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Potenziale der Mensch-Roboter-Kollaboration: Der Weg zu ihrem wirtschaftlichen Einsatz

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Baukasten für kollaborative Komponenten

In Form eines Baukastens für kollaborative Systemkomponenten, den das Fraunhofer-IPA zur Anwendungsrealisierung nutzt, können auf dem Markt verfügbare Roboter klassifiziert werden bezüglich ihrer möglichen Adaption auf sicherheitsgerichtete Anforderungen im kollaborativen Betrieb. Die zu beachtenden Kriterien und ihre Kategorien sind sichere Kraftbegrenzung, sichere Geschwindigkeit, sichere Raumgrenzen und Stoppzeiten. Zusammen mit den Anforderungen an Traglast und Reichweite ergibt sich aus den vier Kriterien eine systematische Auswahl der verfügbaren Roboter und damit der Anteil des Roboters zur Investition der Anlage. Je nach angestrebter Kollaborationsart fallen noch Kosten für Sicherheitssensoren zur Arbeitsraumüberwachung an.

Beim Einsatz eines Systems mit einer sicheren Kraftbegrenzung gelten Platzanforderungen, die oft geringer sind als bei der Vollautomatisierung. Zusätzlich zum notwendigen Platz zur Anordnung aller Systemkomponenten sind Abstände zwischen bewegtem Roboterarm und Anlagenkomponenten einzuhalten, die zum Beispiel Kanten oder heiße Oberflächen aufweisen. Dabei zeigt sich, dass eine zusätzliche variabel einstellbare Konfiguration von sicheren Raumgrenzen einen Vorteil bringt, wenn so kritische Kontaktstellen, die sich nicht im notwendigen Bewegungsbereich befinden, sicher ausblendbar sind. Deren Einfluss auf den Platzbedarf korreliert jedoch stark mit den Stoppzeiten des Systems und bei hohen Stoppzeiten sind geschwindigkeitsabhängige Nachlaufwege zu berücksichtigen. Zusätzlich zur Betrachtung der Stoppzeiten müssen zur dynamischen Arbeitsraumüberwachung Detektionssensoren zur Umschaltung beim Bediener- eingriff eingesetzt werden. Diese kennzeichnen sich durch ihre Auflösung und die Auslösezeit, was sich in der nötigen Investition spiegelt. Die Entscheidung, wann bei einer Applikation eine Vollautomatisierung oder der Kollaborationstyp PFL oder SSM bei einer bestimmten Taktzeitanforderung favorisiert wird, ergibt sich meist durch eine Abwägung des Bedarfs an hohen Bewegungsgeschwindigkeiten in Relation zur Anzahl der notwendigen Bedienereingriffe.

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Im Falle einer reinen Pick-and-place-Anwendung mit hohen Bewegungsgeschwindigkeiten ist eine klassische Vollautomatisierung wirtschaftlicher, als wenn Kraftbegrenzungsfunktionalitäten zu einer Geschwindigkeitsbegrenzung führen oder eine dynamische Arbeitsraumüberwachung zusätzlich Kosten für Detektionssensoren verursacht. Anders sieht es hingegen bei einem kollaborativen Montageprozess aus, bei dem der Mensch in einen Teil des Prozesses direkt involviert ist und so der Roboter regelmäßig den kollaborativen Betrieb einnimmt.

Dazu müssen Geschwindigkeitsbegrenzungen eingestellt und durch eine Kraftbegrenzung können Systemstopps vermieden werden, unter denen die Gesamttaktzeit ansonsten leidet. Eine dynamische Arbeitsraumüberwachung ist dagegen zum Beispiel bei einer Anlage mit Maschinenbestückung von Vorteil, wenn der Bediener regelmäßig in die Anlage eintritt, diese dann die Geschwindigkeit nur in diesem Zeitraum reduziert, ansonsten aber mit voller Geschwindigkeit weiter arbeiten kann und somit die Kosten für die Detektionssensorik rechtfertigt, die gegenüber einer automatisierten Materialzuführung bei der Vollautomatisierung kostengünstiger ist. MM

* Dipl.-Math. techn. Susanne Oberer-Treitz ist Projektleiterin am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Tel. (07 11) 9 70 12 79, susanne.oberer-treitz@ipa.fraunhofer.de; Björn Matthias, Ph. D., ist Corporate Research Fellow, Robotic Automation, bei ABB Corporate Research, Tel. (0 62 03) 71 61 45, bjoern.matthias@de.abb.com

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