Ein perfektes Team

Cobots werden Roboter genannt, die nicht mehr durch Schutzkäfige von Menschen getrennt sind, sondern direkt mit ihnen zusammenarbeiten (engl.: collaborate). Diese Roboter übernehmen Aufgaben, die sich nicht vollständig automatisieren lassen oder für Menschen riskant sein können. Dazu gehören z. B. das sichere Führen von scharfen, spitzen oder heißen Werkstücken oder auch gefährliche Schraubarbeiten. Immer mehr Unternehmen setzen auf die stählernen Helfer, die inzwischen schon für weniger als 10.000 Euro angeboten werden. Die Beliebtheit von Cobots hängt aber nicht nur mit den vergleichsweise niedrigen Anschaffungskosten zusammen. Sie lassen sich auch relativ einfach programmieren und in vorhandene Arbeitsumgebungen integrieren. Mittlerweile sind Cobots deshalb das am schnellsten wachsende Segment auf dem Robotermarkt.

Sicherheit steht an erster Stelle
Da Cobots in unmittelbarer Nähe von Menschen arbeiten, müssen Ingenieure bei ihrer Konstruktion hohe Vorgaben hinsichtlich der Funktionalen Sicherheit einhalten. In einer Risikobewertung ist zunächst die Schwere aller denkbarer Verletzungen sowie deren Häufigkeit, Dauer und die Möglichkeit des Entkommens im Ernstfall abzuschätzen. Auf dieser Grundlage wird dann das für alle eingesetzten Komponenten erforderliche Sicherheits-Integritäts-Level (SIL) bestimmt. Diese Levels (SIL 1-4) werden in der Norm IEC 61508 definiert: SIL 1 ist die niedrigste und SIL 4 die höchste Anforderungsstufe.

Eine weitere wichtige Norm im Bereich „Funktionale Sicherheit“ ist die DIN EN ISO 13849, die sich sowohl an Konstrukteure als auch an Entwickler sicherheitsrelevanter Komponenten für Maschinen richtet. Da Cobots nach der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG als Maschinen gelten, ist diese Norm beim Bau und der Implementierung dieser Roboter ebenfalls zu berücksichtigen. In der DIN EN ISO 13849 werden sogenannte Performance Levels (PL) definiert, die die Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls einer Maschine je Stunde angeben. Die Performance Levels sind in fünf Kategorien unterteilt (a bis e): Bauteile des PL „a“ leisten demnach einen geringen Beitrag zur Risiko-Minderung, Komponenten des Performance Levels „d“ reduzieren dagegen in hohem Maße das Sicherheitsrisiko einer Maschine.

Der richtige Abstand ist entscheidend
Wichtig im Zusammenhang mit der Funktionalen Sicherheit von Cobots sind auch die Normen DIN EN ISO 10218 („Sicherheitsanforderungen an Industrieroboter“) und ISO/TS 15066 („Roboter und Roboter-Zubehör/Cobots“). In diesen Normen werden vier Schutzprinzipien definiert, die Cobots erfüllen müssen. Eines dieser Prinzipien ist die ständige Überwachung des Abstands zwischen Roboter und Mensch. Sie setzt allerdings voraus, dass der übergeordneten Steuerung die genaue Position des Cobot-Arms jederzeit bekannt ist. Dazu muss der Roboter über hochgenaue Messgeräte verfügen, die jede Positionsveränderung registrieren.

Die österreichische AMO GmbH hat sich auf die Entwicklung und Fertigung solcher extrem präziser Messsysteme spezialisiert. AMO fertigt seit fast 30 Jahren sowohl inkrementelle als auch absolute Längen- und Winkelmessgeräte, die weltweit in Maschinen namhafter Unternehmen verschiedenster Branchen zum Einsatz kommen.

Hochgenaue Abtastung sorgt für die präzise Positionserfassung
Alle Messgeräte von AMO basieren auf dem Abtastprinzip AMOSIN^®, für dessen Herstellung Maßverkörperungen (Teilungen) aus regelmäßigen Strukturen verwendet werden. Als Trägermaterial dient ein Edelstahlband, in das die periodische Teilung in einem hochgenauen Verfahren eingebracht wird. Durch ein spezielles Herstellungsverfahren wird die Maßverkörperung zu einem geschlossenen Messring geformt, der entweder auf einem Teilungsträger als Winkelmessflansch oder als dünnwandiger Messring ausgeliefert wird.

Dank des AMOSIN^®-Abtastprinzips bieten die Längen- und Winkelmessgeräte hohe Auflösungen von bis zu 0,05 µm und Teilungsgenauigkeiten von bis zu ±3 µm/m. Darüber hinaus sind die Messgeräte von AMO unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störfeldern und zeigen keinerlei Hysterese. Diese Eigenschaften prädestinieren sie für den Einsatz in allen Anwendungen, die strenge Anforderungen an die Funktionale Sicherheit erfüllen müssen.

AMO-Messgeräte ermöglichen den sicheren Betrieb von Cobots
Die absoluten Längenmessgeräte LMKA 2010 und LMKA 3010 sowie die absoluten Winkelmessgeräte WMKA 2010 bzw. WMKA 2110 können zusammen mit einer sicheren Steuerung in Applikationen mit Sicherheits-Integritäts-Level 2 bzw. Performance Level „d“ verwendet werden. Sie eignen sich deshalb ideal für den Einbau in Cobots, denn die DIN EN ISO 10128 fordert exakt dieses Sicherheitsniveau von den Roboter-Herstellern. Die absoluten Längen- und Winkelmessgeräte von AMO garantieren diese hohe Schutzwirkung, da sie permanent einen sicheren absoluten Positionswert bereitstellen, sodass die Steuerung immer „weiß“, wo sich der Roboter-Arm gerade befindet. Dadurch kann die Einhaltung des Sicherheitsabstands zwischen Cobot und Mensch jederzeit gewährleistet werden.

Für den Einsatz in sicherheitsgerichteten Anwendungen wie in Cobots ist aber nicht nur die hochgenaue Positionserfassung der Messgeräte ausschlaggebend. Eine ebenso große Bedeutung kommt der Zuverlässigkeit der mechanischen Verbindung zwischen Messgerät und Antrieb zu. Damit Roboter-Hersteller die Sicherheit dieser Verbindung nicht mehr aufwändig nachweisen müssen, hat AMO bereits einen sogenannten mechanischen Fehlerausschluss entwickelt und über eine Baumusterprüfung bestätigen lassen.

Einsatzgebiet von Industrie-Robotern wird erweitert
Messgeräte von AMO können aber auch als sogenannte „Secondary Encoder“ die Positioniergenauigkeit herkömmlicher Industrie-Roboter wesentlich verbessern. Indem sie zusätzlich zu den an jeder Roboter-Achse bereits vorhandenen Drehgebern montiert werden, eliminieren sie den sogenannten Nulllagen-Fehler. Dieser entsteht, weil die Drehgeber oft eine Winkelposition anzeigen, die nicht mit der tatsächlichen Lage der Roboterachse übereinstimmt. Wird zusätzlich ein Längen- bzw. Winkelmessgerät von AMO an der Achse installiert, kann die Positioniergenauigkeit am Tool Center Point um bis zu 80 Prozent gesteigert werden. Auf diese Weise lassen sich Industrie-Roboter auch in Anwendungen einsetzen, für die sie bisher aufgrund ihrer mangelnden Präzision nicht geeignet waren. Die absoluten Messgeräte von AMO erweitern das Anwendungsspektrum dieser Roboter also deutlich.