Maschinensicherheit: Sichere Handling-Systeme für Anlagen mit Industrierobotern

Nicht nur die Anzahl an Industrierobotern stellt neue Anforderungen an die Anlagen- und Maschinensicherheit, sondern auch die zunehmende Roboterdichte: Im Jahr 2020 kamen weltweit auf 10.000 Arbeitsplätze in der Fertigungsindustrie 126 Roboter – fast doppelt so viele wie noch 2015. Dies belegen Zahlen der Interna­tional Federation of Robotics.

Immer mehr Roboter in Deutschland

Deutschland liegt dabei mit 371 Robotern noch deutlich über dem Durchschnitt und lag 2020 nach Südkorea, Singapur und Japan auf Platz vier der Länder mit dem höchsten Automatisierungsgrad. Die Folgen dieses Wachstums lassen sich in vielen Fertigungslinien beobachten: Immer mehr Maschinen arbeiten mit oder im Verbund mit Industrierobotern. Dabei kommen unterschiedlichste Kinematik-Typen zum Einsatz: 6-Achs-Knickarm-Roboter, Portal-Roboter SCARA-Systeme und Delta-­Picker – und diese Roboter müssen auf immer engerem Raum mit den Menschen in der Fertigung arbeiten und gegebenenfalls sogar zusammenarbeiten.

Anlagen- und Maschinensicherheit im Brennpunkt

Was bedeuten diese Entwicklungen für die Maschinensicherheit? Dazu gibt es entsprechende Vorgaben in der Maschinenrichtlinie, wonach ein Industrieroboter als unvollständige Maschine gilt. Erst nach der Integration in die Maschine oder Fertigungsumgebung mit allen Vorrichtungen und Schutzmaßnahmen entsteht die vollständige Maschine. Damit obliegt die Pflicht, die EG-Konformitätserklärung auszustellen, dem jeweiligen Maschinenbauer oder Integrator. Und genau hier liegt eine der Herausforderungen. Denn gerade angesichts des Wettbewerbs um immer produktivere und flexiblere Maschinen- und Anlagenkonzepte – für die Industrieroboter ja gerade ein zentraler Baustein sind – kommt die Anlagensicherheit als Kosten- und Zeitfaktor bei der Entwicklung und Umsetzung neuer Lösungen in den Blick.

Schutzzäune benötigen entweder viel Platz, damit sichergestellt ist, dass der Roboter den Zaun nicht berührt und gegebenenfalls verformt und den Maschinenbediener verletzen kann. Alternativ lässt sich der Zaun auch näher an den Roboter stellen – dann müssen allerdings mechanische Anschläge oder ­Arretierungen an Achsgelenken angebracht sein, die die Bewegungen des Roboters entsprechend begrenzen. Allerdings ist diese Lösung wenig flexibel: ­Bei Änderungen im Steuerungsprogramm oder der Automatisierungsaufgabe müssen diese Arretierungen gegebenenfalls anders montiert werden. Noch dazu hat jeder Kinematik-Typ eigene Anforderungen an den Arbeits- und Schutzraum. Ein neues Werkzeug oder Werkstück kann auch dazu führen, dass die Schutzmaßnahmen anzupassen sind. All diese Faktoren muss der Maschinenbauer in seinem Konzept für Maschinensicherheit berücksichtigen, projektieren und am Ende dokumentieren – weswegen er die Anlagensicherheit oft als Hemmschuh für Innovationen empfindet.

Flexibilität dank softwarebasierter Maschinensicherheit

Mit den richtigen Lösungen lassen sich Kine­matiken in Maschinen nicht nur sicher, sondern auch flexibel und hochproduktiv betreiben. Während die Bewegungsführung der unterschiedlichen Kinematik-Typen entweder mittels Techno­logieobjekt in der Simatic-Steuerungsfamilie oder durch Sinumerik Run ­MyRobot der ­Sinumerik One gesteuert wird, übernimmt Simatic Safe Kinematics die sichere Überwachung der Bewegungen. Damit sind die maschinennahen Kine­matiken auch in sicherheitstechnischer Hinsicht Teil der Anlagenautomatisierung. Die Softwarelösung Simatic Safe Kinematics besteht aus zwei Teilen: den sicheren Funktionsbausteinen, die die Achspositionen der jeweiligen Kinematik sicher überwachen, sowie dem Engineering, das die einfache Projektierung der Safety-Lösung im TIA-Portal ermöglicht.

Kompaktere Anlagen und mehr Produktivität

Ein wesentliches Merkmal dieser softwarebasierten Lösung ist, dass sich in der Maschine oder Anlage unterschiedliche Zonen definieren und sicher überwachen lassen: Arbeitszonen, in denen sich der Roboter bewegen darf, und Schutzzonen, in denen sich der Roboter nicht bewegen darf. Durch die sichere Zonenüberwachung wird eine Kollision zwischen Roboter und zuvor modellierten Zonen rechtzeitig erkannt, sodass die Anlage den Roboter vor Erreichen des Schutzzauns stillsetzen kann. Dadurch ist immer ein ausreichender Abstand zwischen Schutzzaun und Roboter gewährleistet, wodurch sich der Schutzzaun näher am Roboter installieren lässt. Dies reduziert den Platz-/Flächenbedarf der Roboterzelle deutlich. So schafft eine durchdachte Sicherheitslösung auch die Voraussetzung dafür, dass man den vorhandenen Platz optimal nutzen kann.

Ein weiteres Plus der sicheren Zonen­überwachung: Es lassen sich flexible Zonenkonzepte realisieren, die Anlagen sogar produktiver machen. Solange die Bedienperson weit genug vom Gefährdungsbereich entfernt ist, muss beispielsweise ein 6-Achs-Knickarm-Roboter nicht gestoppt werden. Nähert sich die Be­dienperson dem Roboter an, wird die Geschwindigkeit der Kinematik reduziert und sicher überwacht. Die Überwachung der Geschwindigkeit erfolgt nicht nur am Tool Center Point, sondern an beliebigen anderen Punkten des Roboters, des Werkzeugs und des Werkstücks. Man muss den Roboter nicht stoppen, sondern er kann weitere Aufgaben mit Abstand zur Bedienperson ausführen und zum Beispiel Werkstücke weiterbearbeiten oder mit der Handling-Aufgabe fortfahren.

Effiziente Projektierung

Die entsprechenden Sicherheitskonzepte für die Kinematik lassen sich auf einfache Weise in einer einheitlichen Umgebung umsetzen. Dazu wird der Prozess im TIA-Portal projektiert. Die Kinematik und die Umgebungsbedingungen können durch den Import der CAD-Daten aufwandsarm und realitätsnah dargestellt werden. Im 3D-Editor lassen sich die Bewegungen der realen Kinematik offline simulieren oder online nachvollziehen – mit Berücksichtigung unterschiedlicher Werkzeug- und Werkstückgeometrien. Auf diese Weise lässt sich einfach prüfen, wie sich die Kinematik bewegt, ob die Zonen richtig definiert wurden oder ob der Roboterarm durch den Schutzzaun greifen würde. Dem Anwender werden diese Zonenverletzungen unmittelbar angezeigt, sodass er die Projektierung entsprechend anpassen kann.

Die jeweilige sichere Reaktion lässt sich im Sicherheitsprogramm, zum Beispiel in Abhängigkeit von der Betriebsart oder von der Betätigung weiterer Sicherheitseinrichtungen, festlegen. Beispielsweise kann während des Einrichtbetriebs die Geschwindigkeit des Roboters so begrenzt werden, dass er jederzeit sicher zum Stillstand kommt. Dadurch können sich Mitarbeiter auch im Arbeitsbereich des Roboters aufhalten, um ein neues Werkstück oder eine neue Bewegung einzuteachen. Am Ende unterstützt der Assistent für den Abnahmetest den Anwender bei der Verifikation und Validierung der Sicherheitsfunktionen sowie bei der Dokumentation der Anlagensicherheit.

Der Autor Stefan Sattler ist Marketingmanager im Bereich Digital Industries bei Siemens.

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