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Kollaborative Robotik: Modulare Safety-Strategie für Cobot-Konzepte

Wenn es um die Frage der Sicherheit in automatisierten Umgebungen geht, lautete die Antwort bis dato meist schlicht ‚Not-Aus‘. Durch das Aufkommen von kollaborativen Robotern sind nun neue, wesentlich leistungsfähigere und zugleich flexiblere Lösungen gefragt.

Roboter und Bedienpanel Bildquelle: © Shutterstock

Automatisierung, Fließbänder und auch Roboter sind in der Industrie ebenso wenig neu wie die Realisierung von Safety-Funktionen bei sicherheitsrelevanten Anwendungen. Was Letzteres betrifft, ist üblicherweise der ‚Not-Aus‘-Modus die erste Wahl. Dieser ist entweder manuell zu aktivieren oder er wird mit mittels zusätzlicher beziehungsweise entsprechend kostenintensiver Zusatzsysteme wie Lichtschranken oder Videokameras ausgelöst. Ist die Störung behoben, muss das Fließband oder der Fertigungsroboter komplett neu gestartet werden, was in der Regel größere Verzögerungen nach sich zieht.

Cobot mit Intelligenz im Gelenk Bildquelle: © Synapticon

Ein Trend bei den so­genannten Cobots: Die Intelligenz sitzt immer öfter im Gelenk – beziehungsweise an der Achse.

Was speziell die Robotik betrifft, so werden Sicherheitsfunktionen im Bereich der Bewegungssteuerung bislang ebenfalls oft auf einen einzigen Punkt reduziert: das in einem Antrieb integrierte sichere Abschalten des Drehmoments (Safe Torque Off, STO). Angesichts der Zunahme der elektronisch gesteuerten Bewegungssteuerung reicht dies künftig allerdings nicht mehr aus. Vielmehr gilt es, je nach Anwendung beziehungsweise verwendeter Elektronik eine Vielzahl unterschiedlicher Sicherheitsanforderungen zu berücksichtigen. Darüber hinaus müssen die Sicherheitssysteme in der Lage sein, immer schneller zu reagieren. Folgende Aspekte spielen in diesem Zusammenhang eine Rolle:

  • Die steigende Nachfrage nach Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) erfordert ein neues Niveau der intrinsischen funktionalen Sicherheit von Roboterarmen wenn damit ‚Roboterkäfige‘ vermieden werden sollen.
  • Neben MRK erfährt derzeit die autonome mobile Logistik ein enormes Wachstum. In Fabrikumgebungen, in denen sich Menschen und mobile Roboter nebeneinander bewegen, ist allerdings eine fortschrittliche funktionale Sicherheit der Schlüssel für reibungslose Arbeitsprozesse.
  • Die Unterbrechung der Produktion für die Wartung der Maschine kann sehr teuer sein. Eine sichere Bewegungssteuerung ermöglicht Systemdesigns, die unterbrechungsfreie Wartungsvorgänge unterstützen, was sich positiv auf die Gesamtbetriebskosten auswirkt.
  • Nicht zuletzt fordert die Industrie günstigere beziehungsweise weniger aufwendige – sprich ‚schlankere‘ – Safety-Lösungen mit weniger Verkabelung.

Stoppfunktionen finden sich sowohl in der EN 60204 als auch in der ISO 13849 und definieren die gleichen drei Funktionen mit unterschiedlichen Titeln: Stopp Kategorie 0 (Safe Torque Off), Stopp Kategorie 1 (Safe Stop 1) und Stopp Kategorie 2 (Safe Stop 2). Diese Funktionen lassen sich heute in den Antrieb integrieren und ermöglichen eine Vielzahl von flexibleren Stopp- und Sicherheitsbegrenzungs-Optionen.

Safe Motion Modul (in Gelb) Bildquelle: © Synapticon

Das 'Safe Motion Module' (gelb) sitzt im Somanet-Knoten zwischen dem Sensor/Aktor-Schnitt­stellen-Board und dem ­Prozessorboard.

Mit der EN 61800-5-2 steht darüber hinaus eine systematische Methode zur Identifizierung der Sicherheitsfunktion zur Verfügung. Sie definiert also die verschiedenen ‚Safe Motion Modi‘ beziehungsweise unterteilt Sicherheitsfunktionen in ‚Stoppfunktionen‘, ‚Sichere Bewegungsfunktionen‘ und ‚Sichere Bremsfunktionen‘. 

Vor diesem Hintergrund hat sich Synapticon vorgenommen, solche Safe-Motion-Funktionen erstmalig direkt in dezentrale Servoregler zu integrieren. Bisher war dies nur mit Safety PLCs möglich, die diese Funktionen zentral und eben mit zusätzlicher Hardware realisieren. Herausgekommen sind dabei letztendlich Embedded-Safety-Module, die dezentral an jeder Achse in die Steuerung integriert werden.

Zum Verständnis: Ein Servo-Antrieb, der mit den sogenannten Somanet-Modulen von Synapticon realisiert ist, besteht aus drei Modulen: Kommunikation- (Com), Prozessor- (Core) und Antriebsmodul (Drive). Eine wesentliche Idee hinter Somanet ist es, die Schaltschränke für die Robotersteuerung durch Dezentralisierung weitestgehend abzuschaffen. Für jedes der genannten Module gibt es unterschiedliche Standardoptionen sowie die Möglichkeit, anwendungsspezifische Lösungen umzusetzen. Mit dem neuen Safe Motion Module (SMM) kommt nun optional eine vierte Komponente dazu, die zwischen Core und Drive verbaut wird. Dadurch kann das Sicherheitsmodul sicherheitskritische Signale überwachen, generieren und empfangen, ohne dabei von der Software im Servoregler abhängig zu sein.