Safe Handling Technology

Transkript

1 Tag der Arbeitssicherheit in Fellbach 11. Und 12. März 2009 Safe Handling Technology Aktuelle Entwicklungen bei Industrierobotern im Bereich der Mensch-Roboter Kooperation (Dr.-Ing. Peter Heiligensetzer) Seite 1

2 Inhalt : Vorstellung (KUKA / MRK-Systeme) Roboteranwendungen Normen / Richtlinien Mensch-Roboter Kooperation Safe Operation Safe Interaction Safe Handling Seite 2

3 KUKA AG Integrated Business KUKA AG 1.279,9 (Millionen) * Robotics 474,4 (Millionen) * Systems 854,9 (Millionen) * Automotive 50 % General Industry 50 % Automotive 90 % General Industry 10 % Innovation Center Shared Services * Vorläufige Zahlen 2008 KUKA Roboter GmbH Unternehmenspräsentation Seite 3

4 KUKA Roboter GmbH Roboter Steuerungen Software Applikationen Service Plattformen KUKA Roboter GmbH Unternehmenspräsentation Seite 4

5 KUKA Roboter Die Technologie 1980 Kosten 100% 30% Gewicht 100% 50% Teilezahl 100% 30% Montagestunden 100% 20% Wartung 100% 30% Performance 100% 200% 2009 KUKA Roboter GmbH Unternehmenspräsentation Seite 5

6 MRK-Systeme GmbH Ingenieurbüro (8 Mitarbeiter): Mensch-Roboter Kooperations-Systeme Enger Entwicklungs- und Systempartner von KUKA Roboter GmbH Funktionspakete zur Mensch-Roboter Kooperation Programmierung / Systemintegration Seite 6

7 Beispiele für Einsatzbranchen Spezielle Anforderungen spezielle Lösungen Unsere Branchenkenntnisse sind Ihr Vorteil. Automobilhersteller Automobilzulieferer Metallerzeugnisse Chemie, Gummi & Kunststoff Gießerei Holz & Möbel Nahrungsmittel Entertainment Seite 7

8 Beispiele für Anwendungsbereiche Multitalente im Einsatz Es gibt kaum einen industriellen Fertigungsbereich den unsere Roboter nicht abdecken. Punktschweißen Handhaben Montage Fügen Polieren Prüfen Palettieren Bearbeiten Seite 8

9 Beispiele für Anwendungsbereiche Seite 9

10 Mensch-Roboter Kooperation in industriellen Anwendungen Systematik und Rechtsfolgen Gerätesicherheitsgesetz (Nationales Recht seit 1992) Die MRL legt die grundlegenden Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen fest. Gemäß MRL müssen komplett in sich abgeschlossene Maschinen folgendes erhalten: Konformitätserklärung CE-Kennzeichen Gemäß MRL müssen Maschinenteile und nicht komplett in sich abgeschlossene Maschinen (z. B. Roboter) folgendes erhalten: Herstellererklärung kein CE-Kennzeichen In der Regel kann die Konformitäts- oder Herstellererklärung in Eigenverantwortung des Herstellers erfolgen Harmonisierten Normen legen konkrete Grenzwerte fest

11 Mensch-Roboter Kooperation in industriellen Anwendungen Normen (ISO 10218) ISO Robots for industrial environment, safety Roboter, die für einen zusammenarbeitenden Betrieb vorgesehen sind, müssen eine oder mehrere Gebrauchseigenschaften aufzeigen, aufgelistet in a-e. Der Roboter muss die Fähigkeit haben eine Sichtanzeige zur Verfügung zu stellen, wenn der Roboter im gemeinschaftlichen Betrieb ist. a) Wenn der Mensch im gemeinsamen Arbeitsraum ist, muss der Roboter mit der Stop-Kategorie 0, 1, oder 2 gemäß IEC und mindestens Kategorie 3 gemäß ISO anhalten, z.b. den Schutzhalt verwendend. Wenn der Mensch den gemeinsamen Arbeitsraum verlässt, kann der Roboter den Automatikbetrieb fortsetzen.

12 Mensch-Roboter Kooperation in industriellen Anwendungen Normen (ISO 10218) b) Während er mit einem Menschen zusammenarbeitet, muss der Roboter eine, durch eine Risikobewertung ermittelte, sichere reduzierte Geschwindigkeit zur Verfügung stellen. Diese reduzierte Geschwindigkeit muss einstellbar sein, darf aber 250mm/s nicht überschreiten. Die Handführeinrichtung, die zum Steuern des Roboters verwendet wird, muss einen Zustimmungsschalter in Übereinstimmung mit haben. Diese reduzierte Geschwindigkeit muss sicher überwacht oder sicher gesteuert werden, in Übereinstimmung mit mindestens der Kategorie 3 nach ISO Es sei denn, eine Risikobewertung, die durchgeführt wird bestimmt, dass eine andere Kategorie erforderlich ist. Die Handführeinrichtung muss sich im Bereich des End Effectors befinden und mit einem Not-Halt, in Übereinstimmung mit IEC , ausgerüstet sein.

13 Mensch-Roboter Kooperation in industriellen Anwendungen Normen (ISO 10218) c) Beim Arbeiten in der zusammenarbeitenden Betriebsart arbeitet der Roboter mit einer sicher reduzierten Geschwindigkeit und mit einer sicher überwachten Position, die einen Sicherheitsabstand zum Menschen in Übereinstimmung mit ISO einhält. Diese Positionsüberwachung und Distanzmessung müssen mindestens in Übereinstimmung mit Kategorie 3 nach ISO sein, es sei denn, eine Risikobewertung ergibt, dass eine höhere Kategorie erforderlich ist. Wenn der Sicherheitsabstand nicht beibehalten werden kann, stoppt der Roboter mindestens mit Kategorie 3 gemäß ISO (d.h. ein Schutzhalt wird ausgegeben) ANMERKUNG - die relative Geschwindigkeit des Menschen zum Roboter wird betrachtet, wenn man den Trennungsabstand errechnet.

14 Mensch-Roboter Kooperation in industriellen Anwendungen Normen (ISO 10218) d) Das Roboter-Design gewährleistet, dass die verfügbare Leistung und Kraft am Flansch oder TCP bestimmt durch eine Risikobewertung nicht überschritten werden. Die maximale dynamische Leistung darf 80 Watt nicht überschreiten; oder die maximale statische Kraft darf nicht größer sein als 150N. e) Wenn Steuerungen dazu verwendet werden Leistungs- und Kraft-Kriterien (in d) sicherzustellen, müssen sie mindestens Kategorie 3 gemäß ISO entsprechen. Wenn die verfügbare Leistung und Kraft nicht aufrechterhalten werden können, muss der Roboter stoppen unter Anwendung von Kategorie 3 gemäß ISO (d. h. ein Schutzhalt soll ausgegeben werden).

15 Entertainment Market Theme Parks Entertainment Complexes ALL RIDE FORMATS Out-of-Town Retail Outlets Fairgrounds Film & Television Studios Museums / Zoos, Etc Corporate / Marketing Events Air shows & Motor Sports Events Aviation Training SIMULATION ONLY Seite 15

16 RoboCoaster Arm Certified by TÜV Fliegende Bauten, München Computational Design Proof using FEM Calculations X-Ray Markers Material Testing of all Safety Relevant Parts Seite 16

17 KUKA Safe-Robot-Technologie - Safe Operation Übersicht SIL 2 / EN Kat 3: Redundante Hardware der Safe RDW Sichere Speicherung der Parameter Sicherer Up-/Download der Parameter Neue Benutzergruppe für Konfiguration Zyklischer Bremsen-Test Zyklischer Test der Justage Paßt auf alle Roboter- Mechaniken Optionen Safe RDW + Software Funktionen: Einzelachsen-spezifische Arbeitsbereiche (alle Achsen) Dynamische Arbeitsbereiche (6 + 3 Arbeitsbereiche) Einzelachsen-spezifische Geschwindigkeits-Überwachung Einzelachsen-spezifische Beschleunigungs-Überwachung Kartesische Geschwindigkeits-Überwachung am Flansch Sicherer Betriebshalt (alle Achsen) Seite 17

18 KUKA Safe-Robot-Technologie - Safe Operation Elektronische Achsbereichs-Überwachungen (Einzelachsen) Achse 3 1 Bereich KUKA s Safe Robot Technologie Achse 2 2 Bereiche Achse 4 9 Bereiche Achse 6 9 Bereiche Achse 1 1 Bereiche Standard ABÜ-Technologie Achse 3 9 Bereiche Achse 5 9 Bereiche Achse 2 9 Bereiche Achse 1 9 Bereiche Seite 18

19 KUKA Safe-Robot-Technologie - Safe Operation Der sichere KUKA-Roboter Achsbereichsüberwachung in sicherer Software Reduziert den Flächenbedarf innerhalb der Anlage, da programmierter Arbeitsbereich des Roboters zugleich Schutzbereich des Werkers Tatsächlicher Arbeitsbereich Theoretischer Arbeitsbereich Tatsächlicher Arbeitsbereich Einlegen über Zwischenablage Roboter- Antriebe sicher abgeschaltet Direktes Einlegen in den Roboter- Greifer Roboter im sicheren Betriebshalt Sicherer Betriebs-Halt Macht beim manuellen Beschicken in Handeinlege-Stationen Lösungen mit mechanischen Endschaltern überflüssig Ermöglicht zeitoptimiertes Einlegen von Werkstücken direkt in den Robotergreifer Seite 19

20 KUKA Safe-Robot-Technologie - Safe Operation Seite 20

21 Safe Interaction - Schritt zur Teilautomatisierung Einleitung Ist-Zustand :Industrieroboter arbeiten starr definierte Produktionsprogramme ab Reaktion auf die Umwelt durch digitale Signale (SPS) Geringer Anteil der Roboter wird zusätzlich Sensor geführt (Kraft-Momenten Sensoren. Bildverarbeitung,..) => Produktion rein manuell oder vollautomatisiert Entwicklung zu gleitendem Automatisierungsgrad : Mischung zwischen rein manueller und vollautomatisierter Produktion durch Kooperation zwischen Mensch und Roboter Kombination der Stärken von Mensch (Sensorik) und Roboter (Arbeitsleistung) => Kooperation zwischen Mensch und Roboters - Mensch-Roboter Kooperation für Kleinrobotik (KR 3 SI) Seite 21

22 Safe Interaction - Schritt zur Teilautomatisierung KR 3 SI - Hauptmerkmale Roboter im niedrigen Traglastbereicht für Kleben (Beschichten), Montage und Handling Durch zertifiziertes Schutzsystem ist keine Trennung der Arbeitsräume zwischen Mensch und Roboter mehr nötig Mensch und Roboter können gleichzeitig an einem Bauteil arbeiten ohne zusätzliche Sicherheitseinrichtungen (wie z.b. Zustimmtaster) Seite 22

23 Safe Interaction - Schritt zur Teilautomatisierung Montage Applikation : Montage von Flügelpumpen (nur schwer automatisierbar; O-Ringe, Federn) Montage von 6 Bauteilen Bisherige Lösung : Manuelles Montieren (schwierige Montage, manuelle Eingriffe notwendig (Prozeßsicherheit)) Lösung durch KR 3 SI : Kooperation von Mensch und Roboter in der Montageapplikation (3 Teile montiert der Mensch, 3 Teile montiert der Roboter) -> Einfache Zellengestaltung -> Kein komplexe Übergabestation -> Prozeßkontrolle -> Schritt in Richtung Vollautomatisierung Seite 23

24 Safe Interaction - Schritt zur Teilautomatisierung Montage Seite 24

25 Safe Interaction - Schritt zur Teilautomatisierung KR 3 SI - Systembeschreibung Das Funktionspaket KR 3 SI ist eine Option für den Kleinroboter KR 3, um den Betrieb des Roboters in direktem Kontakt zum Menschen zu erlauben Das Sicherungssystem basiert auf vier Funktionsmechanismen: Gleichmäßiges Abbauen der im Roboter gespeicherten kinetischen Energie durch eine dämpfende Schutzhülle Auslösen eines Stops (Kategorie 0; DIN 60204) durch taktile Schaltelemente Reduzierung der Robotergeschwindigkeit durch kapazitive Näherungssensoren (Override 5 %) Absicherung des Werkzeugs durch einen lösbaren Zwischenflansch (Auslösen eines Stops nach Kategorie 0) Seite 25

26 Safe Interaction - Schritt zur Teilautomatisierung KR 3 SI - Technik - Kapazitive Sensoren Seite 26

27 Safe Interaction - Schritt zur Teilautomatisierung KR 3 SI - Technik - Lösbarer Werkzeugflansch Seite 27

28 Safe Interaction - Schritt zur Teilautomatisierung Argumentation - Sicherheit : KR 3 (ohne zusätzliche Schutzeinrichtungen) KR 3 (mit taktiler Absicherung) KR 3 (mit taktiler und kapazitiver Senorik) Risikominderung durch taktile Sensorik (Steuerungskategorie 3) Risikominderung durch kapazitive Näherungssensorik (Steuerungskategorie 2) Roboter ist bis auf ein verbleibendes Restrisiko sicher Seite 28

29 Safe Interaction - Schritt zur Teilautomatisierung KR 3 SI - Zertifizierung Konzept zertifiziert durch Süddeutsche Metall Berufsgenossenschaft Risikoanalyse durch Systemintegrator weiterhin notwendig unter Berücksichtigung des Werkzeugs Seite 29

30 Safe Handling - Schritt zur Teilautomatisierung Führen des Roboters über externes Bediengerät Joystick Sicherheitsfunktionen gemäß Zusammenarbeitender Betrieb in DIN EN ISO Sicherheitsgerichtete Überwachung der reduzierten kartesischen Geschwindigkeit (250 mm/s) 2-kanaliger, 3-stufiger Zustimmtaster Not-Halt - Taster Seite 30

31 Safe Handling - Schritt zur Teilautomatisierung Teilautomatischer Betrieb Bewegung über Joystick-Kommandos Automatikanteil Seite 31

32 Safe Handling - Schritt zur Teilautomatisierung Manipulatorbetrieb : Kraftverstärkung für den Menschen Teilautomatischer Betrieb / rein manueller Betrieb Virtuelle Wände / Restriktionen Z.B. Automobilendmontage Handling von Seitenwänden und Anbauteilen Seite 32

33 Safe Teaching Teachen durch manuelles Führen Seite 33

34 Safe Handling - Schritt zur Teilautomatisierung Intuitive Roboterbedienung ohne Notwendigkeit von Expertenwissen Entfall von kostenintensiver Sensorik bei Fügeoperationen (Kombination der Roboterfunktion mit den sensorischen Fähigkeiten des Menschen ) Vermeidung von Kollisionen am Bauteil durch virtuelle Wände Personaleinsparung durch Aufteilung der Arbeitsinhalte auf Roboter/Mensch Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit durch die Möglichkeit der Hand-Absicherung Erleichterung der Arbeit (z. B. für ältere Mitarbeiter) Seite 34

35 Zusammenfassung Basistechnologien (Safe Operation, Safe Interaction, Safe Handling) verfügbar Neue Roboterproduktnorm die Mensch- Roboter Kooperationen (DIN EN ISO 10218) Erste Applikationen realisiert Produktion die dem Menschen hilft, ihn aber nicht ersetzt Seite 35