Werkzeugabsicherung für MRK-Anwendungen in der Aggregatmontage
Ultraschallsensor macht Leichtbauroboter sicher
Ultraschallsensoren machen die effiziente und sichere Zusammenarbeit von Mensch und Roboter möglich. Bisher ist nur ein solcher Sensor weltweit nach ISO13849-1:2015 Kat.3 PLd für den Personenschutz zugelassen. Mit dem sicheren Ultraschall ausgerüstete Leichtbauroboter schützen den Menschen in der Kollaboration mit dem Roboter zuverlässig vor dem Effektor.
Die Sensorik auf Ultraschallbasis von Mayser ist für viele Anwendungen für Personenschutz und Automatisierung anwendbar. (Bild: Mayser GmbH & Co. KG)
Ein wichtiges Hilfsmittel für automatische bzw. halbautomatische Prozesse in der Fließbandmontage ist seit ca. 40 Jahren neben der SPS auch der Industrieroboter. Eine vollständige Automatisierung der Montage ist aber – auch heute noch – nicht immer sinnvoll oder möglich. Zum einen gibt es Aufgaben, die einfach zu komplex sind, um sie mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand zu automatisieren. Zum anderen ist der Mensch immer noch unschlagbar bei Tätigkeiten, die hohe Flexibilität, Mobilität und Intuition erfordern. Mayser und Thyssenkrupp System Engineering haben es sich deshalb zur Aufgabe gemacht, Lösungen für die Mensch/Roboter-Kollaboration zu entwickeln, bei denen die Stärken des Menschen und des Roboters vereint werden. Daraus ergeben sich neue Prozesse für die Aggregatmontage sowie viele weitere Anwendungsfelder, die nicht nur die Ergonomie verbessern und die (Varianten-)Flexibilität erhöhen, sondern auch die Kosten senken und die Einhaltung der Taktzeit erlauben. Konventionelle Automatisierungslösungen fordern eine strikte räumliche und zeitliche Trennung von Mensch und Maschine. Prozessschritte müssen dabei sequenziell abgearbeitet werden oder Komponenten wie Sicherheitstechnik und Zuführungen verursachen Kosten. Ansätze, Mensch und Roboter ohne Schutzgitter am selben Objekt arbeiten zu lassen, gibt es bereits, allerdings arbeiten beide oftmals nebeneinander und nicht wirklich in tatsächlicher MRK zusammen. Mit Leichtbaurobotern ist es möglich, typische Handarbeitsplätze mit Robotik auszurüsten. Dabei muss auch die Kollaborationsfähigkeit der Peripherie, z.B. des Effektors, den Ansprüchen einer sicheren MRK genügen. Da in der Regel kein Einfluss auf die Werkzeuggeometrie und das Bauteil genommen werden kann, besteht ein Lösungsansatz darin, das Werkzeug mittels einer virtuellen Schutzhülle in Form eines Sensorfeldes abzusichern. Dieser Weg wurde mit dem Ultraschall Safety von Mayser realisiert.
Detektion mittels dezentraler Wandler
Die Ultraschallsensorik erkennt Menschen und Objekte, berührungslos und unbeeinflusst von Schmutz, Fremdschall, Luftströmungen und Feuchtigkeit. Das besondere Merkmal des Ultraschallsystems sind die sehr kleinen Ultraschallwandler, die sich flexibel und geometrisch unabhängig von der Elektronik positionieren und damit direkt auf dem Roboterarm oder Greifer platzieren lassen. Die Sensoren messen in einem elliptischen Schallfeld und erfassen selbst sehr kleine Objekte. Zudem ermöglicht eine Teach-In-Funktion das Einlernen der kompletten Messumgebung als Standardumgebung. Dadurch reagiert das System nur auf Abweichungen vom Sollzustand. Die Wandler des Ultraschallsensors bauen jeweils ein Schallfeld um den Effektor auf, das in einen Warn- und einen Schutzbereich aufgeteilt ist. Die Messdistanz im Warnfeld beträgt maximal 250cm. Dringt der Roboter in das Warnfeld ein, wird er antriebsschonend abgebremst. Wird eine Person im Schutzfeld, das eine maximale Messdistanz von 200cm hat, detektiert, stoppt der Roboter – eine Kollision mit der Person wird verhindert. Nähert sich der Endeffektor dem Werkstück, kehrt der Roboter zur sicheren Geschwindigkeit zurück und das Schutzfeld wird deaktiviert. Das ermöglicht es dem Roboter, bei einer Kollision mit einer Person rechtzeitig zu stoppen, ohne die zulässigen Kräfte und Drücke zu überschreiten. Bereits ein Wandler erfüllt durch die Schutzfelder die Kriterien für die Zulassung nach ISO13849-1:2015 Kat.3 PLd für den Personenschutz. Der Leichtbauroboter für die Montage wurde mit vier Wandlern ausgestattet, da das die Geometrie des Effektors erforderte. Die Parametrisierung der Ultraschallsensoren erfolgt über ein grafisches Interface, das auf einem Rechner installiert werden kann. Anschließen lässt sich der Ultraschallsensor über USB.
