Industrieroboter
IR bestehen im Wesentlichen aus vier Komponenten:
1. Die Kinematik: Aufbau und Anordnung der Achsen, Führungen und Gelenke sowie Greifer oder Werkzeuge; sie bestimmen die Bewegungsmöglichkeiten.
2. Der Antrieb: Er besteht aus Motoren und Getriebe sowie Ventilen und Zylinder (elektrische, hydraulische und pneumatische Antriebe).
3. Die Steuerung: Sie nimmt das Programm auf, gibt den Ablauf vor und überwacht ihn, sorgt für den Kontakt mit zugeordneten Systemen.
4. Das Messsystem: Es ermittelt Stellung, Weg und Geschwindigkeit der einzelnen Achsen.
Weitere Komponenten eines IR-Systems können z. B. sein: Sensoren zur Positions- und Formbestimmung, Zuführsysteme für Werkstücke, Werkzeugwechselsysteme und Sicherheitssysteme (z. B. trennende und berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen).
Die sicherheitsgerechte Gestaltung der IR hat besondere Bedeutung, da sich die Arbeitsbereiche von Mensch und Maschine überschneiden, z. B. bei der Werkstückübergabe, beim Einrichten, bei der Störungssuche. Deshalb sind umfangreiche Schutzmaßnahmen vorgegeben, z. B.
Schutzmaßnahmen des Herstellers: Vermeiden von Quetsch- und Scherstellen, Not-Halt, Begrenzung des IR-Bewegungsraumes
Schutzmaßnahmen des Anwenders: trennende Schutzeinrichtungen (Umzäunungen, Kabinen mit Fenster), Schutzeinrichtungen mit Annäherungsreaktion (Lichtvorhang, Schaltmatten, Pendelklappen), ortsbindende Schutzeinrichtungen (Zweihandschaltung, Schaltplatte mit Taster), ergänzende Schutzeinrichtung (wegfliegende Teile, Emissionen aller Art) (Abbildung)
Verhalten der Beschäftigten: Automatikbetrieb nur bei aktivierten Schutzeinrichtungen und nach Verlassen des Gefahrbereichs; Ausnahme nur, wenn zwingend erforderlich, für schriftlich beauftragte Person; Einrichten möglichst von außerhalb des Gefahrbereichs; Schutzeinrichtungen im Einrichtbetrieb nutzen.
Drei Betriebsabläufe kennzeichnen den IR-Betrieb: der Programmierbetrieb, der Automatikbetrieb und die Instandhaltung. Der Programmierbetrieb umfasst das Einrichten des IR mit Vorrichtungen, Greifer usw.; der Beschäftigte hat direkten Kontakt mit dem IR (Teach-in-Programmieren). Beim Automatikbetrieb fährt der IR das Programm selbsttätig ab; die Person überwacht, legt ggf. Teile ein. Im Rahmen der Instandhaltung muss u. U. bei der Störungssuche am eingeschalteten IR gearbeitet werden. Nach der Unfallstatistik ist die Gefährdung beim Programmieren und Instandhalten am größten.
IR-Sicherheitsmaßnahmen beziehen sich auf vier Bereiche:
IR-Mechanik:
Vorhandensein verstellbarer Begrenzungen für die Bewegung in den Hauptachsen
Vermeiden/Verdecken von Quetsch-, Scher-, Schneid- und Stichstellen
Vorrichtungen zum Transportieren bzw. Installieren des IR am Aufstellungsort.
IR-Steuerung:
Begrenzung der Bewegungsmöglichkeit
Not-Halt am Steuerschrank und am Programmierhandgerät
Abschließbarer Betriebsartenwahlschalter
Einrichten nur mit reduzierter Geschwindigkeit möglich
Tippschalter für alle Bewegungen
Einbindung der Schutzeinrichtungen (z. B. Lichtvorhang, Positionsschalter der Tür, Schaltmatte)
Störungen in der Energiezufuhr dürfen nicht zur Gefährdung führen.
IR-Anlage:
Not-Halt in ausreichender Zahl vorhanden
Große Anlagen sind in mehrere überschaubare Bereiche zu unterteilen (z. B. Kennzeichnen, Not-Halt)
IR einer IR-Anlage müssen auch einzeln betrieben werden können
Der Zugang zu Gefahrbereichen ist verhindert
Übergabestellen der Werkstücke sind besonders gesichert
Der Zugang zu Gefahrbereichen ist besonders geregelt und nur bestimmten Personen erlaubt
Das Personal ist ausgebildet.
Einrichten:
Not-Halt am Programmierhandgerät
Programmieren nur im Tipp-Betrieb
Einrichten nur mit reduzierter Geschwindigkeit möglich
Betriebsartenwahlschalter mit Betriebsart "Einrichten"
Alle Maschinen der Anlage können einzeln eingerichtet werden
Sicherheitseinrichtungen können nur mit Schlüssel ausgeschaltet werden
Mit Arbeitsgeschwindigkeit darf nur mit Zustimmungsschalter und bei Aufenthalt in einem als Schutzzone ausgewiesenen Bereich gefahren werden.
Für die Peripherie von Industrierobotern sind strenge Sicherheitsmaßnahmen vorgeschrieben. Trennende Schutzeinrichtungen (Umzäunungen, Kabinen) oder Schutzeinrichtungen mit Annäherungsreaktion (Lichtvorhänge, Lichtgitter, Lichtschranken, Schaltplatten, Schaltmatten, Pendelklappen) müssen den Gefahrbereich des Industrieroboters von Verkehrsbereichen und Arbeitsbereichen abschirmen. Der Automatikbetrieb darf nur möglich sein, wenn die Schutzeinrichtungen wirksam sind und sich keine Personen innerhalb des Schutzbereiches aufhalten.
Vorgeschrieben sind Einrichtungen zur Begrenzung des Bewegungsraumes (Abbildung) für die Hauptachsen des Industrieroboters. Sie sollen sicherstellen, dass die Bewegungen des Roboters auf den anwendungsspezifischen Bewegungsraum beschränkt bleiben. Auf diese Weise können Quetschstellen vermieden und Schutzzonen geschaffen werden.
Die Befehlsgeräte, die den Betrieb einleiten, müssen außerhalb des Schutzbereichs angeordnet sein. Nach der Öffnung von Schutztüren in der Umzäunung oder der Unterbrechung von Lichtstrahlen beim Zugang darf sich die Anlage erst wieder starten lassen, nachdem außerhalb der Schutzzone ein Quittierschalter betätigt wurde.
Das Einrichten und Programmieren sowie der Automatikbetrieb sollten möglichst von außerhalb des abgegrenzten Bereichs aus erfolgen. Ersatzweise müssen für die Einrichter oder Programmierer andere Schutzmaßnahmen getroffen werden bzw. zusätzliche Mittel zur Verfügung stehen, z. B. ein Programmierhandgerät mit Schaltung für alle Bewegungsfunktionen, ein Not-Halt-Pilztaster auf dem Programmierhandgerät, ein Zustimmungsschalter am Programmierhandgerät. Eine weitere Maßnahme ist die Reduzierung der Geschwindigkeit durch Einstellung des Betriebsartenwahlschalters auf "Einrichten" (Abbildung).
Der Sicherheit dienende Stromkreise müssen so ausgeführt sein, dass der Industrieroboter im Fehlerfall einen für Personen sicheren Zustand einnimmt. Entsprechendes gilt für Steuerkreise in hydraulischen oder pneumatischen Steuerungen. Leicht erreichbare Not-Halt-Einrichtungen müssen Gefahr bringende Bewegungen rechtzeitig unterbrechen und den Roboter stillsetzen. Energieausfälle und -schwankungen dürfen keine gefährlichen Situationen auslösen.
Bei verketteten Anlagen muss jeder Industrieroboter einzeln betrieben werden können. Zu Rüst- und Programmierzwecken muss für die Gesamtanlage ein Not-Halt einschließlich der erforderlichen Anzahl von Befehlsgeräten vor Ort vorhanden sein. Bei großen Anlagen sind auch Not-Halt-Einrichtungen für Teilbereiche zulässig, sofern die Teilbereiche eindeutig erkennbar sind.
Insbesondere für Einrichtarbeiten und Instandhaltung muss das Personal ausgebildet sein und Erfahrung im Umgang mit Industrierobotern haben. Die Beschäftigten müssen über die Benutzerinformation verfügen und fachkundig eingewiesen werden, z. B. durch den Hersteller bzw. Lieferer.
In der Robotertechnik werden zunehmend die Begriffe "Assistierende Roboter" (engl. "assisting" oder "collaborative robots") und "Kooperierende Roboter" (engl. "co-operating" oder "synchronized robots") benutzt.
Bisher arbeiten Mensch und Roboter streng voneinander getrennt. Ziel ist es nun, Roboter auch als Assistenten einzusetzen und ihre Vorteile (Ausdauer, Genauigkeit, Kraft und Schnelligkeit) mit den Fähigkeiten des Menschen zu kombinieren. Sie übernehmen dann z. B. in der Montage die genaue, immer wiederkehrende Zuführung und Entnahme und der Mensch die schwierige Positionierung. Eine so genannte sichere Steuerung soll gewährleisten, dass die Bewegungen des Roboters für den Menschen nicht gefährlich werden. Bei zu hoher Geschwindigkeit oder falscher Position hält sie den Roboter sofort an.
Kooperierende Roboter arbeiten nicht mit dem Menschen zusammen. Die Kooperation erfolgt zwischen zwei oder mehreren Robotern, die z. B. gleichzeitig an einer Baugruppe Schweißarbeiten durchführen. Hinsichtlich der Sicherheitstechnik sind Anlagen mit kooperierenden Robotern den herkömmlichen Anlagen ähnlich. Der Unterschied besteht beim Einrichten. Kooperierende Roboter werden in der Regel von einer zentralen Steuerung gelenkt, der nur ein einziger Zustimmungsschalter zugeordnet ist. Deshalb muss sichergestellt sein, dass der Einrichter stets Sicht auf alle Roboter hat. Andernfalls muss entweder die Anlage oder die Steuerung geändert werden.
Literatur
Verordnung über Sicherheit und Gesundheitsschutz bei der Bereitstellung von Arbeitsmitteln und deren Benutzung bei der Arbeit, über Sicherheit beim Betrieb überwachungsbedürftiger Anlagen und über die Organisation des betrieblichen Arbeitsschutzes (Betriebssicherheitsverordnung - BetrSichV) (CHV 16)
UVV Laserstrahlung (BGV B 2) / (GUV-V B2)
Sicherheitsregeln für berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen an kraftbetriebenen Arbeitsmitteln (ZH 1/597)
TRBS 1151 Gefährdungen an der Schnittstelle Mensch-Arbeitsmittel - Ergonomische und menschliche Faktoren
TRBS 2210 Gefährdungen durch Wechselwirkungen
DIN 66314-1 Schnittstelle zwischen Programmierung und Robotersteuerung - IRDATA; Allgemeiner Aufbau, Satztypen und Übertragung
DIN EN 349 Sicherheit von Maschinen; Mindestabstände zur Vermeidung des Quetschens von Körperteilen
DIN EN ISO 10218-1 Industrieroboter; Sicherheitsanforderungen; Roboter
DIN EN ISO 12100-1 Sicherheit von Maschinen; Grundbegriffe, allgemeine Gestaltungsleitsätze; Grundsätzliche Terminologie, Methodologie
DIN EN ISO 12100-2 Sicherheit von Maschinen; Grundbegriffe, allgemeine Gestaltungsleitsätze; Technische Leitsätze
DIN EN ISO 13850 Sicherheit von Maschinen - Not-Halt - Gestaltungsleitsätze
DIN EN ISO 13857 Sicherheit von Maschinen; Sicherheitsabstände gegen das Erreichen von Gefährdungsbereichen mit den oberen und unteren Gliedmaßen
VDI 2854 Sicherheitstechnische Anforderungen an automatisierte Fertigungssysteme
VDI 2860 Montage- und Handhabungstechnik; Handhabungsfunktionen, Handhabungseinrichtungen, Begriffe, Definitionen, Symbole
VDI 2861 Montage- und Handhabungstechnik; Kenngrößen für Industrieroboter (Blätter 1-3)
VDI 3542 Sicherheitstechnische Begriffe für Automatisierungssysteme (Blätter 1-4)
Haun, M.: Handbuch Robotik - Programmieren und Einsatz intelligenter Roboter, Springer Verlag, Berlin 2007
Fachausschuss Maschinenbau, Fertigungssysteme, Stahlbau; Sachgebiet Industrieroboter.
