Ultraschall safety macht Leichtbauroboter sicher

Mayser entwickelt gemeinsam mit thyssenkrupp eine innovative Werkzeugabsicherung für MRK-Anwendungen in der Aggregat-Montage

Die effiziente und sichere Zusammenarbeit von Mensch und Roboter ist nun möglich – durch die Entwicklung des fehlersicheren Ultraschall safety von Mayser. Er ist als einziger Ultraschallsensor weltweit nach ISO 13849-1:2015 Kategorie 3 PL d für den Personenschutz zugelassen. Nun wurde gemeinsam mit thyssenkrupp System Engineering ein Leichtbauroboter mit dem sicheren Ultraschall ausgerüstet. Er schützt den Menschen in der Kollaboration mit dem Roboter zuverlässig vor dem Effektor.

Ein wichtiges Hilfsmittel für die automatischen bzw. halbautomatischen Prozesse in der Fließbandmontage sind seit etwa 40 Jahren neben der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) die Industrieroboter. Eine vollständige Automatisierung der Montage ist aber – auch heute noch – nicht immer sinnvoll oder möglich. Zum einen gibt es Aufgaben, die einfach zu komplex sind, um sie mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand zu automatisieren. Zum anderen ist der Mensch immer noch unschlagbar bei Tätigkeiten, die hohe Flexibilität, Mobilität und Intuition erfordern.

Mayser und thyssenkrupp System Engineering haben es sich 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 viele weitere Anwendungsfelder, die nicht nur die Ergono-mie verbessern und die (Varianten-)Flexibilität erhöhen, sondern auch die Kosten senken und die Einhaltung der Taktzeit erlauben.

Konventionelle Automatisierungslösungen fordern eine strikte räumliche und zeitliche Trennung von Mensch und Maschine. Prozessschritte müssen dabei sequenziell abgearbeitet werden oder Komponenten wie Sicherheitstechnik und Zuführungen verursachen Kosten. Ansätze, Mensch und Roboter ohne Schutzgitter am selben Objekt arbeiten zu lassen, gibt es bereits, allerdings arbeiten beide oftmals nebeneinander und nicht wirklich in „richtiger“ Mensch-Roboter-Kollaboration zusammen.

Mit Leichtbaurobotern ist es möglich, typische Handarbeitsplätze mit Robotik auszurüsten. Dabei muss auch die Kollaborationsfähigkeit der Peripherie, zum Beispiel des Effektors, den Ansprüchen einer sicheren Mensch-Roboter-Kollaboration genügen. Da in der Regel kein Einfluss auf die Werkzeuggeometrie und 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 Ult-raschall safety von Mayser realisiert.

Detektion mittels dezentral auf dem Roboter angeordneter Wandler

Die Ultraschallsensorik erkennt sowohl Menschen und Objekte, berührungslos und unbeeinflusst von Schmutz, Fremdschall, Luftströmungen und Feuchtigkeit. 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. Zu-dem 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 cm. Dringt der Roboter in das Warnfeld ein, wird er antriebsschonend abgebremst. Wird eine Person im Schutzfeld, das eine maximale Messdistanz von 200 cm 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 die Kriterien für die Zulassung nach ISO 13849-1:2015 Kategorie 3 PL d für den Personenschutz. Der Leichtbauroboter für die Montage bei thyssenkrupp wurde mit vier Wandlern ausgestattet, da dies die Geometrie des Effektors erforderte. 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.

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