Die Firma SD Hirsch aus Utting am Ammersee ist spezialisiert auf die Herstellung von Rohrformteilen für den Einsatz in Autos, Haushaltsgeräten und Elektronikgeräten. Lange Zeit wurde der Biegeprozess entweder vollautomatisch oder rein manuell beschickt. Beide Lösungen stellten allerdings nicht das Optimum dar, denn: „Bei der vollautomatisierten Lösung fehlte die Prozess- und Qualitätskontrolle, gerade im Produk­tionsanlauf“, so Gernot Schulze, Leiter der Fertigungstechnik. Die rein manuelle Lösung hingegen war seinen Worten zufolge gerade in puncto Wirtschaftlichkeit kritisch zu betrachten. Ergo reifte bei dem 100-Mann-Betrieb der Wunsch nach einem „kooperativen“ System auf Basis eines Industrieroboters. Dieses sollte zum einen den menschlichen Eingriff erlauben, um die Prozessfähigkeit sicherzustellen, zum anderen aber auch automatisiert betrieben werden können, um die Produktivität zu gewährleisten.

„Das Schlimmste, was wir uns vorstellen konnten, war, dass unsere Roboter den Mitarbeitern bei einem Zusammenstoß böse Verletzungen zufügen“, blickt Schulze zurück und ergänzt: „Trotzdem hatten wir die Vision, beide sozusagen Hand in Hand arbeiten zu lassen, ohne jedoch auf Sicherheit bei der direkten Zusammenarbeit zu verzichten. Doch kollisionsfreie Roboter für unsere Zwecke gab es damals – so wie wir sie uns wünschten – noch gar nicht.“ Schließlich nahm man die Augsburger Firma MRK-Systeme mit ins Boot, die seit 2004 auf die Entwicklung von Systemen zur Mensch-Roboter-Koopera­tion spezialisiert ist. Gemeinsam wurde ein kollisionssicheres Anlagenkonzept erarbeitet, welches mit speziellen Sicherungssystemen ausgestattet ist.

In der umgesetzten Applikation entnimmt der Roboter ein Rohrstück aus einem Magazin und legt dies in die Biegevorrichtung ein. Nach dem Biegeprozess entnimmt der Roboter das gebogene Werkstück und führt es zu einer optischen Qualitätskontrolle. Wenn diese Qualitätskontrolle bestanden wurde, wird das Bauteil als „i.O.“ abgelegt. Bei nicht bestandener Qualitätskontrolle wird es als „n.i.O.“ abgelegt und es werden Maßnahmen eingeleitet, um die Ursache der Abweichung zu analysieren und zu beheben. Die Kooperation mit dem Roboter findet dahingehend statt, dass auf trennende Schutzeinrichtungen verzichtet wird und der Mensch so den Biegeprozess überwachen kann. Eine Analyse und Fehlerbehebung bei „n.i.O.“-Teilen wird so signifikant erleichtert.

Auf Tuchfühlung

Das Wichtigste an der zu realisierenden Handling-Station war, ein möglichst enges Nebeneinanderarbeiten von Mensch und Roboter zu ermöglichen. Dafür ist der Mensch unbedingt vor Stößen des Roboters zu schützen. Ergo bekam dieser Kuka-Kleinroboter des Typs KR 3 eine weiche Schaumstoffhülle verpasst. „Das hat den Zweck, die im Roboter
gespeicherten kinetischen Energien gleichmäßig abzubauen. Trifft dieser um-
mantelte Roboter ungewollt einen Arbeiter, ist das weit weniger schmerzhaft, als wenn einem der nackte Stahlarm einen Stoß versetzt“, erläutert Dr. Peter Heiligensetzer, Geschäftsführer der Firma MRK-Systeme.

Auch die Gefahr von Quetschungen galt es weitestgehend zu vermeiden. In der Schaumstoffhülle sind daher sicherheitsgerichtete, taktile Schaltelemente verborgen. Berührt ein Werker den Roboter, stoppt dieser innerhalb weniger hundert Millisekunden komplett in seiner Bewegung. In der Schaumstoffhülle befinden sich außerdem zusätzliche kapazitive Näherungssensoren. Damit kann der Roboter die Anwesenheit eines Menschen gleichsam „fühlen“ indem diese Sensoren das elektrische Feld beziehungsweise die Dielektrizitätskonstante messen.

Die Annäherung des Menschen bewirkt eine Änderung dieser Größen, was wiederum von den kapazitiven Sensoren erkannt wird und letztendlich zu einer Geschwindigkeitsreduzierung des Roboters führt.Gernot Schulze macht dies an einem Beispiel deutlich: „Bewegt man sich einmal unaufmerksam mit dem Rücken zum Roboter oder kommt ihm unbewusst zu nahe, wird auch hier ein Stopp der Roboterbewegung beziehungsweise eine Geschwindigkeitsreduzierung auf Null oder auf ein ganz geringes Maß ausgelöst. Man muss den Roboter dazu also nicht einmal berühren. Das war ein großer Fortschritt in puncto Sicherheit und eine ganz wichtige Funktion für uns.“

Lösbarer Werkzeugflansch

Schließlich stellte sich noch ein weiteres großes Problem: Wie lässt sich die Verletzungsgefahr durch die Rohre, die bei der SD Hirsch für die Automobilindustrie gebogen werden und die der Roboter in seinem Greifer hält, möglichst ausschließen? Die Lösung: Da sich die Bauteile nicht wie der Roboter selbst polstern lassen, wurde ein lösbarer Zwischenflansch angebaut. Das führt dazu, dass sich das Werkzeug vom Roboter ablöst und nur noch an einer Feder hängt, wenn man mit einer Kraft von 120 Newton gegen das Bauteil stößt. Die Auslöskraft ist einstellbar bis zu maximal 150 Newton und sollte für die jeweilige Applikation auf den geringst möglichen Wert eingestellt werden. So kann das Bauteil bei einer Kollision keine große Wucht mehr aufbringen und der Mitarbeiter ist vor heftigen Schlägen und Quetschungen geschützt.

„Derart konzipiert konnten wir den Roboter gut einsetzen und die Inbetriebnahme war extrem einfach, weil es keine Zusatzschutzeinrichtungen brauchte“, resümiert Schulze. Der Fertigungsleiter weiter: „Jetzt kann man direkt neben dem Roboter stehen und alles bequem kontrollieren – ohne Angst um seine körperliche Unversehrtheit haben zu müssen. Lediglich angrenzende Maschinen und Vorrichtungen sind gegebenenfalls abzusichern.“

Mittlerweile gibt es einen Nachfolger des KR 3 SI. Der so genannte KR 5 SI hat einen größeren Arbeitsraum und mehr Traglast als sein Vorgänger. Während der KR 3 SI zusätzlich zu der Werkzeugabsicherung eine Traglast von 1,5 kg in einem Arbeitsraumradius von 635 mm bewegen konnte, kann sein Nachfolger 3 kg in einem Radius von 1423 mm bewegen. Zudem ermöglicht dieser jetzt auch eine sichere reduzierte Geschwindigkeit. Heiligensetzer erklärt: „Die Steuerung des KR 5 SI kontrolliert, ob sich der Roboter noch in den erlaubten Arbeitsräumen und Geschwindigkeiten bewegt. Bei dieser so genannten SafeRobot-Funktionalität können die Arbeitsräume oder Schutzräume als kartesische Räume beziehungsweise Quader vorgegeben werden, und es ist möglich, die sichere Geschwindigkeit von den Arbeitsräumen abhängig zu machen. Zum Beispiel ist die Geschwindigkeit nahe der Ablageposition auf 50 mm/s reduzierbar, während die Bewegung im freien Raum mit über 500 mm/s deutlich höher ist.“

Dass mit dem kollisionssicheren Industrieroboter ein großer Schritt in Richtung Sicherheit getan ist, zeigt sich auch daran, dass er alle Anforderungen zur Roboterproduktnorm DIN EN ISO 10218 erfüllt. Dazu wurde der Roboter in enger Kooperation mit der Metall-Berufsgenossenschaft entwickelt und zertifiziert. Das Schutzsystem ist entsprechend zweistufig aufgebaut: Die taktilen Schaltelemente, der lösbare Werkzeugflansch und die kontrollierte Roboterbewegung stellen die „harte Sicherheit“ des Systems dar, die den Performance Level (PL) d nach EN ISO 13849-1 erfüllt. Als Zusatzsystem zur Absicherung der Restrisiken und für den intuitiven Betrieb dienen die kapazitiven Näherungssensoren (PL = a).

„Die enge Kooperation mit der Berufsgenossenschaft war für uns bei der Entwicklung enorm wichtig“, betont Heiligensetzer und ergänzt: „Wir halten zudem die Anforderungen der BG/BGIA-Empfehlung zur Gestaltung von Arbeitsplätzen mit kollaborierenden Robotern ein.“ Diese Handlungshilfe der Berufsgenossenschaft, die inzwischen in eine Technical Specification (TS 1511) als Anlage zur Roboterproduktnorm DIN EN ISO 10218 umgewandelt wurde, schließt einige offene Punkte der aktuellen Roboterproduktnorm. So wird zum Beispiel die Dynamik des Roboters mit berücksichtigt, das heißt auch die Gefahren durch einen Stoß und nicht nur durch statisches Drücken. Weiterhin unterscheidet die TS 1511 die gefährdeten Körperregionen, da ein Stoß im Kopfbereich anders zu bewerten ist, als eine Kollision des Roboters mit den Armen oder Beinen.

Ein Ziel – verschiedene Konzepte

Zurzeit befinden sich mehrere Leichtbau-Robotersysteme zur direkten Mensch-Roboter-Kooperation ohne trennende Schutzeinrichtungen in der Entwicklung oder der Markteinführung. Die Sicherheit dieser Systeme basiert laut Heiligensetzer darauf, dass durch die reduzierte Traglast eine Kollision mit dem Roboter nicht zu große Kontaktkräfte hervorrufen soll und diese Kollision dann auch schnell zu einem Stopp des Roboters führt. Daran, ob die Kollision mit einer Traglast von einigen Kilogramm wirklich ungefährlich ist, meldet der Roboter-Fachmann allerdings seine Zweifel an: „Man kann dies vergleichen mit einem Hammer, der durch den Raum bewegt wird und den Menschen zum Beispiel am Kopf treffen kann.Ein Abschalten nach der Kollision ist natürlich sinnvoll – aber der eigentliche Stoß hat zu diesem Zeitpunkt schon stattgefunden!“

Aufgrund dieser Problematik besteht eine wichtige Komponente des beschriebenen Sicherheitssystems in der Erkennung einer Annährung und der Reaktion des Roboters schon vor der eigentlichen Kollision. Weiterhin ist Heiligensetzer der Überzeugung, dass Hersteller den „nackten“ Roboter nicht für eine Anwendung freigeben können, sondern immer eine individuelle Betrachtung der Applikation mit zugehöriger Risikoanalyse durchzuführen ist. Dies sei allein schon deshalb notwendig, da das Werkzeug des Roboters mit in die Risikobetrachtung eingehen muss.