Sicherheit im Gelenk – Synapticon
Integrated Motion
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Die Entwicklung von Cobots zum Commodity-Produkt ist eng verzahnt mit dem Thema Safety in der Robotik – eine Herausforderung, die es effizient zu bewältigen gilt.

Seit mehreren Jahren wird von vielen Herstellern der Aufstieg der kollaborativen Roboter beschworen. In China zog die Nachfrage unlängst an, im europäischen Markt hingegen scheinen Cobots noch auf den großen Durchbruch zu warten. Einer der Gründe: das Thema Safety und die damit verbundenen Kosten. Der hohe Integrations- und Qualifizierungsaufwand und teure Komponenten machten leistungsfähige Safety bislang zu einem der teuersten Features kollaborativer Roboter.

Automatisierung, Fließbänder und auch Roboter gibt es zwar nicht erst seit gestern; früher beschränkten sich die Sicherheitsanforderungen hier jedoch meist auf den Not-Aus-Modus. Dieser musste manuell aktiviert werden oder wurde von einem aufwendigen Zusatzsystem mittels Lichtschranken, Videokamera etc. ausgelöst. Danach galt es, das Fließband oder die Roboterzelle komplett neu zu starten, was größere Verzögerungen zur Folge hatte. Angesichts der zunehmenden Vielfalt der elektronischen Bewegungssteuerung wurden später auch die Sicherheitsanforderungen verfeinert. So sind heute eine Reihe standardisierter Sicherheitsfunktionen zu berücksichtigen, die über das simple Not-Aus weit hinausgehen, und die Sicherheitssysteme müssen schneller reagieren. Zudem gilt es zu beurteilen, ob die jeweiligen Sicherheitsfunktionen für die Anwendung und die verwendete Elektronik geeignet sind. Mit verfeinerten Safety-Anforderungen steigt nicht zuletzt der Entwicklungsaufwand für die Umsetzung in die Praxis.

Robotik-Sicherheitsfunktionen im Bereich der Bewegungssteuerung konzentrierten sich zunächst nur auf das sichere Abschalten des Drehmoments (Safe Torque Off, STO), wozu eine entsprechende Funktion in den Antrieb integriert war. Mensch und Maschine rücken in der Fabrik jedoch immer näher aneinander, weshalb die Maschine noch sensibler reagieren muss. Deswegen wird das Thema Safe Motion, also die Absicherung der laufenden Bewegungssteuerung, immer wichtiger. Die Devise lautet: Menschen dürfen durch Roboter trotz gemeinsamer Arbeitsbereiche grundsätzlich nicht verletzt werden. Moderne Robotik muss daher in Sachen Safety generell mehr können:

Die steigende Nachfrage nach Mensch-Roboter-Kollaboration erfordert ein neues Niveau der intrinsischen funktionalen Sicherheit von Roboterarmen. Bei begrenzter Produktionsfläche sind fortschrittliche Sicherheitskonzepte von Vorteil, da Roboterkäfige vermeidbar sind.

Autonome mobile Logistik erfährt ein enormes Wachstum. In Fabrikumgebungen, in denen sich Menschen und mobile Roboter nebeneinander bewegen, ist eine fortschrittliche funktionale Sicherheit der Schlüssel für reibungslose Arbeitsprozesse.

Die Unterbrechung der Produktion für die Wartung der Maschine kann sehr teuer sein. Die sichere Bewegungs- steuerung ermöglicht Systemdesigns, die unterbrechungsfreie Wartungsvorgänge unterstützen, was sich positiv auf die Gesamtbetriebskosten auswirkt.

Die vier Ausbaustufen von Safety

Das Entwicklungsniveau im Bereich Robotik-Safety lässt sich in vier Ausbaustufen unterteilen. Diese sind allerdings nicht zu verwechseln mit den in der Funktionalen Sicherheit gebräuchlichen beziehungsweise standardisierten Performance Leveln (PL), auf die im Folgenden nicht näher eingegangen wird. Grundsätzlich wird in Zukunft von einer Anforderung von SIL3 PLe in den meisten Anwendungen für die Komponenten ausgegangen, auch wenn sich einige Applikationen mit niedrigeren Performance Leveln bereits ausreichend absichern lassen.

Stufe 1: Standard-Safety.

Das im Maschinenbau etablierte Niveau an Safety entspricht der Basisanforderung für viele Anwendungen. Hierbei sind die grundlegenden Funktionen STO (Safe Torque Off), SBC (Safe Brake Control) und SS1 (Safe Stop 1) im Wesentlichen allesamt „hart verdrahtet“, woraus entsprechende Nachteile resultieren. So ist nur eine sichere Abschaltung möglich, darüber hinaus aber nichts anderes. Daneben kommt zusätzlich zur bereits vorhandenen Verkabelung für Motorleitungen, Encoder, nicht-sichere Feldbusse, I/Os etc. ein weiteres Kabel (STO-Line) hinzu. Gleiches gilt für jede Funktion (STO, SBC, SS1). Bei dezentralen Systemen ist dies ein noch größeres Problem als bei zentralen Systemen, wo nur eine Verkabelung im Schaltschrank vorzunehmen ist.

Stufe 2: STO (SBC, SS1) über Feldbus.

Aufgrund des Verkabelungsaufwands ist die Realisierung der STO-Funktion (oder SBC, SS1) via Feldbus ein logischer Schritt – vor allem bei einem dezentralen Regler, da die STO-Kabel durch die Maschine laufen und nicht nur im Schaltschrank liegen. Dieser Ansatz spart Komplexität und Kosten im Maschinenbau. Für die Hersteller des Reglers wird es jedoch komplizierter, da hierzu ein zusätzlicher, redundant ausgelegter Safety-Prozessor im Regler erforderlich ist, der die Komplexität der Elektronik und Software deutlich erhöht. Zudem ist die Zertifizierung in diesem Zusammenhang wesentlich aufwendiger als bei „hart verdrahtetem“ STO. In diesem Punkt wird sich zeigen, ob die Kunden die Mehrkosten akzeptieren angesichts der Vorteile, von denen sie profitieren können. Umgekehrt stellt sich die Frage: Lohnen sich der Aufwand und die Mehrkosten für STO alleine? Oder wäre es nicht sinnvoller, gleich die ganze Maschine auf die nächste Ebene von Safety zu bringen?

Stufe 3: Safe Motion (SLS, SP und SLP).

Safe Motion bedeutet, nicht nur sicher abschalten zu können, sondern auch sichere Bewegungsabläufe zu überwachen und sichere Bewegungsparameter – zum Beispiel Geschwindigkeit und Position – zu gewährleisten. Entscheidend ist hierbei: Eine Safety-SPS kann mit sicheren Encodern etwa die Geschwindigkeit und Position von Achsen überwachen und per STO abschalten, falls etwas abweicht. Sie kann aber nicht gewährleisten, dass immer sicher nur die bestimmte Geschwindigkeit gefahren wird. Hierzu ist die Funktion SLS (Safely Limited Speed) oder SLP (Safely Limited Position) im Regler erforderlich, um dort direkt zu gewährleisten, dass nur bestimmte Werte eingeregelt werden. In Kombination mit dem sicheren Feldbus stellt dies derzeit das Maß der Dinge der Safety-Technik bei Servoreglern dar. Der Anwender bekommt dabei zusätzlichen Mehrwert für den Mehrpreis beim Regler im Vergleich zum reinen Feldbus-STO (Stufe 2).

Stufe 4: SLT mit Fokus auf Cobot-Anforderungen.

Aus Sicht von Synapticon beinhaltet das zukünftige Safety-Level die Sicherheitsfunktion SLT (Safely Limited Torque) mit Fokus auf Cobot-Anforderungen – sprich auf Basis von Drehmomentsensoren,um die Problematik der Getriebezertifizierung zu umgehen.

SLT, also sicher begrenztes Drehmoment, steht im Augenblick für die High-End-Liga in der Safety-Disziplin. Nur wenige, sehr sicherheitssensible Anwendungen stellen diese Anforderung – und nur sehr wenige Regler können sie umsetzen. Die Nachfrage für SLT dürfte aber zunehmen, da durch den Wunsch nach noch mehr Automation immer mehr kraftgeregelte Anwendungen entstehen. Wofür bislang das gefühlvolle Agieren des Menschen nötig und bislang der Mensch auch noch verantwortlich war, übernehmen nun Cobots & Co. die Regie. Dies bietet die Perspektive, auch diese noch sensibleren Bereiche zu automatisieren. Dies bedeutet aber auch, dass unbedingt eine sichere Dosierung der Kraft zu gewährleisten ist.

Safety durch sicher begrenztes Drehmoment

Die Hersteller stützen sich bei der Safety-Qualifizierung ihrer Produkte heute auf Aspekte der Dimensionierung von Gefahr auf Systemebene. Will heißen: Der Roboter ist so schwach oder mechanisch bedingt langsam konstruiert, dass keine Gefahr besteht. Für die Anlagenbetreiber wird dies aber zunehmend riskant und aufwendig bei der Qualifizierung ihrer Anlage, weil sie ihre Fertigungsstraße in Sachen Arbeitssicherheit abnehmen lassen müssen. Dadurch steigen die Anforderungen an die Komponentenlieferanten, funktionale Sicherheitstechnik einfacher auszulegen und zu zertifizieren.

Daraus ergibt sich die Strategie von Roboterherstellern, entsprechende Safe-Motion-Funktionen zu ergänzen – bei Cobots eben speziell SLT. Beim interaktiv arbeitenden Cobot gibt es hier neben der sicheren Kraftdosierung und dem sicheren Reagieren auf Kollisionen die Besonderheit, dass der Roboter nicht nur agiert, sondern auch auf externe Führung reagiert. Dies bedeutet: Es können Situationen entstehen, bei der das externe System – also die Werkbank – etwas auf den Roboter zuführt und dieser sicher nachgeben muss, um den Menschen nicht zu gefährden. Dies lässt sich aufgrund der Getriebe in den Achsen, die die externe Kraft zunächst gegenüber dem Motor und damit dem sicher regelnden Antrieb puffern und somit aus der „Wahrnehmung“ und Absicherungsmöglichkeit des Reglers entfernen, nicht auf konventionelle Art realisieren. Der Regler würde hierbei das Drehmoment über die Motorphasen messen. Stattdessen ist zusätzliche Sensorik (Drehmoment, Kraft) erforderlich. Die sichere Konstruktion dieser Sensorik durch die Sensorhersteller und das Auswerten solcher Sensoren seitens der Regler-Anbieter ist demnach das aktuell bestimmende Thema im Bereich Safe Motion und Funktionssicherheit.

Die Industrie fordert generell günstigere und nicht so aufwendige – sprich „schlankere“ – Safety-Lösungen, beispielsweise mit weniger Verkabelung. Speziell hier sind neue Ansätze gefragt. Vielversprechend sind kleine Safety-Module, die dezentral an jeder Achse in die Steuerung integriert, dabei aber sehr leistungsfähig und flexibel sind, um auch künftigen Anforderungen bis zur beschriebenen Ausbaustufe 4 gerecht zu werden.

Nikolai Ensslen, CEO bei Synapticon; Andrija Feher, CTO bei Synapticon / ag

Veröffentlicht im Original: https://www.scope-online.de/antriebstechnik/sicherheit-im-gelenk.htm

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Marketing Manager at Synapticon