Robotersteuerung Mit Robotern gefahrenfrei zusammenarbeiten

Redakteur: Jan Vollmuth

B&R hat mit TÜV-zertifizierten Funktionsbausteinen die Robotersicherheit so weit erhöht, dass Mensch und Roboter Hand in Hand zusammenarbeiten können.

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Mit der verallgemeinerten Kinematikbeschreibung über nachladbare Tabellen kann jede beliebige serielle Kinematik mit bis zu elf Dreh- und Schubachsen beschrieben werden. Das deckt zum Beispiel auch Anwendungen mit auf Linearachsen befestigten Robotern ab.
Mit der verallgemeinerten Kinematikbeschreibung über nachladbare Tabellen kann jede beliebige serielle Kinematik mit bis zu elf Dreh- und Schubachsen beschrieben werden. Das deckt zum Beispiel auch Anwendungen mit auf Linearachsen befestigten Robotern ab.
(Bild: B&R)

Neben Maschinen übernehmen zunehmend auch Industrieroboter Tätigkeiten in der Fertigung. Am weitesten verbreitet sind Knickarmroboter mit sechs elektromechanisch angetriebenen Bewegungsachsen. Ziel von B&R ist es, Industrieroboter so sicher zu machen, dass sie ohne trennende Schutzeinrichtungen mit Menschen Hand in Hand arbeiten können.

Geregelt werden die sicherheitstechnischen Anforderungen an Industrieroboter bzw. Robotersysteme in Kollaboration mit menschlicher Arbeitskraft in den Normen EN ISO 10218, Teil 1 und Teil 2. Sie legen unter anderem fest, bis zu welchem Maß der menschliche Körper belastet werden darf. Diese definierten Höchstgrenzen gewährleisten, dass Menschen, die mit Robotern zusammenarbeiten, nicht ernsthaft gefährdet werden. Als Richtwert gilt: Eine sichere Kraftbegrenzung auf max. 150 N, eine sicher auf max. 250 mm/s reduzierte Geschwindigkeit und selbsttätiges Anhalten bei Annäherung halten die Folgen von Kollisionen harmlos.

Vielfältige Verfahrwege mit komplexen Achs-Bewegungsmustern

Hinter den Verfahrwegen von Werkzeugen oder Greifern, mit denen Industrieroboter ihre Arbeit verrichten, stehen komplexe Achs-Bewegungsmuster der vielgelenkigen Maschinen. Wichtig ist, dass sich die sichere Überwachung der Geschwindigkeit nicht nur auf einzelne Achsen bezieht, sondern auf den gesamten Roboter und damit auch auf den Werkzeugarbeitspunkt (TCP: Tool Center Point).

Als ersten Baustein einer erweiterten Roboter-Sicherheit schuf B&R 2011 die Funktion SLS (Safely Limited Speed) am TCP als Safe-Robotics-Bibliothek mit TÜV-zertifizierten Parameter- und Funktionsbausteinen für die sichere Programmierumgebung Safe-Designer.

Mit diesen Funktionsbausteinen werden sicherheitsgerichtete Steuerungsprogramme in der Sicherheitssteuerung Safe-Logic entwickelt. Diese ermitteln durch Transformation der sicheren Informationen über Status, Position und Geschwindigkeit der einzelnen Achsen die tatsächliche Geschwindigkeit am Werkzeugarbeitspunkt und vergleichen sie mit den sicheren Vorgabewerten.

Die Sicherheitsfunktionen werden direkt in den Antrieben ausgeführt

Direkt in den Antrieben, die mit der sicheren Bewegungssteuerung Safe-MC ausgestattet sind, erfolgt sowohl die Aufnahme der sicheren Daten als auch die Ausführung der Sicherheitsfunktionen. Sicher übertragen werden die Informationen über das feldbusunabhängige, sicherheitsgerichtete Übertragungsprotokoll Open-Safety.

Safe-MC ist integraler Bestandteil der ACOPOS-Multi-Servoantriebe von B&R. Die Antriebe weisen eine typische Fehleraufdeckungs- und Reaktionszeit von 7 ms auf. Das entspricht etwa einem Zehntel dessen, was mit Relais-Sicherheitsschaltungen erzielbar ist und verkürzt den Anhalteweg um den Faktor 100.

In der ersten Version der Safe-Robotics-Funktionen bediente sich das Überwachungs-Softwaremodul eines Kinematik-Beschreibungsbausteins. Dieser ist für alle gängigen Robotertypen frei konfigurierbar. Allerdings birgt dies einen Nachteil: Die resultierende Sicherheitsapplikation müsste für jeden Robotertyp separat zertifiziert werden.

Die Kinematik wird mit homogenen Parametern beschrieben

Um Kunden diesen Aufwand abzunehmen, hat B&R eine effizientere Lösung entwickelt und verwendet nun einen Satz homogener Parameter zur Kinematikbeschreibung. Der Vorteil dieser Vorgehensweise liegt klar auf der Hand: Dieser ist unabhängig von den tatsächlich hinterlegten Werten allgemein für jede erdenkliche Kinematik mit bis zu elf Dreh- oder Schubachsen gültig.

Dass die Programmierung für die Sicherheitssteuerung nicht erneut zertifiziert werden muss, ist jedoch nur ein Vorteil der B&R-Lösung. Darüber hinaus können mittels der Parameter für die Transformation auch Mischkonfigurationen beschrieben werden. Dabei bewegt sich der Roboter zusätzlich auf einer linearen Portalachse oder auf einem Rundtisch.

Mittels der Parameter werden auch Mechaniken beherrschbar, bei denen unterschiedliche Achsen mechanisch miteinander verkoppelt sind. Dreht sich zum Beispiel Achse 4, so ändert Achse 5 gleichzeitig ihren Winkel.

Zusätzliche Funktionen machen zusätzliche Freiheitsgrade leichter handhabbar

Fester Bestandteil der erweiterten Möglichkeiten von Safe-Robotics ist ein weiterer Funktionsblock, der die zusätzlichen Freiheitsgrade für den Nutzer leichter handhabbar macht. Mit den zusätzlichen Funktionen lassen sich die hinterlegten Parameter auf Plausibilität prüfen. Auf diese Weise verwandelt sich die Safely Limited Speed am Tool Center Point zu einem unkompliziert anwendbaren Sicherheits-Baukasten – speziell wenn die Anwender auf vorinstallierte Parametersätze handelsüblicher Robotertypen zurückgreifen, die von den verschiedenen Roboterherstellern für ihre jeweiligen Modelle bereitgestellt werden.

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Bei der Art der Ansteuerung besteht für den Anwender freie Wahl, unabhängig davon ob die Robotersteuerung des jeweiligen Kinematikherstellers verwendet wird oder eine Einbindung in allgemeine Steuerungssysteme besteht. Diese Vorgehensweise wird möglich durch das offene und busunabhängige Sicherheitsprotokoll Open-Safety. Die einzige Voraussetzung für diese Ansteuerung besteht lediglich darin, sicherheitsgerichtete Positionsdaten bereitzustellen und Antriebe zu verwenden, die in der Lage sind, sichere Reaktionen zu verarbeiten. Bestens geeignet für diese Aufgaben sind Antriebskomponenten wie Acopos-Multi mit Safe-MC aufgrund der integrierten Sicherheitsfunktionen und der erhöhten Reaktionsfähigkeit.

Anwender von Safe-Robotics benötigen kein Wissen über die Berechnung von Bahnkurven oder -geschwindigkeiten. Die Berechnung übernehmen eingebaute Transformationsmechanismen. Anwender werden dadurch optimal unterstützt und können sich auf ihre Kernaufgaben konzentrieren. Seit der Erfindung des elektromechanisch angetriebenen Sechsachs-Knickarmroboters vor gut 40 Jahren war es noch nie so leicht, Mensch und Maschine sicher zusammenarbeiten zu lassen. (jv)

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