Funktionale Sicherheit Sicherheit beim Einsatz von Roboter-Werkzeugwechslern

Automatische Werkzeugwechselsysteme erhöhen die Flexibilität in der Fertigung beim Einsatz von Robotern. Hohe Anforderungen werden dabei an die funktionale Sicherheit gestellt. Der Hersteller Stäubli Tec-Systems hat für sein Roboter-Werkzeugwechselsystem Sicherheitstechnik entwickelt, die ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit bietet.

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Die Modellvielfalt bei den Autoherstellern nimmt rasant zu und erreicht bereits weit über 3000 Varianten allein bei den deutschen Herstellern. Die damit entstehenden kleineren Serien erfordern eine erhöhte Anwendungsflexibilität der Produktionsanlagen, inklusive der integrierten Roboter, Vorrichtungen und Handhabungsgeräte. Automatische Werkzeugwechselsysteme leisten hier einen wichtigen Beitrag, indem sie das Aufgabenspektrum von Robotern erweitern. Sie sind ein wichtiger Baustein zur Steigerung der Flexibilität und Automation in verschiedenen Fertigungsbereichen – besonders dort, wo Roboter verschiedene Aufgaben wahrnehmen müssen.

Mechatroniklösungen für unterschiedliche Traglasten

Stäubli verfügt über jahrzehntelange Kompetenz auf dem Gebiet der Kupplungstechnik und war einer der ersten Pioniere auf dem Gebiet der Roboterwerkzeug-Wechselsysteme. Dieses gebündelte Know-how macht die Roboter-Werkzeugwechsler der Serie MPS von Stäubli zu zuverlässigen Mechatroniklösungen für unterschiedliche Traglasten, deren Performance die Produktivität und die erforderte höhere Flexibilität in automatisierten Fertigungsanlagen entscheidend verbessert. Als einziger Anbieter weltweit entwickelt Stäubli alle Komponenten für Werkzeugwechselsysteme – Druckluft-, Fluid- oder Elektrokomponenten – in Eigenregie. Die Werkzeugwechsler lassen sich entsprechend der kundenspezifischen Applikation mit verschiedenen Modulen und Komponenten für Medien-, Daten- und elektrischer Energieübertragungen ausrüsten.

Die Richtlinie 2006/42/EG des europäischen Parlaments und des Rates vom 17. Mai 2006 über Maschinen und zur Änderung der Richtlinie 95/16/EG (kurz: Maschinenrichtlinie) regelt ein einheitliches Schutzniveau zur Unfallverhütung für Maschinen. Die darin enthaltenen Vorgaben in Kombination mit der ISO13849 und 10218-2 stellen hohe Anforderungen an die funktionale Sicherheit. Dies betrifft auch den einsatz von Roboter-Werkzeugwechselsystemen. Die neue Situation in Bezug auf funktionale Sicherheit diskutierten Experten vom TÜV Rheinland und dem entsprechenden Normenausschuss sowie von Stäubli Tec-Systems auf dem Expertentag Karosseriebau mit dem Schwerpunktthema „Sicherheit beim Einsatz von Roboter-Werkzeugwechselsystemen“ im Stammsitz von Stäubli Tec-Systems in Bayreuth. In ihren jeweiligen Referaten erläuterten die Sicherheitsexperten detailliert die entscheidenden Anforderungen für ein hohes Maß an Sicherheit und in wieweit die Stäubli-Werkzeugwechsler diese Anforderungen erfüllen.

Sichere Maschine

Funktionale Sicherheit bezeichnet den Teil der Sicherheit eines Systems, der von der korrekten Funktion der sicherheitsbezogenen (Sub-)Systeme und externer Einrichtungen zur Risikominderung abhängt. „Funktionale Sicherheit ist dann gegeben, wenn jedes Risiko über Sicherheitsfunktionen so abgesichert wird, dass die Maschine als sicher bezeichnet werden kann“, stellt Dr. Thorsten Gantevoort vom TÜV Rheinland heraus. Für jede gewählte Sicherheitsfunktion muss ein erforderlicher Performance Level (PLr) entsprechend der DIN EN ISO 13849-1:2007 festgelegt und dokumentiert werden. Die Bestimmung des erforderlichen Performance Levels ist das Ergebnis der Risikobeurteilung.

Wie sieht die Risikobeurteilung für ein Werkzeugwechselsystem aus? Zu den möglichen Gefährdungen gehören die Entriegelung des Werkzeugwechslers außerhalb des Ablagebereichs und die Verriegelung, während der Roboter innerhalb des Ablagebereichs in Bewegung ist. Auslöser für beide Szenarien kann zum Beispiel ein abfallender Pneumatikdruck sein oder die fehlerhafte Ansteuerung des Signals „MPS entriegeln“ sein. „Die Sicherheit muss nicht nur unter nominalen Bedingungen gewährleistet sein, sondern auch Fehler, Ausfälle, Störungen usw. dürfen nicht zum Verlust dieser Sicherheit führen“, ergänzt Dr. T. Gantevoort. Die Risikoanalyse ergibt, dass die resultierende Sicherheitsanforderung dem Performance Level PL d Kategorie 3 entspricht.

Zwei Sicherheitskonzepte vorgestellt

Um die Risiken sicher auszuschalten, hat Stäubli die zwei Sicherheitskonzepte Transpondertechnik in Kombination mit der ISB200 und die Aktive Ablagestation entwickelt, die dem Performance Level d Kategorie 3 entsprechen und auf dem Expertentag der Fachöffentlichkeit vorgestellt wurden.

Für die Umsetzung der Kategorie 3 kommt bei Stäubli für die Werkzeugwechsler entweder Sicherheitsschalter + ISB200 (Logikmodul) + 2 Ventile oder die sogenannte „AKTIVE“ Ablage zum Einsatz. „Das Logikmodul ISB200 enthält eine vollständige, Bussystem-unabhängige Sicherheitsschaltung mit integrierter Diagnose und Auswertung der Abfragen, Druckschalter und Ventile“, betont Dipl.-Ing. Tino Schwarz von Stäubli Tec-Systems. Die Logik des Moduls ist mithilfe von zwei Sicherheitsrelais zweikanalig ausgeführt. „Eine optische Fehlerdiagnose wird mittels LEDs ermöglicht“, setzt Tino Schwarz fort.

Das Gesamtsystem von Stäubli hat in den Ausführungen „ISB200“ und „Aktives Ablagesystem“ das Zertifikat für Performance Level d, Kategorie 3, vom TÜV Rheinland erhalten. Obwohl mit diesen Maßnahmen bereits ein sehr hohes Maß an Sicherheit erreicht wird, sind Anlagenbauer bzw. -betreiber trotzdem gefordert, eine Bewertung des Restrisikos vorzunehmen und gegebenenfalls weitere Maßnahmen zur Erhöhung der Sicherheit in der Anlage zu treffen. Kompetente Unterstützung erhalten sie dabei von den Experten von Stäubli. (jv)

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