Roboterwerkzeuge sicher austauschen

Roboter sind multitaskingfähig und flexibel. Damit sie tatsächlich mehrere Aufgaben in der Prozesskette übernehmen können, gibt es die Möglichkeit des automatischen ­Werkzeugwechsels. Marcel Aulila von Safety System ­Products erläutert in seinem Beitrag für GIT SICHERHEIT, wie HS Automation, Spezialist für die Roboterintegration im Sondermaschinenbau, die Synergien der beiden Unternehmen Robot System Products und Safety System Products für sichere Werkzeugwechsel nutzt.

Seit der Gründung im Jahr 1999 durch Rolf Steidinger und Thomas Herrmann hat sich beim Unternehmen HS Automation einiges getan und so sieht sich das Unternehmen mit seinen rund 20 Mitarbeitern heute als Anbieter von Komplettlösungen im Sondermaschinenbau. Die Kunden kommen aus Automobil-, Lebensmittel- oder Chemieindustrie, sodass die Vielfalt an realisierten Projekten stetig wächst. Gemeinsam mit Sohn Marc Steidinger, der seit sieben Jahren als Elektrokonstrukteur im Unternehmen tätig ist, werden am Standort Vöhringen im Schwarzwald fast täglich neue, individuelle Automatisierungseinrichtungen geplant, entwickelt und gefertigt.

Steigende Sicherheitsforderungen beim Einsatz von Robotern
Durch die Nutzung mehrachsiger Robotersysteme wurde in den letzten Jahren in der ganzen Automatisierungsbranche mehr Flexibilität ermöglicht. Dies eröffnet neue Wege bei der Automatisierung von Anwendungen, denn im Gegensatz zu anderen Systemen kann ein Roboter mehrere Aufgaben übernehmen.

Um die Flexibilität und Taktzeit des Roboters vollständig nutzen zu können, werden in vielen Fällen automatische Werkzeugwechsel durchgeführt. So kann ein einzelner Roboter mehrere Aufgaben in der Prozesskette übernehmen. Mit genau diesem Wunsch trat ein TIER-1-Zulieferer an HS Automation heran.

Doch mit neuen Möglichkeiten gehen auch oft neue Gefahren einher. Diese werden in der 2011 veröffentlichten Sicherheitsnorm EN ISO 10218-2 beschrieben. Der Anwender erhält hier eine ausführliche Hilfestellung, um die Anforderung der Maschinenrichtlinie auch in Anlagen mit Robotersystemen erfüllen zu können. Unter anderem werden auch die Anforderungen von technischen Schutzmaßnahmen an Werkzeugwechselsysteme spezifiziert. Demnach darf das Werkzeugwechselsystem auch beim Ausfall der Energiezufuhr, z. B. der Pneumatik, nicht öffnen, da ein Herunterfallen der Werkzeugplatte samt Werkzeuge ernsthafte Personen- und Sachschäden verursachen könnte.

Die Wechselsysteme von RSP sind daher so gebaut, dass sie auch bei Verlust der Energiezufuhr sämtliche dynamischen Kräfte aufnehmen können, ohne das Werkzeug zu verlieren. Man muss aber auch sicherstellen, dass das Wechselsystem vollständig geschlossen ist, bevor der Roboter sich in Bewegung setzt. Auch hier bietet der Werkzeugwechsler von RSP den entscheidenden Vorteil.

Patentiertes Verschlussverfahren
Die in sich sichere mechanische Konstruktion ist so ausgelegt, dass die Elektrokontakte auf der Innenseite des Wechslers erst dann schließen und eine Rückmeldung geben, wenn das Wechselsystem mechanisch sicher geschlossen ist. So werden die Kontakte auch vor Verschleiß und Schmutz geschützt. Beim Verschlussverfahren „True Connect“, das von RSP entwickelt und patentiert wurde, werden Werkzeugplatte und Werkzeugwechsler über ein Kugelsystem angedockt. Dabei wird der Werkzeugwechsler automatisch in speziell eingearbeitete Kavitäten auf der Werkzeugplatte zentriert. Dadurch werden dynamische Kräfte aufgenommen und leichte Fehlstellung korrigierte, was eine sehr hohe Wiederholgenauigkeit und Zuverlässigkeit bei minimalen Verschleißerscheinungen garantiert.

Als weitere Gefahr wird in der EN ISO 10218-2 das Vertauschen der Werkzeuge definiert. Hier kommt es immer wieder zu Fehlanwendungen, da Werkzeuge manuell umgestellt werden. Gemeinsam mit dem Partnerunternehmen SSP – Safety System Products konnte eine Möglichkeit geschaffen werden, die Endlage des Werkzeugs im Werkzeugbahnhof auch sicherheitsgerichtet abzufragen.

Sicherheitssensor kommt von SSP
Hierfür nutzte HS Automation den Sicherheitssensor Safix. Dieser besticht nicht nur durch seine kompakte Bauweise, sondern macht sich modernste RFID-Technologie zunutze. Mit seiner hohen Kodierungsstufe nach EN ISO 14119 bietet er zudem hohen Manipulationsschutz. Einmal auf einen Betätiger eingelernt, kann der Sensor nur noch durch diesen betätigt werden. So fragt der Werkzeugbahnhof von SSP nicht nur ab, ob ein Werkzeug vorhanden ist, sondern überprüft zusätzlich, ob sich das richtige Werkzeug im zugehörigen Bahnhof befindet. Diese Funktion ist vom Roboter entkoppelt, was die mechanische Beanspruchung der Bauteile und den Programmieraufwand deutlich verringert.

Eine weitere Herausforderung waren die engen Platzverhältnisse, da der Werkzeugbahnhof eng am Schutzzaun der Roboterzelle steht und sich so nur schwer vom Roboter anfahren lässt. Beim Aufnehmen und Ablegen des Werkzeugs muss der Roboter also in einem Winkel von 90° um den Werkzeugbahnhof fahren. Doch mit dem RSP-Werkzeugbahnhof sollte auch diese Anforderung kein Problem darstellen. Durch die 3-Punkt Lagerung mit konischen Zapfen und einem Führungsstift, der das Kippen verhindern, kann das Werkzeug sicher und schwingungsfrei abgelegt und aufgenommen werden.

Der berührungslose Sicherheitssensor Safix kann durch den Betätiger nicht nur frontal, sondern auch seitlich angefahren werden und ermöglicht so ganz neue Einsatzmöglichkeiten. Erhältlich in drei verschiedenen Versionen mit wahlweise geringer oder hoher Kodierungsstufe nach EN ISO 14119 bietet er hohen Manipulationsschutz.

Safix lässt sich ohne signifikante Verlängerung der Ansprechzeit bis zu 80mal in Reihe schalten und somit in Anlagen mit der höchsten Sicherheitsstufe PL e nach ISO 13849-1 integrieren. Die OSSD-Signale erlauben zudem die Erkennung von Querschlüssen. Über einen achtpoligen M8-Stecker lässt sich Safix leicht anschließen und somit perfekt in die bestehende Umgebung integrieren. Die Diagnose erfolgt bedienerfreundlich über eine dreifarbige LED-Anzeige und ermöglicht so eine schnelle Wartung und Inbetriebnahme. Dank zweier unterschiedlicher Betätiger, Standard oder sehr schmal, lässt sich der Sensor einfach und schnell auf unterschiedlichste Anwendungen montieren, egal ob Flügeltür, Hubtor oder industrieübliches Aluminiumprofil.