Sicherheitselektronik ermöglicht innovative Applikationen (Messestand 7-250)

Roboter mit virtuellem Schutzzaun

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Um eine möglichst enge Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine zu ermöglichen, müssen auch Lackierroboter – beispielsweise für die Automobilindustrie – einen hohen technischen Strandard bezüglich der Sicherheit erfüllen. Eine besondere sicherheitstechnische Funktionalität sind dabei so genannte kartesischen Nocken; also die Arbeitsbereiche im Bewegungsraum der Kinematik, innerhalb derer sich der Roboter oder das Roboterwerkzeug bewegen darf.

Was heute in vielen Applikationen mehr und mehr notwendig wird, ist auch für die Dürr Paint Systems GmbH, Bietigheim-Bissingen, die wesentliche Motivation gewesen, ihre Lackierroboter um neuartige sicherheitstechnische Funktionalitäten zu ertüchtigen. Dürr – auf dem Gebiet schlüsselfertiger Großserien-Lackieranlagen, insbesondere für die Automobilindustrie, Technologie- und Marktführer – verwendet dazu im Rahmen der neuen Sicherheitssteuerung Eco-Motion- Guard-S den Esalan-Safety-Controller. Man ist damit ein weiterer Referenzkunde des Controller-Herstellers Elan Schaltelemente in Wettenberg (einem Unternehmen der Schmersal-Gruppe), der diese Sicherheitselektronik ursprünglich in enger Zusammenarbeit mit dem Kunden Reis Robotics GmbH & Co., Obernburg, entwickelt hat und die dort heute Bestandteil jedes Roboters ist.

Bei Dürr Paint Systems GmbH setzt man auf durchgängig und modular aufgebaute Roboterlösungon für alle gängigen Anwendungen in der Karossen- und Großteilebeschichtung. Dabei kombiniert das Unternehmen die Roboter- mit der Lasertechnologie für die berührungslose Online-Messung der Lackschichtdicke im Nassfilm. Zugrunde liegt eine softwarebasierte Prozesskontrolle, die Mängel in der Oberflächenqualität automatisch erkennt, analysiert und dauerhaft eliminiert. Bei der Konzeption schlüsselfertiger Anlagen kommen Dürr-eigene Steuerungssysteme zum Einsatz.
Enges Zusammenwirken von Mensch und Maschine
Weil bei automatisierten Lackieranlagen im Falle eines engen Zusammenwirkens von Mensch und Roboter, zum Beispiel bei direkt angeschlossenen Kontrollzonen oder Handarbeitsplätzen, Personen, die in diesen Bereichen arbeiten, von der Kinematik des Roboters erreicht werden können, bedarf es zusätzlicher wirkungsvoller Sicherheitstechnik, um solche Applikationen überhaupt realisieren zu können. Ohne dabei in Konflikt mit den gesetzlichen Anforderungen zum Personenschutz bei Maschinen und Maschinensteuerungen zu kommen. In bisherigen Anlagen konnte dieser Schutz nur durch ausreichend große Sicherheitsabstände erreicht werden. Eine Begrenzung des Bewegungsraums der Kinematik durch Endschalter wäre hingegen nicht möglich gewesen, weil dadurch eine unakzeptable Einschränkung des Arbeitsraums entstanden wäre. Darüber hinaus können Endschalter auch nicht berücksichtigen, dass die kinetische Energie des Roboters einen Anhalteweg benötigt. Ebenso mit Nachteilen behaftet sind auch andere Systeme, z.B. Lichtschranken, die den Roboter bei Verlassen des Arbeitsbereichs detektieren würden.
Der Esalan-Safety-Controller
All dies sind Nachteile und Beschränkungen, die beim Einsatz neuer Sicherheitssteuerungen bzw. der Kombination von Eco-Motion-Guard-S mit dem Esalan-Safety-Controller nicht mehr auftreten. Die Kombination stellt ein sicheres System dar, um Personen, die in angrenzenden Bereichen arbeiten, vor Gefahren zu schützen, die von der Kinematik des Roboters ausgehen. Die Sicherheitssteuerung Eco-Motion-Guard-S besteht aus zwei Hauptkomponenten. Zum einen dem Esalan-Safetycontroller, zum anderen einem Resolverumsetzer, der dem Sicherheitscontroller – neben dem Sollwert für Kanal 1, der aus dem Sercos-Ring der Anlage abgezweigt wird – Istwert-Signale als zweitem Überwachungskanal zur Verfügung stellt. Diese Istwerte werden dann über eine Feedbackleitung der Antriebe eingeschliffen. Da die Kombination Sollwert-Istwert allein nicht alle sicherheitstechnischen Anforderungen an die zu betrachtenden und zu beherrschenden Fehlerfälle erfüllen würde, sind – sowohl auf der Antriebs- als auch auf der Überwachungsseite – weitere sicherheitsgerichtete hard- und softwaremäßige Plausibilitätschecks realisiert.
Der Sicherheitscontroller überwacht nun auf der Basis der redundanten Bewegungssignale – sowohl achsspezifisch als auch im Raum – die Geschwindigkeit jeder einzelnen Roboter- und Peripherieachse. Das Überschreiten einer sicherheitsrelevanten Geschwindigkeit, das Überfahren eines Posi- tionsgrenzwerts oder das Verlassen eines sicheren Haltepunkts (Safe Position) wird erkannt und führt zu einem sofortigen sicheren Stillsetzen der Anlage. Die Grenzwerte – sie werden später in Abhängigkeit von der jeweiligen Betriebsart über sichere Eingänge aktiviert – werden dabei werksseitig und im Rahmen der Anlagen-Inbetriebnahme voreingestellt.
Besonderheit: Kartesische Nocken
Von besonderer Bedeutung, sich für die Sicherheitssteuerung zu entscheiden, ist für Dürr die Sicherheitsfunktionalität so genannter kartesischer Nocken gewesen. Dies sind Arbeitsbereiche im Bewegungsraum der Kinematik, innerhalb derer sich – je nach Definition – der Roboter oder das Roboterwerkzeug bewegen darf oder nicht. Zugleich wird zu jedem Zeitpunkt die Geschwindigkeit in Richtung der Begrenzung überwacht, d.h. die Geschwindigkeit darf nur so groß sein, dass ein Abbremsen möglich ist, ohne den erlaubten Bewegungsraum zu verlassen. Dazu werden die achsspezifischen Werte im Sicherheitscontroller einer Vorwärtstransformation unterzogen, um die Position einzelner Punkte auf dem Roboter im Weltkoordinatensystem zu ermitteln. Da die kartesischen Nocken ebenfalls im Weltkoordinatensystem des Roboters definiert sind, ist es mit Hilfe eines speziellen Algorithmus möglich festzustellen, ob eine Verletzung des Nockens vorliegt.
Die Funktionalität der kartesischen Nocken ermöglicht es, Schutzumzäunungen kleiner und leichter bauen zu können bzw. sie besser ausnutzen zu können, weil die Nocken im Innenraum der Anlage eine Art von vorgelagertem virtuellen Schutzzaun bilden. Der Sicherheitscontroller überwacht die Bewegungen und schaltet die Maschine in den sicheren Zustand, käme es durch einen Fehlerfall in der betriebsmäßigen Robotersteuerung oder durch eine andere Ursache zu einer Verletzung des virtuellen Arbeitsraums. Insofern dient der tatsächliche Schutzzaun nur noch dazu, Menschen daran zu hindern, in den Arbeitsbereich des Roboters einzudringen (aber nicht mehr umgekehrt).
Steuerungskategorie 3 gemäß EN 954-1
Beim Esalan-Safety-Controller handelt es sich um eine zweikanalige Mikroprozessor-basierte Sicherheitselektronik, die zusätzlich zur betriebsmäßigen Steuerung arbeitet und ihr übergeordnet ist. Der Vorteil der übergeordneten Einbindung ist dabei, dass die Elektronik im Wesentlichen nur Überwachungsfunktionen ausführt und ausschließlich im Fehlerfall einen eigenständigen Steuerbefehl erzeugt, d.h. das Leistungsschütz der Anlage sicher abschaltet.
Im Normalfall arbeitet die betriebsmäßige Steuerung dagegen mit dem Vorteil sogenannter Soft-Stops (in der Sicherheitstechnik auch sicherer Betriebshalt genannt) autonom. D.h. alle Regelfunktionen (Drehmoment, Drehzahl, Lage usw.) zwischen Steuerung und Antriebsmotor bleiben erhalten, auch wenn eine Schutztür geöffnet wird. Zusätzlich wird überwacht, ob ein so genanntes bahntreues Stillsetzen erfolgt. Dabei wird geprüft, ob sich die Geschwindigkeit des TCP (Tool Center Point) kontinuierlich reduziert, bis als Endwert 0 mm/s erreicht ist. Wird durch den Sicherheitscontroller festgestellt, dass sich die Geschwindigkeit des TCP nicht reduziert, erfolgt ein sicherheitsgerichtetes Abschalten. Der betriebsmäßigen Steuerung ist es über diese Überwachung der Bremsrampe möglich, die Geschwindigkeit des TCP zu reduzieren, ohne dass der TCP dabei seine Bahn verlassen muss. In Sonderfällen können sich auch einzelne Achsen bei der Bremsanforderung mit einer höheren Geschwindigkeit bewegen, bis der TCP die Geschwindigkeit 0 mm/s erreicht hat. Nach Erreichen der Geschwindigkeit 0 mm/s erfolgt entweder eine Abschaltung der Leistungsschütze oder die Überwachung des sicheren Betriebshalts.
Das sicherheitstechnische Konzept, das dem Esalan-Safety-Controller zugrunde liegt, entspricht dabei Steuerungskategorie 3 gemäß EN 954-1; bestätigt durch eine Untersuchung des Konzepts durch das Berufsgenossenschaftliche Institut für Arbeitsschutz BIA, St. Augustin, im Auftrag der Prüfstelle Maschinenbau, Fertigungssysteme und Stahlbau (früher Eisen + Metall II) der Süddeutschen Maschinenbau-BG, Mainz.
eA 550

Der Esalan-Safety-Controller ist ein gutes Beispiel dafür, dass Sicherheitstechnik nicht nur ein Muss ist, um Personen vor Gefahren zu schützen, die von Maschinen und Anlagen ausgehen, sondern dass innovative Sicherheitstechnik auch dazu beitragen kann, mit ihrer Hilfe Maschinenfunktionen zu realisieren, die man bislang nicht realisieren konnte. Eine besondere sicherheitstechnische Funktion sind dabei so genannte kartesischen Nocken; also die Arbeitsbereiche im Bewegungsraum der Kinematik, innerhalb derer sich der Roboter bewegen darf. Dazu wird die Geschwindigkeit in Richtung der Begrenzung kontinuierlich überwacht, sodass ein Abbremsen möglich ist, ohne den erlaubten Bewegungsraum zu verlassen. Achsspezifischen Werte unterzieht der Sicherheitscontroller einer Vorwärtstransformation, um die Position einzelner Punkte auf dem Roboter in seinem Koordinatensystem zu ermitteln. Da die kartesischen Nocken ebenfalls im Koordinatensystem des Roboters definiert sind, ist es mit Hilfe eines speziellen Algorithmus möglich festzustellen, ob eine Verletzung des Nockens vorliegt, was zu einer sicheren Abschaltung der Maschine führen würde.

Das Berufsgenossenschaftliche Institut für Arbeitsschutz BIA, St. Augustin, hat den BIA-Report 5/2003 „Sichere Antriebssteuerungen mit Frequenzumrichtern“ herausgebracht. Er wendet sich an die Anwender von Antriebssteuerungen, die abhängig von Applikationen und Gefährdungen Sicherheitsfunktionen in einer bestimmten Kategorie nach DIN EN 954-1 einsetzen wollen. Der Report steht im Internet unter der Rubrik Publikationen/BIA-Reports zum Herunterladen bereit: www.hvbg.de/bia.
Informationen über Lackieranlagen und -roboter von Dürr Paint Systems: www.durr.com
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