Die in der Maschinenrichtlinie und ab 2027 in der EU-Maschinenverordnung 2023/1230 definierten Sicherheitsregeln gelten u.a. für Roboter und fahrerlose Transportsysteme (FTS oder AGV), die in Produktion und Logistik zum Alltag gehören. Die autonomen Maschinen müssen in der Lage sein, mit komplexen und dynamisch-variablen Situationen zurechtzukommen. Um zugleich ihr volles Potenzial für eine effiziente Automatisierung auszuschöpfen, benötigen sie eine robuste und sichere Datengrundlage für die Wahrnehmung und Abbildung ihrer Umgebung.
Störungsresistente Schallwellen
Hier drängt sich die Ultraschallsensorik als Messgrundlage geradezu auf: Schallwellen lassen sich weder von den Umgebungsbedingungen noch von den Eigenschaften der Zielobjekte beeinträchtigen und liefern immer verlässliche Signale. Sie durchdringen Nebel und Regen, Dämpfe und Staub. Selbst Verschmutzung und anhaftende Beläge spielen dabei praktisch keine Rolle, ebenso die optischen Eigenschaften der Zielobjekte. Anders als Lichtstrahlen breiten sich die Schallimpulse nicht linear-punktförmig, sondern mit zunehmend großem Durchmesser aus. Die sogenannte Schallkeule, die ein Ultraschallsensor aussendet, trifft folglich immer flächig als geschlossene Wellenfront auf das Zielobjekt und erfasst somit auch unregelmäßige Oberflächen zuverlässig.
Das USi-System nutzt die physikalische Robustheit des Ultraschalls und fügt eine Besonderheit hinzu: Ihre Schallkeule hat keinen runden, sondern einen elliptischen Querschnitt. Mit dieser gestauchten, in einer Querachse stark verbreiterten Form ist sie zusätzlich für Sicherheitsanwendungen optimiert. Am Zielort deckt sie in 1,5m Abstand eine Fläche von 80x32cm ab und behält so einen breiten Bereich in der Bewegungsrichtung einer autonomen Einheit im akustischen ‚Blick‘. Zugleich können die Sensoren innerhalb der maximalen Reichweite von 2,5m auch kleine Objekte oder Körperteile detektieren. In der Intralogistik ist die Maximierung der Lagerkapazität entscheidend. Kompakte Sensoren spielen dabei eine Schlüsselrolle: Höchste Leistung in kompakter Bauform schafft mehr Platz für die Ware, denn die Technik macht sich klein. ‣ weiterlesen
Intralogistik: Neue Baumer ToF-Sensoren machen sich klein
Entkoppelte Einheiten
Eine weitere Besonderheit im Vergleich mit herkömmlichen Ultraschallgeräten ist die Entkopplung des Ultraschallwandlers, also der eigentliche Sensoreinheit, von der Elektronik. Üblicherweise sind beide Komponenten im selben Gehäuse untergebracht – im USi-System sind sie voneinander getrennt und können bis 3m entfernt angebracht werden. Mit seinem Volumen von nur 27x21x13mm lässt sich der Wandler selbst im Gabelzinken eines Staplers oder am Ende eines Roboterarms installieren. Zudem können zwei Ultraschallwandler an die Auswerteeinheit angeschlossen werden, die jeweils durch zwei fehlersichere, voneinander unabhängige Kanäle angebunden sind. Diese flexible Anordnung lässt eine fast beliebige mechanische Installation des Systems in der Anwendung zu. Die Ultraschallwandler sind zudem mit der Schutzart IP69 sowohl gegen Druckwasserreinigung als auch raue Wetterverhältnisse gewappnet.
Warnfeld und Schutzfeld parametrieren
Die einzelnen Wandler verfügen jeweils über zwei Schaltpunkte, die sich individuell parametrieren lassen. Wenn nur ein durchgängiges Schutzfeld benötigt wird, werden die Parameter identisch gesetzt. Um getrennte Warn- und Schutzfelder im Detektionsbereich zu erhalten, werden sie differenziert. So kann z.B. je nach Objektabstand Langsamfahrt oder Stopp ausgelöst werden, mit einer Reaktionszeit von 99ms. Standardparameter für den Safety-Einsatz sind bereits in der Parametriersoftware hinterlegt. Mit ihr lässt sich die Ausgangslogik intuitiv einstellen, periodische Tests können initialisiert werden. Im Expertenmodus kann man auch physikalische Faktoren der Ultraschallsensorik konfigurieren, wie Empfindlichkeit, Echoverstärkung, Mehrfach-Scan, Einschaltverzgerung, Nahfeld, Echoverbreitung oder Hysterese. Damit die Schallwellen mehrerer USi-Systeme einander nicht in die Quere kommen, unterdrückt die Software Interferenzen zwischen den Ultraschallsignalen. So ist der ungestörte Begegnungsverkehr von mehreren AGV in derselben Halle oder die Ausstattung mehrerer benachbarter Maschinen möglich.
Zertifiziert sicher
Die angeschlossenen Wandler verfügen jeweils über einen eigenen Meldeausgang sowie sichere OSSD-Ausgänge nach Kategorie 3 PL d für die Signalausgabe an eine Sicherheitssteuerung. Dank dieser Ausstattung sind die Voraussetzungen für ein sicheres Sensorsystem bereits mit einem einzigen angeschlossenen Ultraschallwandler erfüllt. Die entkoppelte Auswerteeinheit erstellt automatisch Safety-Protokolle für die Anlagendokumentation. Sie besitzt zwei parallel arbeitende Mikrocontroller, welche sowohl die Sensorfunktion als auch einander überwachen. Außerdem führen sie regelmäßig Prüf- und Testroutinen durch und lösen automatisch die Sicherheitsschaltung aus, wenn auffällige Abweichungen bei den Sensoreinheiten oder zwischen den Controllern auftreten. Digitale Souveränität in der Automation: Fraunhofer IOSB-INA entwickelt einen KI-Assistenten für die SPS-Programmierung. ‣ weiterlesen
Automatisierung neu gedacht
Mit der Teach-In-Funktion der Software lassen sich Störgrößen ausblenden, z.B. wenn in einer beengten Einbausituation ein Maschinenteil in das Detektionsfeld ragt. Ein solches Objekt kann zugleich als Referenz zum Manipulationsschutz dienen. Die Detektion aller anderen Objekte im Erfassungsbereich bleibt in beiden Fällen unberührt.
Typische Einsatzgebiete
Mit dem USi-Safety-System lassen sich vielfältige Sicherheitsaufgaben lösen – auch in Kombination mit optischen Systemen, die etwa in der Steuerung eines AGV eingesetzt sind:
- Fahrwegkontrolle für autonome Fahrzeuge: Das USi-System mit Ultraschallwandlern für Vorwärts- und Rückwärtsfahrt fungiert als Personen- und Kollisionsschutz.
- Fersenschutz für Hubfahrzeuge: Die vorangehende Person wird geschützt, ohne die Fahrt des Mitgängerfahrzeugs zu verzögern.
- Lagerplatzkontrolle in der Logistik: Das USi-System kontrolliert, ob das angepeilte Regalfach leer oder belegt ist.
- Zutrittsabsicherung bei Maschinen und Robotern: Lichtgitter sind empfindlich gegen Staub und Verschmutzung – die flach-elliptischen Schallkeulen überwachen davon unbeeinträchtigt den Zutritt zum Gefahrenbereich.
- Werkzeugabsicherung bei Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK): Die Schallkeule überwacht beim Präsentieren des Werkstücks den Eingriffs- bzw. Arbeitsbereich.
- Abstandskontrolle und Kollisionsschutz bei der Abfertigung auf Flughäfen: Fahrzeugausleger wie z.B. ein mobiles Gepäck-Förderband werden in Langsamfahrt zur Endposition gelenkt; das Schutzfeld verhindert die Kollision mit dem Flugzeugrumpf.
