Absolute Messgeräte für sicheren Robotereinsatz in der Fertigung

Passend positioniert

Das Thema funktionale Sicherheit wird in der Automatisierungstechnik immer wichtiger, denn die Komplexität der Anlagen nimmt zu und die Anforderungen an ihre Verfügbarkeit steigen. Absolute Längen- und Winkelmessgeräte tragen mit hochgenauen redundanten Positionswerten einen wichtigen Teil zum sicheren Betrieb von Robotern in der Fertigung bei.

Bei der PKW-Fertigung führen inzwischen Industrieroboter die meisten  Bearbeitungsschritte aus. Absolute Längen- und Winkelmessgeräte erzeugen hochgenaue redundante Positionswerte und ermöglichen so den sicheren Betrieb der Roboter. (Bild: ©THINK b/Fotolia.com)

Viele Branchen nutzen in mehr oder weniger großem Umfang Roboter – allen voran die Automobil- und die Elektronikindustrie. Die Aufgabengebiete sind vielfältig und reichen vom Punkt- und Bahnschweißen über das Entgraten bis hin zu Oberflächenbehandlungen. Alle Anwendungen haben aber eines gemeinsam: Die Bearbeitung muss sehr präzise und sorgfältig erfolgen, da sonst irreversible Schäden an den teuren Bauteilen entstehen können.

Die Winkelmessgeräte von Amo messen mit einer Positionsabweichung von weniger als 1m pro Signalperiode. (Bild: Amo Automatisierung Messtechnik Optik GmbH)

Kollaborative Roboter müssen absolut sicher sein

Hinzu kommt, dass immer mehr Unternehmen Roboter einsetzen, die Seite an Seite mit menschlichen Arbeitern tätig sind und nicht mehr in abgetrennten Schutzkäfigen. Diese Cobots 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. Hier steht der Schutz der menschlichen Arbeiter vor den Robotern im Vordergrund: Durch die Installation einer Vielzahl von Sensoren und hochgenauen Messgeräten an den Achsen werden Kollisionen der Roboter mit Arbeitern verhindert.

Zertifizierung aller Bauteile ist Pflicht

Funktionale Sicherheit ist also im Bereich der Industrieroboter ein sehr komplexes Thema, das eine ganzheitliche Betrachtung der Produktionsabläufe erfordert. Um die hohen Anforderungen der Normen EN61508 und ISO13849 bezüglich der funktionalen Sicherheit zu erfüllen, müssen Maschinenbauer in ihre Roboter und Fertigungssysteme unter anderem Messgeräte integrieren, die speziell für den Einsatz in sicherheitsgerichteten Applikationen zertifiziert wurden. Die Zertifizierung garantiert, dass sämtliche von den Messgeräten ermittelten Positionswerte sicher an die übergeordnete Steuerung übertragen werden. Das bedeutet, dass alle Positionswerte redundant sind, das heißt doppelt gemessen werden. Ein weiterer wichtiger Punkt im Hinblick auf die funktionale Sicherheit ist die mechanische Verbindung zwischen Messgerät und Antriebseinheit. Sie muss so fest sein, dass sie sich im Betrieb nicht löst, denn die Steuerung kann einen solchen Fehler nicht zwingend erkennen (laut EN61800-5-2/Tabelle D8). Der Nachweis einer solchen sicheren Verbindung ist für Maschinenhersteller allerdings mit großem Aufwand verbunden.

Messgeräte kompatibel bis SIL2

Diese Arbeit hat Amo den Konstrukteuren abgenommen: Um die Verwendung seiner hochgenauen absoluten Messgeräte auch in sicherheitsgerichteten Anwendungen zu ermöglichen, hat der Messtechnikspezialist die Geräte jetzt zertifizieren lassen. Maschinen- und Anlagenbauer profitieren deshalb ab sofort auch in diesen Applikationen von der hohen Präzision der Messgeräte, die eine Positionsabweichung von weniger als 1m innerhalb einer Signalperiode aufweisen. Die absoluten Messgeräte sind in allen industriellen Anlagen bis SIL 2 und PLd bzw. Kat.3 verwendbar. Ihr Sicherheitskonzept basiert auf zwei im Geber erzeugten, voneinander unabhängigen Positionswerten sowie Fehlerbits, die über das funktional sichere Protokoll an einen sicheren Master übertragen werden. Dieser besitzt diverse Überwachungsfunktionen, die Fehler im Messgerät oder bei der Datenübertragung aufdecken. Nach der Überprüfung leitet der Master die von den Messgeräten ermittelten Daten an die übergeordnete sichere Steuerung weiter. Sie überwacht die Funktionalität des Positionsmessgeräts anhand periodisch ausgelöster Tests. Da die sicherheitsrelevanten Daten in sogenannten Zusatzinformationen hinterlegt sind, können sie zeitsparend im Regelbetrieb verarbeitet werden.

Die absoluten Längen- und Winkelmessgeräte sind jetzt auch für den Einsatz in sicherheitsgerichteten Anwendungen zertifiziert. (Bild: Amo Automatisierung Messtechnik Optik GmbH)

Fehlerausschluss ersetzt Sicherheitsnachweis

Mehr Effizienz in der Anlagenkonstruktion bringt auch der mechanische Fehlerausschluss, den Amo für seine zertifizierten absoluten Längen- und Winkelmessgeräte entwickelt und über eine Baumusterprüfung bestätigt hat. Maschinenhersteller müssen deshalb nicht mehr aufwendig die sichere mechanische Anbindung der Messgeräte an den Antrieb nachweisen. Die ist mit dem Fehlerausschluss bereits für eine Vielzahl von Anwendungsgebieten sichergestellt.

Serielle Datenübertragung

Die zertifizierten absoluten Längen- und Winkelmessgeräte bieten Maschinenbauern und Anwendern aber noch einen weiteren Vorteil: Sie verfügen über eine rein serielle Ein-Geber-Datenübertragung. Diese ist kostengünstiger als analoge Übertragungsverfahren oder der Einsatz von zwei Messgeräten pro Achse, mit denen ebenfalls zwei unabhängige Positionswerte gemessen werden können. Aufgrund der seriellen EnDat.2.2- oder Siemens-Drive-Cliq-Schnittstelle reduzieren sich aber nicht nur die Investitionskosten für Hersteller und Anwender. Die serielle Datenübertragung ermöglicht auch die Nutzung von Diagnoseverfahren, eine automatische Inbetriebnahme des Roboters oder der Anlage sowie eine schnelle Positionswertbildung.

Einsatzgebiet von Industrierobotern vergrößert sich

Mithilfe der absoluten Längen- und Winkelmessgeräte von Amo lässt sich der Anwendungsbereich von Industrierobotern auf alle sicherheitsrelevanten Anwendungen erweitern. Auch die hochpräzise Bearbeitung großer Werkstücke ist mit ihnen jetzt möglich. Sie scheiterte bisher an der mangelnden Genauigkeit der an den Roboterachsen installierten Drehgeber. Werden zusätzlich zu ihnen aber Längen- und Winkelmessgeräte von Amo eingesetzt, lässt sich die Positioniergenauigkeit um 70 bis 80 Prozent steigern. Damit ergeben sich neue Verwendungsmöglichkeiten für Roboter in der industriellen Fertigung. Sie können jetzt Arbeiten übernehmen, für die bisher teure Sondermaschinen benötigt wurden.