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Mensch und Roboter: Eine Hand stört die andere nicht

Neue Konzepte erlauben Kooperation beim Schweißen und in der Montage
Mensch und Roboter: Eine Hand stört die andere nicht

Arbeiten Roboter und Mensch zusammen, gibt es Sicherheitsbedenken. Reis Robotics und die Fraunhofer-Institute IPA und IPK wischen diese mit neuen Konzepten beiseite.

Von unserem Redaktionsmitglied Thomas Preuß – thomas.preuss@konradin.de

Roboter und Menschen müssen in der Fertigung nicht mehr auf Abstand gehalten werden, wie auf der Factory Automation in Hannover deutlich wurde. Und das ist gut so: Denn arbeiten sie Hand in Hand, steigert das Produktivität und Flexibilität, insbesondere bei variantenreicher Kleinserienfertigung.
Wie die Mensch-Roboter-Kooperation aussehen kann, zeigte im Bereich Montage das Stuttgarter Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) zusammen mit den Berliner Kollegen vom Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK). Ein paar Stände weiter präsentierte die Reis GmbH & Co. Maschinenfabrik aus Obernburg eine Lösung fürs Schweißen.
Schon vor Jahresfrist hatte Reis Robotics auf der Messe ein Konzept vorgestellt, nun sind erste Umsetzungen in die Praxis zu vermelden. Safe Production nennen die Obernburger ihre Sicherheitsfunktion, die den Zutritt von Personen direkt in den Arbeitsbereich eines Knickarmroboters gestattet, ohne dass der Automatikbetrieb unterbrochen werden müsste. Der Anlagenbediener kann sich dabei risikolos dauerhaft in der Roboterzelle aufhalten, sogar in unmittelbarer Nähe des Roboters. Die Sicherheitsfunktion ist in die Robotersteuerung Robotstar V integriert.
Bewegt sich der Bediener nah am Roboter, werden die Achsgeschwindigkeiten personen-sicher reduziert. Die Technik ermöglicht nach Aussage des Geschäftsführers von Reis Robotics, Dr. Michael Wenzel, neue praxisgerechte Konzepte bei der Anlagen- und Roboterbedienung, die wegen des Arbeitsschutzes bisher nicht zu realisieren waren. Der Anwender kann den ablaufenden Prozess aus direkter Nähe beobachten oder in ihn eingreifen, während der Automatikbetrieb weiterläuft. Derzeit sind folgende Anlagenvarianten in die Praxis umgesetzt:
– Die Anlage arbeitet im Automatikbetrieb mit voller Prozessgeschwindigkeit. Betritt der Bediener die Anlage, reduzieren sich die Achsbewegungen des Roboters im gesamten Arbeitsraum auf eine personensichere Geschwindigkeit. Der Bediener kann nun ungefährdet arbeiten. Dies ist von Vorteil, wenn bei der Fehlersuche Servicepersonal eingesetzt wird, das keine Erfahrung in der Bedienung der Anlage hat.
– Der Arbeitsraum des Roboters ist in zwei Bereiche eingeteilt. In einem Bereich, auf den der Bediener keinen Zugriff hat, werden grundsätzlich die programmierten Geschwindigkeiten gefahren, die keiner Beschränkung unterliegen. Im zweiten Bereich wird normalerweise ebenfalls die unbeschränkte programmierte Geschwindigkeit gefahren. Beim Zugang durch den Bediener sinkt diese auf die erforderliche Prozessgeschwindigkeit.
– Eine weitere Stufe der nun möglichen Anlagenkonzepte ist der Betrieb von Robotern ohne trennende Schutzeinrichtungen. Hier arbeiten Mensch und Maschine mit einer fest programmierten Geschwindigkeit Hand in Hand. Der Roboter handhabt zum Beispiel schwere Teile, an denen der Werker Montage- oder Bearbeitungsaufgaben ausführt.
Zentraler Baustein der Sicherheitstechnik ist der Safety Controller. Diese Robotersteuerungskomponente überwacht ständig die Funktion der Robotersteuerung sowie Position und Geschwindigkeit der Achsen. Sie stützt sich auf sichere, zweikanalig ausgewertete Achspositionen. Die Positionswerte aus den Servoreglern werden über ein zweikanaliges Feldbussystem an den Safety Controller übertragen. Dort werden beide Informationskanäle auf Plausibilität überprüft. Überschreitet der Roboter sicherheitsrelevante Geschwindigkeitsgrenzen, überfährt er Raum-Positionsgrenzwerte oder verlässt er einen sicheren Haltepunkt, so erkennt das der Safety Controller – und er setzt den Roboter sofort und sicher still.
In normalen Produktionsanlagen, so versichert Michael Wenzel, könne mit diesen Funktionalitäten die Anlagenverfügbarkeit gesteigert werden, weil der Automatikprozess nun nicht mehr unterbrochen werden muss, wenn der Bediener ohne Risiko den Produktionsablauf optimieren oder eingreifen will.
Auch die Fraunhofer-Ingenieure von IPA und IPK waren der Ansicht, es könne nicht angehen, dass nur aus Sicherheitsgründen Mensch und Roboter getrennt arbeiten. Sie entwickelten den Kooperations-Arbeitsplatz Team@Work: Ein stationärer Industrieroboter und ein Werker montieren Hand in Hand Baugruppen oder ganze Teile gleichzeitig, nebeneinander oder zeitlich versetzt in unmittelbarer Nachbarschaft. Sowohl Werker als auch Roboter haben uneingeschränkten Zugriff auf das Montageobjekt. Damit sie parallel arbeiten können, gibt es innerhalb der Anlage eine zweite Station für rein manuelle Tätigkeiten. „Die Sicherheit des Menschen hat oberste Priorität“, betont IPA-Projektleiter Stefan Thiemermann, „aber das muss nicht zu Lasten der Produktivität gehen.“
Dafür sorgt ein intelligentes Überwachungssystem, das den gemeinsamen Arbeitsraum im Blick hat. Das Grundprinzip ist eine flexible Abstandsüberwachung: Mehrere Kameras behalten Roboter und Werker im Auge. Sie melden Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der exponiertesten Punkte der beiden Akteure an ein Regelungssystem weiter. Dieses ermittelt mit Hilfe einer Software den jeweils kürzesten Abstand zwischen ihnen. Der wird mit dem zulässigen Abstand verglichen, der von der jeweiligen Situation, also den Momentangeschwindigkeiten von Mensch und Roboter, abhängt, aber auch Fixgrößen wie Brems- und Not-Aus-Verhalten des Roboters sowie die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Gesamtsystems berücksichtigt.
Montagesystem für breites Produktspektrum
Das Ziel von IPA und IPK ist ein Montagesystem, das sich einfach erweitern lässt und produktneutral aufgebaut ist. Es soll je Station ein breites Spektrum von Arbeitsinhalten und den stetigen Wechsel manueller und automatischer Tätigkeiten erlauben.
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