis Robotics. Zukünftig wird das Arbeitsumfeld des Roboters in Form eines 3D-Umweltmodells abgebildet und dem SafetyController bekannt gemacht. Der Roboter arbeitet dann nicht mehr \’blind\‘, sondern kann sich sicher zwischen den modellierten Hindernissen bewegen. Personen können von Sensoren sicher erkannt und in das 3D-Umweltmodell integriert werden. Die Steuerung ist in der Lage, den Abstand zwischen Roboter und Personen zu überwachen und darauf entsprechend zu reagieren. Kollisionen können vorab erkannt und vermieden werden. Als Sensoren können 2D-Laserscanner oder 3D-Kameras zum Einsatz kommen. Das softwarebasierte Sicherheitskonzept hält darüber hinaus alle Möglichkeiten für zukünftige Weiterentwicklungen offen.
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