Zähmung der Roboter. Mehr Sicherheit ohne höhere Zäune Soenke Kock, Jan Bredahl, Peter J. Eriksson, Mats Myhr, Kevin Behnisch.

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1 Zähmung der Roboter Mehr Sicherheit ohne höhere Zäune Soenke Kock, Jan Bredahl, Peter J. Eriksson, Mats Myhr, Kevin Behnisch Heutige Industrieroboter sind wohlerzogene Wesen, die nur das tun, wofür sie programmiert sind solange sich ihnen niemand in den Weg stellt. Da sich Roboter mit erstaunlich hoher Geschwindigkeit bewegen und Lasten bis zu 600 kg tragen können, sollte sich der Mensch möglichst von ihnen fernhalten. Deshalb sind Mensch und Roboter üblicherweise durch Zäune voneinander getrennt wie Besucher und Raubtiere im Zoo. Doch diese herkömmlichen Schutzvorrichtungen sind teuer und hemmen die robotergestützte Automatisierung. Nun bietet ABB eine Lösung, bei der spezielle Elektronik und Software die teuren mechanischen Sicherheitseinrichtungen ersetzt und dabei hilft, die Kosten für eine Roboteranlage zu senken. ABB Technik 4/

2 Nach den europäischen und nordamerikanischen Arbeitsschutzvorschriften gilt selbst eine noch so unwahrscheinliche Fehlfunktion in der Hard- oder Software einer Robotersteuerung als mögliches Risiko und muss entsprechend behandelt werden. Daher muss, sobald die Tür zu einer Roboterzelle aus irgendeinem Grund geöffnet wird, ein Kontakt ausgelöst und die Maschine sofort abgeschaltet werden. Um auch einen theoretischen Ausfall dieser Sicherheitseinrichtung zu verhindern, müssen die Schalter und Schaltkreise genau wie alle Sicherheitsschaltkreise der ABB-Robotersteuerungen zweikanalig redundant aus geführt sein. Um Unfälle durch Kolli sionen zu vermeiden, sind die Roboterachsen mit Positionsschaltern ausgestattet, die durch mechanische Nocken aktiviert werden und die Bewegungsfreiheit des Roboters einschränken. Diese teuren, mechanischen Methoden senken die Wirtschaftlichkeit einer Maschine, die ursprünglich entwickelt wurde, um eine flexible und kostengünstige Automatisierung zu ermöglichen. Arbeitsicherheit ein Wettbewerbsnachteil? Die extrem niedrige Zahl von Unfällen mit Robotern beweist, dass bereits ausreichende Sicherheitsmaßnahmen zur Verfügung stehen. Manche behaupten sogar, dass das Sicherheitsdenken zu weit geht und dass die Fabriken in Europa und Nordamerika aufgrund der strengen Sicherheitsvorschriften gegenüber ihren Mitbewerbern in Ländern mit weniger hohen Sicherheitsstandards wettbewerbsmäßig im Nachteil sind. Andere fragen sich, warum für Roboter höhere Sicherheitsanforderungen gelten als für Deckenkrane. Schließlich tragen solche Krane viel schwerere Lasten als Roboter und außerdem ist durch ihre manuelle Steuerung die Gefahr menschlicher Fehler wesentlich größer. Roboter hingegen führen wiederkehrende, programmierte Aufgaben aus und machen normalerweise keine Fehler. ABB geht keine Kompromisse bei der Sicherheit ihrer Roboterprodukte ein, sondern nutzt vielmehr die neuesten technischen Entwicklungen, um ihren Kunden kostengünstigere Sicherheitseinrichtungen zu bieten. Mit dem SafeMove TM -Konzept, das teure mechanische Schutzvorrichtungen für Roboter durch eine effektivere und konfigurierbare elektronische Antriebsüberwachung ersetzt, lässt sich sogar die Flexibilität der Roboterprodukte von ABB noch erhöhen. Robotersicherheit der nächsten Generation SafeMove basiert auf neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der sicherheitsgerichteten Software, der elektronischen Sicherheitstechnik und den neuesten Sicherheitsvorschriften (ISO 10218). Das System ermöglicht eine zuverlässige, fehlertolerante Überwachung der Geschwindigkeit und Position des Roboters sowie die Erkennung ungewollter bzw. verdächtiger Abweichungen. Wird ein Sicherheitsrisiko erkannt, führt SafeMove einen Nothalt durch, der den Roboter in Bruchteilen einer Sekunde zum Stillstand bringt. Außerdem bietet das System neue Funktionen wie elektronische Positionsschalter, programmierbare Sicherheitszonen, sichere Geschwindigkeitsbegrenzungen, einen sicheren Stillstand und einen automatischen Bremsentest, die flexiblere Sicherheitskonfigurationen ermöglichen. Mithilfe der programmierbaren Sicherheitszonen kann sichergestellt werden, dass der Roboter außerhalb geschützter Zonen bleibt. Diese Zonen können komplexe dreidimensionale Formen haben, die an die jeweilige Anlage angepasst werden können. Alter nativ dazu kann das System dafür sorgen, dass der Roboter innerhalb eines dreidimensionalen, geometrischen Raums bleibt, sodass Roboteranlagen erheblich kompakter ausgeführt werden können. So können die Zäune viel näher am Roboter platziert und wertvolle Standfläche eingespart werden. Natürlich ist es auch möglich, die Reichweite der Roboterachsen zu begrenzen. Dazu ahmt eine Software die herkömmlichen elektromechanischen Positionsschalter nach. Dies ist jedoch nicht auf die drei Hauptachsen des Roboters beschränkt, sondern ist für alle sechs Achsen möglich. Diese sicheren Achslimitierungen sind logisch miteinander kombinierbar, und Werkstückpositionierer, lineare Verfahrachsen und andere externe Positionierer können ohne zusätzlichen Aufwand begrenzt werden. Im «sicheren Stillstand» werden alle Bewegungen des Roboters vollständig unterdrückt, obwohl alle Antriebe mit Spannung versorgt und die Motoren aktiv geregelt werden. In dieser Betriebsart kann sich ein Arbeiter dem Roboter gefahrlos nähern und sogar ein Werkstück in den Greifer einlegen 12 ABB Technik 4/2006

3 oder die Werkzeuge warten, ohne dass der Roboter abgeschaltet werden muss. Dies verkürzt nicht nur die Zyklus zeit bei der Wiederaufnahme des Betriebs, sondern schont auch die Bremsen und Schütze, die durch das Abschalten beansprucht werden. In der Betriebsart «sichere Geschwindigkeit» kann sich der Roboter vollständig oder teilweise mit einer geringen Geschwindigkeit bewegen, sodass er keine Gefahr für den Arbeiter darstellt. Damit kann sogar vollständig auf Zäune verzichtet werden. In Verbindung mit anderen konfigurierbaren Sicherheitsfunktionen (z. B. einem beschränkten Arbeitsbereich) können Mensch und Roboter viele Fertigungsaufgaben gemeinsam durchführen, was bisher nicht erlaubt war. Die Sicherheit eines Roboters hängt letztendlich von seiner Fähigkeit ab, im Falle einer gefährlichen Situation zu bremsen oder gebremst zu werden. Diese Fähigkeit hängt wiederum von der ordnungsgemäßen Funktion der mechanischen Bremsen an den Motoren ab. SafeMove bietet hierzu einen automatischen Bremsentest, der die mechanischen Bremsen des Roboters in regelmäßigen Abständen prüft etwas, das auch bei Autos sehr nützlich wäre! Technische Umsetzung SafeMove nutzt die für die Bewegungssteuerung bereits vorhandenen Sensoren, um die Stellung des Motors zu überwachen. Dann berechnet das System auf einem sicherheitszertifizierten, von der Robotersteuerung unabhängigen Computer die Position des Roboters. Zusätzlich werden die Signale der Sensoren auf ihre Plausibilität geprüft. Ein separates Modell der Robotermechanik und eine zusätzliche logische Prüfung des nominellen Verhaltens des Servo-Regelkreises sorgen für zusätzliche Sicherheit (Patent angemeldet). Obwohl SafeMove auf einem unabhängigen Computer im Schaltschrank der IRC5 der fünften Generation der ABB-Industrierobotersteuerung läuft, ist das System aus Benutzersicht nahtlos integriert. Ereignisse, Alarme und Zustandsänderungen werden im Flash-Speicher des Controllers protokolliert. Der Zustand der sicheren Ein- und Ausgänge kann wie die normalen Roboter-E/As ausgelesen und vom Roboterprogramm verwendet werden, obwohl es keine physikalische Verdrahtung zwischen den E/A-Systemen gibt. Stattdessen kommunizieren SafeMove und die IRC5 über eine interne Netzwerkverbindung miteinander. Schließlich muss nach jedem Abschalten und zu Beginn jeder Schicht die Synchronisation zwischen dem Sicherheitscomputer und der Robotersteuerung geprüft werden. Dies erfolgt über einen einfachen Schalter, der gut für den Roboter erreichbar in der Zelle montiert ist und regelmäßig typischer weise alle 24 Stunden vom Roboter betätigt werden muss. Da sich dieser Vorgang leicht mit regelmäßigen automatischen Arbeiten am Werkzeug wie dem Reinigen, Kappenfräsen oder Drahtschneiden kombinieren lässt, verlängert sich die Zykluszeit dadurch normalerweise nicht. Prozesssicherheit Roboter arbeiten häufig mit gefährlicher Prozessausrüstung wie Schweißzangen, Laserköpfen, Wasserstrahldüsen und sogar radioaktiven Strahlungsquellen. Bei diesen Geräten sind für den Fall einer Störung besondere Maßnahmen erforderlich. Unter Umständen muss die gesamte Roboterzelle mit einer Schutzverkleidung umschlossen werden, die bei einer Fehlfunktion des Roboters die gesamte Prozessenergie aufnehmen kann. Man stelle sich nur vor, was passieren kann, wenn ein Roboter einen Hochdruck-Wasserstrahl statt nach unten zur Seite hält und der Strahl versehentlich eingeschaltet wird. Ein solches Szenario muss bei der Planung einer Wasserstrahl-Schneidezelle berücksichtigt werden. Mit SafeMove kann durch Sicherheitsprüfungen sichergestellt werden, dass die Position und Ausrichtung des Werkzeugs innerhalb einer bestimmten Toleranz liegen, bevor es aktiviert werden kann. Während des Betriebs wird die Werkzeugausrichtung kontinuierlich überwacht und bei Überschreiten der Toleranz sofort eine sichere Abschaltung des Roboters und der Prozessausrüstung eingeleitet. Auf diese Weise können die Kosten für Schutzverkleidungen drastisch gesenkt werden. Zugangssicherheit Die meisten Unfälle mit Maschinen sind auf deaktivierte Sicherheitseinrichtungen zurückzuführen. Sicherheit wird häufig als Hindernis für Produktivität angesehen, und nicht selten sind Arbeiter bereit, kalkulierte Risiken einzugehen, um Zeit zu sparen. Besonders jetzt, wo die Sicherheitsfunktionen von der Hardware auf die Software übertragen werden können, liegt es im Interesse von Arbeitnehmern und Arbeitgebern, den Zugang zu den Konfigurationsdaten zu beschränken. Dies kann zum Beispiel durch ein Passwort für speziell geschultes und ABB Technik 4/

4 befugtes Personal geschehen. Die Praxis zeigt jedoch, dass ein Passwort innerhalb einer Fabrik nur schwer geheim gehalten werden kann, was das System für Manipulationen öffnet. Aus diesem Grund haben Wissenschaftler und Ingenieure von ABB einen Mechanismus entwickelt und patentiert, der die Sicherheitskonfiguration von SafeMove durch eine Kombination aus einem Konfigurationstool mit beschränktem Zugang und einem allgemein bekannten Aktivierungscode schützt. Mit diesem Mechanismus ist die Sicherheitskonfiguration gut gesichert und gleichzeitig bequem nutzbar. Sicher, kompakt, schnell und flexibel Dank der Funktionen von SafeMove sind deutlich weniger Sicherheitseinrichtungen wie Lichtschranken, Sicherheitsrelais, mechanische Positionsschalter, Schutzbarrieren usw. erforderlich. Durch den Wegfall mechanischer Positionsschalter für Roboter und zusätzliche Achsen, die häufig rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind und daher nur eine begrenzte Lebensdauer haben, sinkt außerdem der Wartungsaufwand und die Roboterzellen können kompakter ausgeführt werden. Die Möglichkeit, die Sicherheitskonfigurationen einfach mithilfe von Software zu ändern, trägt zu einer höheren Flexibilität bei. Früher war der Austausch eines defekten Roboters mit speziellen Nocken und Positionsschaltern sehr zeitaufwändig. Heute lassen sich solche Reparaturen viel schneller durchführen, da die Sicherheitsparameter vom Controller behandelt werden und es keine mechanischen Anschläge mehr gibt. Da platzraubende Nockenringe entfallen, können die Roboter sogar noch kompakter ausgeführt werden. Und nicht zuletzt sind Roboter ohne Positionsschalter kostengünstiger. Planung und Engineering von Sicherheit ABB bietet zwei leistungsstarke Softwaretools für die Programmierung und den Betrieb von Industrierobotern: RobotStudio, ein Offline-Programmierungstool, das die Visualisierung, Programmierung und Prüfung einer Roboteranlage auf einem Office- PC ermöglicht, und SafetyBuilder, ein sicheres Tool zur Einstellung der Parameter und Aktivierung des SafeMove- Controllers. Beide Tools zusammen bieten Ingenieuren die Möglichkeit, die Sicherheitszonen in der Planungsphase in einer virtuellen Umgebung zu entwerfen und zu testen und die Daten später beim Engineering und der Inbetriebnahme zu verwenden. Um all diese Vorteile in vollem Umfang nutzen zu können, müssen die Funktionen im ursprünglichen Zellenkonzept implementiert werden. Natürlich können auch bestehende IRC5- Installationen mit SafeMove nachgerüstet werden, um neue Funktionen in die Anlage zu integrieren. Flexible Fertigung SafeMove wird in Zukunft völlig neue Fertigungskonzepte mit ABB-Robotern ermöglichen. Da Mensch und Roboter nun in unmittelbarer Nähe zueinander agieren können, sind sie in der Lage, wie «echte» Kollegen zusammenarbeiten. So kann der kraftvolle Roboter dem Arbeiter schwere Werkstücke reichen, während der Arbeiter Aufgaben ausführt, die schwer zu automatisieren sind. Oder der Arbeiter kann kleine Teile aus einer Lagerbox direkt in den Greifer des Roboters laden, ohne dass er durch Drehtische, Aufnahmevorrichtungen oder Rolltore von ihm getrennt sein muss. Der Roboter kann dann vielleicht sogar in Zusammenarbeit mit einem anderen Roboter oder Arbeiter die weitere Bearbeitung übernehmen. ABB arbeitet mit Partnern und Endkunden an neuen flexiblen Fertigungskonzepten, um die technologischen Fortschritte von Anwendungen wie SafeMove in Kostenvorteile für den Kunden umzusetzen. Während der Markt beginnt, diese neuen Möglichkeiten zu nutzen, denken die Forscher und Entwickler bei ABB bereits über weitere Neuerungen nach. Soenke Kock ABB AB, Corporate Research Västerås, Schweden Jan Bredahl Peter J. Eriksson Mats Myhr ABB Automation Technologies AB Västerås, Schweden Kevin Behnisch ABB Automation GmbH Friedberg, Deutschland 14 ABB Technik 4/2006

5 2006 Beste Innovationen 2006 Seit vielen Jahren nimmt ABB einen Spitzenplatz auf dem Gebiet der technischen Innovation ein. Die folgenden Kurzartikel geben einen Eindruck der Errungenschaften des Unternehmens im Jahr Diese reichen von einem neuartigen Sensor zur Messung von Sauerstoffkonzentrationen bis hin zu einem programmierbaren Lichtschalter und unterstreichen eindrucksvoll den guten Ruf des Unternehmens auf dem Gebiet der Kommunikation, Automatisierung und Sicherheit. Sichere Roboter brauchen keine hohen Zäune Moderne Industrieroboter sind in der Lage, Lasten von bis zu 600 kg zu heben und mit hoher Geschwindigkeit zu bewegen, sodass sich die menschlichen Kollegen besser von ihnen fernhalten sollten. Dies geschieht normalerweise, indem man den Arbeitsbereich des Roboters einzäunt. Doch diese herkömmlichen Methoden sind teuer und nicht besonders flexibel. Jetzt bietet ABB eine neue Möglichkeit, den Arbeitsplatz zu sichern. SafeMove ist ein rekonfigurierbares Soft- und Hardwarepaket, das dabei hilft, Kosten zu sparen und die Flexibilität von Roboteranlagen ohne Abstriche in der Sicherheit zu erhöhen. SafeMove basiert auf neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der sicherheitsgerichteten Software, der elektronischen Sicherheitstechnik und den neuesten Sicher heitsvorschriften. Es überwacht zuverlässig die Geschwindigkeit und Position des Roboters und erkennt unge wollte bzw. verdächtige Abweichungen sofort. Wird ein Sicherheitsrisiko erkannt, führt SafeMove einen Nothalt durch, der den Roboter in Bruchteilen einer Sekunde zum Stillstand bringt. Außerdem bietet das System neue Funktionen wie elektronische Positionsschalter, programmierbare Sicherheitszonen, sichere Geschwindigkeitsbegrenzungen, einen sicheren Stillstand und einen automatischen Bremsentest. Durch den Wegfall herkömmlicher Schutzeinrichtungen ermöglicht SafeMove neue Arbeitsplatzkonfigurationen, bei denen Mensch und Maschine Seite an Seite sicher zusammenarbeiten können. So kann ein Roboter einem Arbeiter z. B. ein schweres Objekt reichen, während dieser Aufgaben übernimmt, die schwer auto matisierbar sind. Umgekehrt kann ein Arbeiter kleine Teile direkt in den Greifer des Roboters einlegen, ohne dass er durch Drehtische, Aufnahmevorrichtungen oder Rolltore von ihm getrennt sein muss. Der Roboter kann dann vielleicht gemeinsam mit einem anderen Roboter oder Arbeiter die weitere Bearbeitung übernehmen. Die Konfigurationsmöglichkeiten sind endlos, und ABB arbeitet mit Partnern und Kunden an flexiblen Fertigungskonzepten, um die Vorteile der SafeMove- Software in Kostenersparnisse für den Kunden umzusetzen. SafeMove wird im ersten Quartal 2007 von ABB Robotics auf den Markt gebracht. Soenke Kock Mehr über SafeMove erfahren Sie im Artikel «Zähmung der Roboter» auf Seite 11 dieses Hefts. ABB Technik 4/