Missverständnisse über Cobots und Sicherheit in der Fertigung und in Fertigungsumgebungen

Vier Cobots schweißen in einer speziellen Kabine, getrennt durch Schweißvorhänge (auf dem Foto nicht gezeigt) und mit einer in die Schweißpistolen integrierten Rauchminderung. Universal Robots/Vectis Automation

Kollaborative Roboter oder Cobots haben begonnen, den Markt der Metallverarbeitung zu durchdringen. Mit jeder FABTECH-Show tauchen mehr Cobots in mehr Kabinen auf, wo sie aufnehmen und platzieren, schweißen und sogar Abkantpressen bedienen. Die Möglichkeiten scheinen endlos. Allerdings haben viele Anwendungen auf dem Messegelände auch etwas, was die meisten nicht mit Cobots in Verbindung bringen: zumindest eine Art Schutz.

Cobots mögen vielleicht harmlos oder sogar niedlich aussehen, aber das bedeutet nicht, dass ihre Verwendung grundsätzlich unter allen Umständen sicher ist. Wie sicher ein Cobot-Einsatz wirklich ist, hängt vom Einsatz bzw. der Anwendung ab.

„Wir müssen erkennen, dass kollaborative Roboter als Marketingbegriff und nicht als technischer Begriff entstanden sind“, sagte Roberta Nelson Shea, die in Boston ansässige Global Technical Compliance Officer bei Universal Robots. Obwohl alle Cobots von UR leistungs- und kraftbegrenzt (PFL) sind, ist der Begriff kollaborativer Roboter branchenweit nicht standardisiert. Ein Robotersystem oder eine Roboteranwendung kann als „kollaborativ“ bezeichnet werden und dennoch keinen PFL-Roboter verwenden.

„PFL ist nur eine Eigenschaft, die eine Roboteranwendung zu einer kollaborativen Anwendung machen kann“, sagte Nelson Shea. „Handgeführte Steuerungen oder HGCs stellen eine weitere Möglichkeit dar, eine kollaborative Anwendung zu erstellen.“

Angenommen, Sie haben festgestellt, dass es sich bei dem System, über das Sie verfügen, tatsächlich um einen PFL-Roboter handelt. Wenn ja, ist die Kraft und Kraft, die es ausübt, natürlich begrenzt – daher der Spitzname. Es kommt häufig vor, dass der PFL-Roboterarm bei unerwartetem Kontakt stoppt, eine Leistung, die der Automatisierung neue Möglichkeiten eröffnet. Mit traditioneller Automatisierung und Mechanisierung – einem Gelenkroboterarm, einem Schweißwagen, einem mehrachsigen Hinteranschlag an einer Abkantpresse oder irgendetwas anderem – kann selbst die langsamste Bewegung genug Kraft aufbringen, um eine Extremität zu zerquetschen. Nicht so bei einem PFL-Roboter. Ein PFL-Cobot-Arm scheint genauso zu funktionieren wie ein menschlicher Arm. Wie könnte er also gefährlich sein? Nun, ein Mensch, der ein Messer schwingt, kann gefährlich sein, und das Gleiche gilt auch für einen PFL-Roboter, der einen scharfen Gegenstand schwingt.

„Viele haben die falsche Vorstellung, dass die gesamte Anwendung sicher ist, wenn ein Roboter mit PFL-Fähigkeit läuft“, sagte Bill Edwards, Senior Manager, kollaborative Robotik bei Yaskawa Motoman, Miamisburg, Ohio. „Leider stimmt das einfach nicht. Bei einer kollaborativen Anwendung müssen wir uns die gesamte Anwendung ansehen. Dazu gehören der Endeffektor, die zu handhabenden Teile und alle damit verbundenen Aufgaben, die sowohl kollaborativ sein können als auch nicht. Und nicht alle kollaborativen Anwendungen verfügen zu 100 % über reine kollaborative Aufgaben.“

Ein Grund dafür, dass die Sicherheit von PFL-Cobots kompliziert werden kann, ist die Art und Weise, wie sie verwendet werden. Große, herkömmliche Roboter, die große Teile bewegen, benötigen Schutzvorrichtungen, typischerweise ineinandergreifende Schutzvorrichtungen (Sicherheitszäune), und sie sind oft Teil großer, automatisierter Linien. Roboter ahmen nicht die Aufgaben nach, die früher Menschen erledigten; Stattdessen gestalten Ingenieure den gesamten Prozess rund um die Automatisierung neu.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Robotern werden PFL-Cobots „normalerweise nicht in einer vollständig automatisierten Linie eingesetzt“, sagte Nelson Shea.

Stattdessen ersetzen sie häufig manuelle Aufgaben in kleinen Situationen mit geringer Nutzlast. In vielen Fällen wird ein PFL-System einfach dort platziert, wo früher ein Mensch war, und ahmt die Aufgabe nach, die der Mensch früher ausgeführt hat. Der Prozess wird nicht verändert und ist häufig nicht vollständig automatisiert. Ein Mensch muss immer noch irgendwo eingreifen, um die Arbeit zu erledigen.

„Und wenn das passiert, entsteht der Eindruck, dass der Cobot keinen Schutz benötigt“, sagte Nelson Shea und fügte hinzu, dass viele der frühen Anwendungen von PFL-Cobot-Systemen tatsächlich ohne herkömmliche Schutzvorrichtungen sicher waren, wenn man die niedrige Geschwindigkeit und die geringen Nutzlasten berücksichtigt , und die verwendete PFL-Technologie. Dennoch besteht Bedarf an einer Risikobewertung, insbesondere da die Systeme mit Menschen interagieren.

Für diese leistungs- und kraftbegrenzten Roboter ist möglicherweise kein fester Schutz erforderlich, aber die Zelle muss die Schweißsicherheit berücksichtigen, einschließlich Schweißvorhängen und Rauchabsaugung. Yaskawa Motoman

Wie jedes Industriegerät müssen PFL-Roboter branchenweit anerkannten Sicherheitsstandards entsprechen, einschließlich ISO/TS 15066, das speziell für kollaborative Roboteranwendungen geschrieben wurde.

Viele der Details hinter diesen Standards beschränken sich auf die Geschwindigkeit und die Oberfläche eines sich bewegenden Objekts. Der Cobot selbst verfügt möglicherweise nicht über eine hervorstehende scharfe Kante. „Sie können eine glatte Außenseite haben“, sagte Nelson Shea. „Sie haben keine hervorstehenden Bolzen.“

Sein Endeffektor könnte jedoch eine scharfe Kante haben, ebenso wie die Objekte, die er trägt – wie etwa ein Blechzuschnitt. Ein PFL-Cobot, der einen scharfen Gegenstand in einer bestimmten Ausrichtung und Geschwindigkeit schwingt, kann durchaus Schutzmaßnahmen erfordern, wie in den Sicherheitsstandards beschrieben.

Manchmal kann das Risiko, das von der scharfen Kante eines Werkstücks ausgeht, durch die Gestaltung des Endeffektors gemindert werden, und zwar nicht nur durch die Oberflächengestaltung (d. h. keine scharfen Kanten am Endeffektor selbst), sondern auch durch die Art und Weise, wie er das Teil greift. Wie Nelson Shea erklärte: „Ein Endeffektor kann ein Teil überdecken, sodass während der Manipulation keine freiliegende Kante vorhanden ist.“

Sie beschrieb eine Anwendung in einer großen Automobilfabrik, bei der ein Robotersystem mit einem großen, mit Schaumstoff überzogenen Muschel-Endeffektor zum Einsatz kam. Als es einen großen Blechzuschnitt ergriff, um ihn an eine andere Maschine zu übergeben, bedeckte die Muschelschale alle scharfen Kanten des Teils. „In diesem Fall sorgte der Endeffektor für Schutz.“

Wie Edwards erklärte, legen die Sicherheitsstandards „die Kraft- und Druckbeschränkungen fest, die sich in Geschwindigkeitsbeschränkungen auf der Grundlage der den Bedienern ausgesetzten Oberflächenbereiche niederschlagen. Wenn die Oberfläche auf ein bestimmtes Maß reduziert wird, bestimmt dies die Geschwindigkeit, mit der der PFL-Roboter arbeiten kann. Sobald es an einer scharfen Kante angelangt ist und Sie die ersten Berechnungen durchführen, um sicherzustellen, dass Sie das richtige Sicherheitssystem gebaut haben, werden Sie feststellen, dass eine so kleine Oberfläche in Kombination mit der Masse des Roboters Ihre Geschwindigkeit auf nichts begrenzt. oder zumindest sehr wenig. Und ein Roboter, der sich so langsam bewegt, bringt normalerweise keinen ROI.“ In diesen Fällen sind zusätzliche Schutzmaßnahmen erforderlich, um die Anwendung sicher und wirtschaftlich zu machen.

Dabei geht es nur um die Cobots selbst, nicht um die Maschinen, die sie bedienen. Typische Roboter-Abkantpressen und Kraftpressenlinien verfügen über ineinandergreifende Schutzvorrichtungen oder Perimetersicherungen, die dem Robotersystem die Freiheit geben, mit der Maschine auf eine Art und Weise zu interagieren, die für einen Menschen völlig unsicher wäre: Beispielsweise greift ein Abkantpressenroboter ein seltsames Teil von hinten das Werkzeugset mitten in einer Biegesequenz.

Der Grund, warum sich viele für Cobots interessieren, ist natürlich die Tatsache, dass sie unter den richtigen Umständen eine Maschine ohne Sicherheitszaun (Schutz) bedienen können. Auch hier kommt es auf die Anwendung an. Wenn die Risikobewertung jedoch ergibt, dass eine Absicherung für das Robotersystem nicht erforderlich ist, muss die Absicherung der Maschine dennoch in die Gleichung einbezogen werden.

PFL-Cobots werden häufig auch von der Maschine abgekoppelt und bei Bedarf an einen anderen Ort bewegt. Der Vorgang kann zu bestimmten Zeiten robotergesteuert und zu anderen Zeiten manuell durchgeführt werden – und das bedeutet, dass die Maschine selbst wie jede andere Maschine ohne Roboter geschützt werden muss.

Dies gilt auch für eine von Cobots bediente Maschine, die nie von einer Person bedient wird. In diesem Fall muss die Maschine, die der Cobot bedient, noch abgesichert werden; Personen könnten unbeabsichtigt in den Arbeitsbereich der Maschine eindringen oder eine Extremität darin platzieren.

Eine Maschinenbedienungsanwendung für einen Cobot erfordert immer noch einen Sicherheitsscanner und einige feste Schutzvorrichtungen. Der Cobot mag sicher sein, aber er muss dennoch einen scharfen Gegenstand führen und mit einer Maschine interagieren, die ohne Schutz eine Gefahr darstellt. Universelle Roboter

Nelson Shea warf ein: „Was ist in diesen Fällen falsch daran, [Sicherheitszäune] zu bewachen?“ Sie sind nicht teuer, und in Fällen, in denen eine Maschine nie manuell bedient wird, könnte eine verriegelte Schutzvorrichtung die Arbeit vereinfachen.

„Viele Leute denken, nur weil sich ein [PFL]-Roboter auf der Maschine befindet, sei die Gefahr verschwunden“, sagte sie. „Die Gefahr dieser Maschine besteht immer.“

Edwards beschrieb eine CNC-Maschinenbedienungsanwendung. Dem Teil selbst fehlen möglicherweise scharfe Kanten und der PFL-Roboterarm bewegt sich möglicherweise auf risikoarme Weise. „Aber was ist mit dem Greifer? Hat es scharfe Kanten? Ist die Maschine bewacht? Ich muss mir den gesamten Antrag ansehen. Ist die Maschine sicher zu beladen? Und wenn das fertige Teil herausgezogen wird, hat es dann scharfe Kanten? Bei einer PFL-Anwendung muss ich die Spezifikationen von TS 15066 einhalten, was bedeutet, dass ich bestimmte Druck- und Kraftgrenzen unterschreiten muss. Und wenn die Oberfläche des Teils zu einer scharfen Kante abnimmt, kann ich nicht [unter diesen Grenzen bleiben]. Für diese Aufgabe benötige ich daher einige zusätzliche Sicherheitsvorrichtungen wie einen Scanner oder einen Lichtvorhang, um die Sicherheit des Bedieners zu gewährleisten. Auch hier gilt: Wenn es um Sicherheit geht, schauen wir auf die Anwendung, nicht auf den Roboter.“

Edwards beschrieb einen Bediener, der einen Stapel Blechzuschnitte zu einer Cobot-Arbeitszelle brachte. „Wenn der Roboter ein Teil mit scharfen Kanten greifen muss, wissen wir, dass wir diese Druck- und Kraftschwellenwerte überschreiten. Vielleicht kann der Roboter zusammenarbeiten, wenn er sich bewegt, ohne ein Teil zu halten.“ An diesem Punkt fallen der Arm und der Endeffektor, beide mit stumpfen Oberflächen, unter diese Druck- und Kraftschwellenwerte. „Sobald der Roboter das Teil jedoch hat, muss ich möglicherweise zusätzliche Schutzmaßnahmen ergreifen, da er jetzt um eine scharfe Kante herumschwingt.“

Endeffektoren, die Teile greifen, benötigen außerdem eingebaute Sicherheitsfaktoren, die den Verlust von Saugkraft und Leistung berücksichtigen. „Zum Beispiel könnte ich mich bei einer Blechanwendung [mit magnetischem Material] dafür entscheiden, Magnete zu verwenden, die ihren Halt auch dann behalten, wenn die Anlage Strom verliert“, sagte Edwards.

Eine Anwendung könnte optoelektronische Sicherheitsscanner, feste Schutzvorrichtungen (Zäune) oder eine Kombination von Schutztechnologien erfordern – auch hier sind die Einzelheiten in den Sicherheitsstandards sowohl für Roboter (ANSI/RIA R15.06) als auch für Maschinen (wie ANSI) festgelegt Maschinensicherheitsnorm B11).

Im Gegensatz zu Pick-and-Place oder maschineller Beschickung erfordert das Cobot-Schweißen normalerweise nicht, dass der Endeffektor ein Werkstück schwingt. Stattdessen bewegt der Endeffektor eine Schweißpistole, die scharfe Kanten haben kann, darunter auch einen freiliegenden Schweißdraht. Es kommt häufig vor, dass solche Anwendungen ohne Scanner oder verriegelte Zäune sicher ausgeführt werden. Der Cobot bewegt sich möglicherweise langsam und gezielt, wenn der Draht freiliegt (und nicht schweißt), z. B. mit begrenzter Reichweite, sodass das Risiko einer „scharfen Kante“ durch geeignete PSA und andere Sicherheitsaspekte gemindert werden kann. („Während des Schweißens ist ein Schweißschutz sowie schweißspezifische PSA erforderlich“, sagte Nelson Shea.)

Quellen weisen darauf hin, dass jeder Antrag einzeln beurteilt werden muss. „Wir müssen diese Komponenten während der Risikobewertungen noch untersuchen, um sicherzustellen, dass ich diese Druck- und Kraftgrenzen nicht überschreite“, sagte Edwards.

Auch hier mag die Bewegung des Cobots zwar sicher sein, die Anwendung, in der sich der Cobot bewegt, kann jedoch andere Sicherheitsanforderungen vorschreiben. Wenn sich also etwas in der Cobot-Schweißzelle bewegt, beispielsweise ein Schweißpositionierer, müssen Sicherheitsmaßnahmen diese Bewegung des Positionierers sowie die Vorrichtungen und Teile, die der Positionierer bewegt, berücksichtigen. Natürlich verfügen die meisten Cobot-Schweißzellen über einen stationären Aufspanntisch, der (je nach Gefährdungsbeurteilung) keiner Absicherung bedarf. Aber wahrscheinlich sind auch andere Sicherheitsvorkehrungen für die Schweißzelle erforderlich: Tragen von Schweißhelmen, Bedecken von Armen und Beinen mit nicht brennbarer Kleidung, Rauchabsaugung, um die Luft sauber zu halten, und Schweißvorhänge oder ähnliche Schutzvorrichtungen.

„Auch hier müssen wir uns den gesamten Antrag ansehen“, sagte Edwards. „Es ist nicht nur der Roboter. Es sind Dämpfe. Es ist Licht. Es ist Hitze. Es besteht aus elektrischen Gefahren, Kabeln und Stolperfallen. Wir müssen einen ganzheitlichen Blick darauf werfen und nicht nur, was der Roboter und der Endeffektor tun. Das alles muss in die Risikobewertung einfließen, die darüber entscheidet, ob eine Lösung sicher umgesetzt werden kann oder nicht.“

Ein Schweißer manipuliert den PFL-Roboterarm, um eine Schweißverbindung zu programmieren. Yaskawa Motoman

Die Sicherheit einer Anwendung hängt nicht nur davon ab, was der Cobot trägt, sondern auch davon, wie er sich bewegt. Hier kommt es auf die Lehrmethode an. Durch Offline-Simulation können Produktionsunterbrechungen vermieden werden, und ein Programmiergerät kann praktisch sein, aber beide Methoden trennen den Benutzer vom eigentlichen Cobot. Auf diese Weise kann ein Bediener den Roboter unabsichtlich dazu anweisen, sich auf gefährliche Weise zu bewegen. „Das ist genau der Grund, warum sich der Arm bei Verwendung eines Programmierhandgeräts mit reduzierter Geschwindigkeit bewegt“, sagte Nelson Shea.

Für viele Präzisionsanwendungen ist eine handgeführte Steuerung nicht praktikabel. „Man kann etwas von Hand wirklich nicht um ein paar Millimeter bewegen“, sagte Nelson Shea. Sie fügte jedoch hinzu, dass, wenn eine handgeführte Steuerung möglich ist, dies manchmal dazu beitragen kann, den Unterricht sicherer zu machen, „weil eine Person keine Bewegungen in ihre Richtung auslöst.“

Stellen Sie sich eine Pick-and-Place-Aufgabe vor. Mithilfe eines Programmiergeräts könnten Programmierer einfach auf ihren Bildschirm blicken und dem Roboter sagen, er solle sich von Punkt A nach B bewegen, ohne dabei nach oben zu blicken, um zu bemerken, dass sich der Cobot-Arm auf eine Weise bewegt, die in der Nähe befindlichen Personen leicht im Weg stehen könnte. Selbst wenn Programmierer nachschauen, wird der Bediener möglicherweise nicht erkennen, wie unsicher (und möglicherweise ineffizient) einige dieser Bewegungen sind, da er den Vorgang aus einer anderen Perspektive betrachtet. Laut Quellen mildert die neueste Lehrsoftware einige dieser Probleme, indem sie die Ausrichtungen anpasst, sodass das, was auf dem Bildschirm angezeigt wird, mit dem übereinstimmt, was der Bediener im wirklichen Leben sieht.

Unabhängig davon verändert die physische Bewegung des Arms und die direkte Anwesenheit bei der Bewegung des Arms von Punkt A nach B die Perspektive des Bedieners. Sie halten den Cobot-Arm natürlich niedrig und nicht im Weg.

Quellen betonten, dass bestimmte Techniken und Methoden, wie z. B. handgeführter Unterricht, eine Operation zwar sicherer machen könnten, sie jedoch keine Garantie dafür seien, dass die Anwendung sicher sei. Es ist immer noch eine ordnungsgemäße Risikobewertung erforderlich, die alle Aspekte einer Cobot-Anwendung untersucht, von der Cobot-Bewegung und seinem Endeffektor bis hin zu den Teilen, die zu anderen Aspekten der Arbeitszelle transportiert werden, wie z. B. der zu bedienenden Maschine oder den durchgeführten Schweißarbeiten.

Auch Cobots finden immer wieder neue Einsatzmöglichkeiten. Einige werden sogar auf autonomen mobilen Robotern (AMRs) montiert, die ihre eigenen Sicherheitsaspekte haben, wie z. B. Bremswege, Gangbreitenfaktoren und solche, die davon abhängen, wo sich sowohl die Automatisierung als auch die Menschen auf dem Boden bewegen können. Es ist ein komplexes Rätsel.

Sowohl AMRs als auch PFL-Cobots bieten die Möglichkeit, die Automatisierung vollständig in manuelle Aufgaben zu integrieren. Richtig eingesetzt, könnte eine solche Technologie dazu beitragen, die Fabrik der Zukunft schlechthin zu schaffen. Solche PFL-Cobot-Anwendungen erfordern möglicherweise keinen Sicherheitszaun oder Schutz, aber die Beseitigung von Schutzmaßnahmen sollte nicht das Ziel sein. Es muss immer noch alles auf Sicherheit geprüft werden, eine Anwendung nach der anderen.