Moderne Industrierobotersysteme sind auf eine immer komplexere Infrastruktur angewiesen, um sich ständig weiterentwickelnde Fähigkeiten der künstlichen Intelligenz (KI) und des maschinellen Lernens (ML), nahtlose Konnektivität und skalierbare Bereitstellung innerhalb der Fabrik zu unterstützen. Diese Systeme erfordern Sensoren, Sicherheitshardware, Schaltkreisschutz und Steuerungskomponenten, um die Anforderungen an hohe Bandbreite, Echtzeitreaktion und strenge funktionale Sicherheitsstandards zu erfüllen.
In diesem Artikel werden die grundlegenden Technologien untersucht, die die Industrie 4.0-Robotertechnologie unterstützen, mit Schwerpunkt auf SICK-Sensoren und Sicherheitslösungen und wie die industriellen Steuerungskomponenten von Eaton dazu beitragen, eine sichere Bewegungssteuerung, adaptives Systemverhalten und entscheidende Entscheidungen zu erreichen. Zu den spezifischen Diskussionsthemen gehören die wichtigsten treibenden Faktoren der elastischen intelligenten Automatisierung, wie z. B. Wahrnehmungsarchitektur, Einhaltung der Maschinensicherheit, fehlertolerante Steuerungsstrategien und Integration verteilter Edge-Automatisierungsnetzwerke.
Fortschrittliches Sensorsystem für dynamische Fabrikumgebungen
Wie in Abbildung 1 dargestellt, haben Industrie-4.0-Roboter durch fortschrittliche Sensoren einen sicheren und effizienten Betrieb in Werkshallen erreicht. Obwohl diese Sensoren unter rauen Bedingungen wie ständig wechselndem Licht, Partikeln in der Luft und mechanischen Vibrationen arbeiten, müssen sie dennoch in der Lage sein, Echtzeitdaten schnell zu verarbeiten, um Personal, mobile Roboter und sich schnell bewegende Montagelinien genau zu verfolgen.
Der mehrachsige Industrie 4.0-Roboterarm von Igus
Abbildung 1: Der mehrachsige Industrie 4.0-Roboterarm nutzt integrierte Sensoren und Echtzeit-Feedback, um einen präzisen und schnellen Betrieb zu erreichen. (Bildquelle: Igus)
Die Roboterplattform integriert mehrere Sensormodi, um räumliche Wahrnehmung und Reaktion im Millisekundenbereich zu gewährleisten. Der Sensorfusionsalgorithmus aggregiert diese Eingabeinformationen, um ein kohärentes Echtzeitmodell der Betriebsumgebung des Roboters zu generieren. Das visuelle System verwaltet die Objekterkennung und -positionierung, während der Sicherheitsstufen-Laserscanner unbefugte Zugänge innerhalb des Sperrbereichs überwacht. Time of Flight (ToF)-Sensoren mit geringer Latenz erfassen dreidimensionale räumliche Daten und ermöglichen so eine Echtzeit-Pfadanpassung und kontextbezogenes Verhalten.
Roboter sind außerdem auf interne Sensoren und Kontaktsensoren angewiesen, um die Bewegungssteuerung und Interaktion zu verbessern. Taktile Sensoren, einschließlich Kraft-/Drehmomentsensoren und Endschalter, können Feedback für Greif-, Montage- und Compliance-Aufgaben liefern. Induktive, kapazitive und Ultraschall-Näherungssensoren können Objekte in der Nähe berührungslos erkennen und ihr Erfassungsabstand ist in der Regel kürzer als bei ToF-Systemen. Encoder und Potentiometer verfolgen die Gelenkposition und -geschwindigkeit für eine präzise Bewegungsplanung, während Trägheitsmesseinheiten (IMUs) Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit messen, um Richtung und Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Schließlich überwachen elektrische Sensoren Strom und Spannung, um die Motorlast zu bewerten und Fehler zu erkennen.
Standardbasierte Industrierobotersicherheit
Industrie-4.0-Roboter müssen strenge internationale Sicherheitsstandards einhalten, um die Sicherheit von Personal und Ausrüstung zu gewährleisten. Die drei Hauptnormen ISO 13849, IEC 62061 und ISO 10218 legen die Funktions- und Steuerungssicherheitsanforderungen für Werkstattrobotersysteme fest.
ISO 13849 beschreibt die Design- und Validierungsstandards für sicherheitsrelevante Steuerungskomponenten. Dieser Standard verfolgt einen risikobasierten Ansatz und verwendet Leistungsniveaus (PL), um die Systemintegrität basierend auf der Schwere der Gefahren, der Expositionshäufigkeit und potenziellen Vermeidungsszenarien zu klassifizieren. IEC 62061 quantifiziert die erforderliche Risikominderung für die funktionale Sicherheit elektrischer, elektronischer und programmierbarer Steuerungssysteme mithilfe des Safety Integrity Level (SIL). Diese Standards spezifizieren gemeinsam die Design-, Implementierungs- und Validierungsanforderungen für Wahrnehmungs- und Steuerungsfunktionen in sicherheitskritischen Anwendungen.
Die Norm ISO 10218 wendet diese Prinzipien speziell auf Industrieroboter an und deckt Sicherheitsanforderungen für Roboterdesign, Arbeitseinheitslayout, Systemintegration und Betrieb ab. Dazu gehört die Verwendung von Sicherheitssensoren zur Ausführung von Aufgaben wie Not-Aus, Schutz und Bewegungsüberwachung. Diese Komponenten müssen bestimmte Leistungs- und Zuverlässigkeitsschwellenwerte erfüllen und werden in der Regel durch strukturierte Tests und Validierungen nachgewiesen.
Die Normen ISO 13849, IEC 62061 und ISO 10218 bilden den Kern der Robotersicherheitsstandards. Andere Standards, darunter der IEC 60204-1-Standard für elektrische Sicherheit und der ISO/TS 15066-Standard für die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine, haben das Grundgerüst für die Sicherheitsbereitstellung und -integration erweitert.
Integriertes Sicherheitssystem für die Mensch-Maschine-Kollaboration
Um die Standards hinsichtlich Funktionalität und Maschinensicherheit zu erfüllen, setzt der Fabrikbetreiber auf Sicherheitslösungen von Zulieferern wie SICK und Eaton. Das Safe EFI Pro-System von SICK nutzt beispielsweise integrierte Sensoren, Controller und Aktoren, um die Echtzeitsteuerung von Sicherheitsfunktionen für stationäre und mobile Roboter zu unterstützen. Wie in Abbildung 2 dargestellt, kann die Schlüsselkomponente des Systems, der Sicherheits-Laserscanner microScan, eine adaptive und situationsabhängige Bewegungserkennung in dynamischen Umgebungen durchführen.
Sicherheits-Laserscanner SICK microScan3
Abbildung 2: Der Sicherheits-Laserscanner microScan3 von SICK kann geschützte Bereiche überwachen und Bewegungen dynamisch erkennen und unterstützt so den adaptiven Schutz in industriellen Umgebungen. (Bildquelle: SICK)
Bediener können außerdem das End-of-Arm-Protection-System (EOAS) von SICK nutzen, um eine dynamische Schutzzone um den Werkzeugkopf des Roboters aufrechtzuerhalten. EOAS nutzt die ToF-Technologie, um eine sichere berührungslose Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine mit einer Reaktionszeit von weniger als 110 Millisekunden zu erreichen.
Als Ergänzung zu diesen automatisierten Systemen bietet SICK auch manuelle und periphere Sicherheitskomponenten an. Im Notfall kann der Bediener die Maschine durch Betätigen des Not-Aus-Schalters ES21 schnell abschalten. Der berührungslose Sicherheitsschalter STR1 nutzt RFID-Technologie, um Manipulationssicherheit und Schutzüberwachung zu gewährleisten, unterstützt erweiterte Codierung und entspricht der Norm EN ISO 14119.