Robotik

Hallo Echo!

Fertigungsautomation

Mayser hat gemeinsam mit Thyssenkrupp eine innovative Werkzeugabsicherung für MRK-Anwendungen in der Aggregat-Montage entwickelt. Damit macht Ultraschall safety jetzt Leichtbauroboter sicher.

24. August 2017
Die direkte Zusammenarbeit von Mensch und Roboter wird sicher.  Bild: Thyssenkrupp System Engineering GmbH
Bild 1: Hallo Echo! (Die direkte Zusammenarbeit von Mensch und Roboter wird sicher. Bild: Thyssenkrupp System Engineering GmbH)

Henry Ford hat das Fließband in die Automobilproduktion eingeführt und damit einen Meilenstein in der industriellen Produktion geschaffen. Autos, aber auch deren Komponenten wie Motoren oder Getriebe, werden seitdem in Fließfertigung montiert. Seit etwa 40 Jahren werden möglichst viele Schritte in der Fließbandmontage durch automatische oder halbautomatische Prozesse durchgeführt. Ein wichtiges Hilfsmittel dafür ist neben der speicher-programmierbaren Steuerung (SPS) der In-dustrieroboter. Eine vollständige Automati-sierung der Montage ist aber – auch heute noch– nicht immer sinnvoll oder möglich. Die Gründe dafür sind vielschichtig. Zum einen gibt es Aufgaben, die einfach zu komplex sind, um sie – wenn überhaupt – mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand zu automatisieren. Zum anderen ist der Mensch immer noch unschlagbar bei Tätigkeiten, die hohe Flexibilität, Mobilität und Intuition erfordern.

Im Rahmen des Zukunftsprojektes »Industrie4.0« haben es sich Mayser und Thyssenkrupp System Engineering zur Aufgabe gemacht, Lösungen für die Mensch-Roboter-Kollaboration zu entwickeln, bei denen die Stärken des Menschen und die Stärken des Roboters vereint werden. Daraus ergeben sich neue Prozesse für die Aggregat-Montage sowie auch viele weitere Anwendungsfelder.

Optimale Montageprozesse

Sie bilden die Lösung für die große Herausforderung, Montageprozesse zu entwickeln, die nicht nur die Ergonomie verbessern und die Variantenflexibilität erhöhen, sondern auch die Kosten senken und der Einhaltung der Taktzeit erlauben. Thyssenkrupp System Engineering hat hier führende Kompetenzen zur sicheren Realisierung von Lösungen für Mensch-Roboter-Kollaborationen in verschiedensten Bereichen entwickelt. Konventionelle Automatisierungs-lösungen fordern eine strikte räumliche und zeitliche Trennung von Mensch und Maschine. Diese Trennung führt oftmals dazu, dass Prozessschritte sequenziell abgearbeitet werden müssen oder dass Komponenten wie Sicherheitstechnik und Zuführungen Kosten verursachen. Ansätze, Mensch und Roboter ohne Schutzgitter am selben Objekt arbeiten zu lassen, gibt es bereits. Allerdings arbeiten beide oftmals nebeneinander und nicht wirklich zusammen.

Detektion per dezentral auf dem Roboter angeordneten Wandlern

Beispiele für Prozesse mit »richtiger« Mensch-Roboter-Kollaboration sind momentan im industriellen Einsatz noch selten zu finden. Mit Leichtbaurobotern ist es möglich, typische Handarbeitsplätze mit Robotik auszurüsten. Dass der Roboter als sicher betrachtet werden kann, ist dabei nicht ausreichend. Ein oft unterschätztes Thema ist die Kollaborationsfähigkeit der Peripherie, zum Beispiel des Effektors. Auch dieser muss den Ansprüchen einer sicheren Mensch-Roboter-Kollaboration genügen.

Weil in der Regel kein Einfluss auf die Werkzeuggeometrie und auf das Bauteil genommen werden kann, besteht ein Lösungsansatz darin, das Werkzeug mittels einer virtuellen Schutzhülle in Form eines Sensorfeldes abzusichern. Dieser Weg wurde mit dem Ultraschall safety von Mayser realisiert. Die Ultraschallsensorik erkennt sowohl Menschen als auch nicht leitfähige Objekte berührungslos und lässt sich dabei nicht von Schmutz, Fremdschall, Luftströmungen und Feuchtigkeit beeinflussen. Das besondere Merkmal des Ultraschallsystems von Mayser sind die sehr kleinen Ultraschallwandler, die flexibel und geometrisch unabhängig von der Elektronik positioniert und damit direkt auf dem Roboterarm oder Greifer platziert werden können.

Die Sensoren messen in einem elliptischen Schallfeld und erfassen selbst kleinste Objekte. Zudem ermöglicht eine Teach-in-Funktion das Einlernen der kompletten Messumgebung als Standardumgebung. Dadurch reagiert das System nur auf Abweichungen vom Sollzustand. Die Wandler des Ultraschall safety bauen jeweils ein Schallfeld um den Effektor auf, das in einen Warn- und einen Schutzbereich aufgeteilt ist. Die Messdistanz im Warnfeld beträgt maximal 250 Zentimeter. Dringt der Roboter in das Warnfeld ein, wird er antriebsschonend abgebremst. Wird eine Person im Schutzfeld, das eine maximale Messdistanz von 200 Zentimetern hat, detektiert, stoppt der Roboter – eine Kollision mit der Person wird verhindert. Nähert sich der Endeffektor dem Werkstück, kehrt der Roboter zur sicheren Geschwindigkeit zurück und das Schutzfeld wird deaktiviert. Dies ermöglicht dem Roboter, bei einer Kollision mit einer Person rechtzeitig zu stoppen, ohne die zulässigen Kräfte und Drücke zu überschreiten. Bereits ein Wandler erfüllt durch die Schutzfelder als einziger Ultraschallsensor weltweit die Kriterien für die Zulassung nach ISO 13849-1:2015 Kategorie 3PL d für den Personenschutz.

Aktuell hat Mayser gemeinsam mit Thyssenkrupp System Engineering einen Leichtbauroboter mit dem sicheren Ultraschall ausgerüstet. Dieser Montage-Leichtbauroboter ist mit vier Wandlern ausgestattet, da dies die Geometrie des Effektors erfordert. Die Parametrisierung der Ultraschallsensoren erfolgt über ein grafisches Interface, das auf einem Rechner installiert werden kann. Der Anschluss des Ultraschall safety erfolgt dabei über USB.

Ultraschall im Einsatz

Es ist auch möglich, den Effektor und das Bauteil bei einer Anwendung mit einem konventionellen Industrieroboter abzusichern. Für die Absicherung des Gesamtsystems wird eine Sensorkombination eingesetzt. Die grundsätzliche Absicherung der Zelle wird aufgrund der größeren Abstände durch den Einsatz von Bodenscannern realisiert. Allerdings verhindern gerade diese größeren Abstände eine direkte Kollaboration.

Erst durch den Einsatz von Nahbereichssensoren direkt am Effektor lässt sich der erforderliche Mindestabstand stark reduzieren. Diese Anwendung der Nahbereichssensoren an einem großen Roboter für eine MRK-Anwendung wurde von Thyssenkrupp System Engineering getestet und als praxistaugliche Lösung für MRK bewertet. Dadurch wird die Mensch-Roboter-Kollaboration mit »richtigen« Robotern möglich und der Roboter wird zu einem wirklichen Assistenzsystem.

Mit diesem Ansatz können nicht nur neue Prozesse mit besserer Ergonomie, höherer Flexibilität und geringeren Kosten verwirklicht werden. Bereits bestehende Anlagen werden aufgewertet, weil Handarbeitsplätze (teil-)automatisiert werden können oder konventionelle Robotik zum Einsatz kommt.

Erschienen in Ausgabe: 05/2017

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