Zugangsschutz an der automatisierten Werkzeugmaschine: Roboterzelle, Cobot und Beschickung in der Metallbearbeitung

Wenn ein Roboter eine Drehmaschine oder ein Bearbeitungszentrum beschickt, verschwindet der Mensch nicht aus der Zelle. Er bringt Rohteile, holt Fertigteile, wechselt Werkzeuge, entfernt Späne und behebt Störungen. Dieser Beitrag richtet sich an Produktions- und Automatisierungsingenieure, die einen Zerspanungs-, Polier- oder Biegeschritt automatisieren, und an Integratoren solcher Zellen im Metallbetrieb. Er setzt dort an, wo der Beitrag zur Roboterbeladung von Werkzeugmaschinen aufhört: bei der Person neben der Zelle. Die Fälle stammen aus dokumentierten Anwendungen und sind Anfragen, Vorschläge und Planungen; keiner beschreibt eine abgenommene Anlage. Kennwerte nennt der Beitrag nicht. Sicherheitsfunktion, Feldgrößen und Abstände ergeben sich aus der Risikobeurteilung und der Validierung der Anlage.

Wichtige Punkte im Überblick

Die Zugänge einer automatisierten Zelle werden über eine Liste geplant: wer die Zelle betritt, wie oft, wozu und von welcher Seite.
In dokumentierten Anwendungen überwacht ein Sicherheits-Laserscanner die Fläche des Roboters, ein Sicherheitslichtvorhang die Beschickungsöffnung und ein Sicherheitsschalter die Maschinentür, wobei Lage, Feldgrößen und Abstände sich aus der Risikobeurteilung und der Validierung der Anlage ergeben.
Ob eine Zelle mit Cobot ohne trennende Schutzeinrichtung betrieben werden darf, ist das Ergebnis einer Risikobeurteilung und keine Eigenschaft der Kinematik.
Das Layout der Schutzeinrichtungen lässt sich am Prototyp so festlegen, dass es auf weitere Zellen übertragbar ist, jede Zelle bekommt trotzdem ihre eigene Risikobeurteilung und Validierung.
Laut Benutzerhandbuch verhindert ein Sicherheitsschalter der Modellreihe GS mit Zuhaltung zusammen mit einer sicherheitstechnischen Steuerung das Öffnen einer Tür während des gefährlichen Betriebs, an welche Tür er gehört, ergibt sich aus der Risikobeurteilung und der Validierung der Anlage.

Der Roboter beschickt, der Werker rüstet: wo Mensch und Zelle sich begegnen

In einer automatisierten Zerspanungszelle gibt es typischerweise drei Stellen, an denen Mensch und Bewegung aufeinandertreffen. Die erste ist die Fläche, in der der Roboter schwenkt. Die zweite ist die Beschickungsseite, an der Rohteile auf Paletten, in Schubladen oder auf einem Band bereitgestellt werden. Die dritte ist die Tür der Werkzeugmaschine selbst, hinter der Spindel und Werkzeug arbeiten.

Jede dieser Stellen hat ihren eigenen Rhythmus. Die Beschickung wird mehrmals pro Schicht nachgefüllt, die Maschinentür öffnet beim Rüsten und bei Störungen, die Roboterfläche betritt man vor allem bei der Wartung. Wer die Zelle plant, ordnet deshalb jeder Stelle eine Geräteart zu, statt die ganze Zelle mit einer einzigen Lösung abzudecken. Späne und Kühlschmierstoff, die aus dem Arbeitsraum austreten, bleiben dabei Sache der Maschinenverkleidung; ein Lichtvorhang schützt laut Anleitung nicht gegen Teile, die aus dem Gefahrenbereich austreten.

Fläche und Öffnung: Laserscanner am Boden, Lichtvorhang an der Beschickung

Soll eine Zerspanungsmaschine vollständig automatisiert werden, kommen beide Aufgaben in einer Zelle zusammen. Die Rollen lassen sich so verteilen: Ein Sicherheits-Laserscanner der Modellreihe SZ-V überwacht die Fläche am Boden, in der sich der Roboter bewegt. Ein Sicherheitslichtvorhang der Modellreihe GL-R sichert die Ebene, durch die Teile nachgelegt werden.

Für eine CNC-Fräsmaschine ohne Roboter wurde ein Lichtvorhang angefragt. Auch dort entscheidet die Risikobeurteilung, welche Höhe und welche Lage der Lichtvorhang braucht.

Für die Planung der Fläche helfen ein paar Fragen:

Wo stehen feste Elemente wie Maschinenfuß, Robotersockel, Späneförderer und Paletten, die den Blick des Scanners verstellen?
Wie groß ist die Fläche, die der Roboter tatsächlich erreicht, und wo endet sie an der Maschine?
Von welcher Seite kommt der Werker, wenn er die Beschickung füllt, und muss er dafür die Fläche betreten?

An Werkzeugmaschinen kommt die Umgebung hinzu. Kühlschmierstoff, Ölnebel und Späne erreichen auch den Boden vor der Maschine. Ob sie am Montageort von Scanner und Lichtvorhang zulässig sind und wie oft die Frontscheibe gereinigt werden muss, ist am Benutzerhandbuch der jeweiligen Modellreihe zu prüfen, bevor der Montageort feststeht. Lage, Feldgrößen und Abstände ergeben sich aus der Risikobeurteilung und der Validierung der Anlage.

Vom Prototyp zur Zelle an mehreren Maschinen, und die veränderliche Zelle

Eine Roboterzelle für das Handling an CNC-Fräsmaschinen soll zunächst als Prototyp entstehen; danach sind für einen Standort weitere Systeme vorgesehen. Geplant ist die Fläche mit Sicherheits-Laserscannern. Für diesen Weg lohnt es sich, das Layout der Schutzeinrichtungen schon am Prototyp so festzulegen, dass es sich auf die folgenden Zellen übertragen lässt: gleiche Anordnung von Scanner, Beschickung und Tür, gleiche Zugänge. Jede Zelle bekommt trotzdem ihre eigene Risikobeurteilung und Validierung, denn Aufstellort, Wege und Nachbarmaschinen unterscheiden sich. Der Prototyp zeigt außerdem früh, ob die geplanten Zugänge im Alltag passen: ob der Werker die Beschickung erreicht, ohne Umwege zu gehen, ob Späne und Teile dort liegen bleiben, wo der Scanner hinblickt, und ob die Tür dort sitzt, wo gerüstet wird. Solche Erkenntnisse sind am ersten Aufbau leichter umzusetzen als an einer späteren Zelle.

Anders liegt der Fall einer Roboterzelle in einem Blechbetrieb, die sich im Laufe der Zeit verändern soll. Geplant sind dort Sicherheits-Laserscanner, Sicherheitsschalter und eine Sicherheitssteuerung der Modellreihe GC, die mehrere Geräte auswertet. Für eine solche Zelle lohnt es sich, schon beim ersten Aufbau festzuhalten, welche Zugänge, Flächen und Türen es gibt. Jeder Umbau geht dann als Änderung dieser Liste in eine neue Risikobeurteilung ein, und es bleibt nachvollziehbar, welche Schutzeinrichtung zu welchem Zugang gehört.

Cobot mit Kraftschritt: was die Risikobeurteilung über den Bereich entscheidet

Die Anfrage zu einer Poliermaschine für Kolbenstangen, bei der ein Cobot volle Kisten über eine Rollenbahn schiebt, ist im Hauptbeitrag dieses Themas beschrieben. Für einen einzelnen Schritt, das Weiterschieben der vollen Kisten, braucht der Cobot laut Anfrage mehr Kraft, als er haben dürfte. Dieser Schritt soll nur laufen, wenn niemand im Bereich steht.

Ob eine Zelle ohne trennende Schutzeinrichtung betrieben werden darf, ist das Ergebnis einer Risikobeurteilung, keine Eigenschaft der Kinematik. Für die Planung folgt daraus, den Ablauf in Schritte zu zerlegen und für jeden Schritt festzuhalten, ob ein Mensch im Bereich sein darf. Wo das nicht der Fall ist, muss eine Schutzeinrichtung den Bereich erfassen. In der Anfrage kam ein Lichtgitter nicht in Frage, gedacht ist an einen Scanner über dem Bereich. Ob und wie ein Sicherheits-Laserscanner so montiert werden kann, beantwortet sein Benutzerhandbuch. Was bei Betreten des Bereichs geschieht, ergibt sich aus der Risikobeurteilung und der Validierung der Anlage.

Rüsten, Nachlegen, Störung beheben: wann der Werker in die Zelle muss

Eine Zelle, die im Automatikbetrieb niemand betritt, gibt es selten. Die Beschickung wird nachgefüllt, ein Werkzeug gewechselt, ein verklemmtes Teil entnommen. Jede dieser Tätigkeiten braucht einen Zugang, und jeder Zugang braucht eine Schutzeinrichtung, die zur Häufigkeit passt. Ein Zugang, der mehrmals pro Schicht genutzt wird, ist mit einer Tür, die jedes Mal aufgeschlossen werden muss, schlecht bedient. Für einen Zugang, der nur zur Wartung geöffnet wird, steht in dokumentierten Anwendungen meist eine Tür mit Sicherheitsschalter.

Bei der Planung hilft eine einfache Liste: Wer betritt die Zelle, wie oft, wozu und von welcher Seite? Aus dieser Liste ergibt sich, wo ein Lichtvorhang an einer Öffnung, wo ein Scanner auf einer Fläche und wo eine Tür mit Sicherheitsschalter steht. Ob die Zelle beim Betreten anhält oder nur ein Teil der Bewegungen stoppt, ergibt sich aus der Risikobeurteilung und der Validierung der Anlage.

Ein Punkt wird dabei oft übersehen: die Beschickung selbst. Wird sie von außen gefüllt, während der Roboter auf der anderen Seite Teile entnimmt, liegen Mensch und Roboter nur durch die Breite des Bereitstellplatzes auseinander. Wie die Beschickung gestaltet wird, damit der Werker nachlegen kann, ohne den Bereich des Roboters zu erreichen, gehört deshalb früh in das Layout der Zelle.

CNC-Tür und Stangenlader: Zuhaltung an der Werkzeugmaschine

An Drehmaschinen mit Stangenladern sind viele Klappen und Türen abzufragen. Der Lader ist lang, wird mit Stangen nachgefüllt und hat eigene Abdeckungen, die Maschine hat ihre Arbeitsraumtür. Beide werden im Alltag oft geöffnet, und für beide legt die Risikobeurteilung fest, welche Bewegung bei geöffneter Tür oder Klappe stehen muss. In einer Instandhaltung, die zahlreiche Stangenlader betreut, ist an den Ladern eine Zuhaltung gewünscht, die sich flexibel anbringen lässt. Auch für CNC-Türen sind Zuhaltungen geplant.

Laut Benutzerhandbuch lässt sich mit einem Sicherheitsschalter der Modellreihe GS mit Zuhaltung und einer sicherheitstechnischen Steuerung das Öffnen einer Tür während des gefährlichen Betriebs verhindern. Die Modellreihe kann laut Anleitung auch zum Schutz von Fertigungsprozessen eingesetzt werden. Welche Bauform an welche Tür gehört, ergibt sich aus der Risikobeurteilung und der Validierung der Anlage.

Häufige Fragen

F Welche Schutzeinrichtung gehört an eine Roboterzelle, die eine CNC-Maschine beschickt?

In dokumentierten Anwendungen überwacht ein Sicherheits-Laserscanner die Fläche, in der der Roboter arbeitet, ein Sicherheitslichtvorhang die Beschickungsöffnung und ein Sicherheitsschalter die Maschinentür. Lage, Feldgrößen und Abstände ergeben sich aus der Risikobeurteilung und der Validierung der Anlage.

F Darf ein Cobot an der Werkzeugmaschine ohne Zaun arbeiten?

Ob eine Zelle ohne trennende Schutzeinrichtung betrieben werden darf, ist das Ergebnis einer Risikobeurteilung, keine Eigenschaft der Kinematik. Braucht ein einzelner Schritt mehr Kraft, als der Cobot haben darf, legt die Risikobeurteilung fest, wie dieser Schritt abgesichert wird.

F Lässt sich die Absicherung eines Prototyps auf weitere Zellen übertragen?

Das Layout der Schutzeinrichtungen lässt sich übernehmen, wenn Anordnung und Zugänge gleich bleiben. Jede Zelle braucht trotzdem ihre eigene Risikobeurteilung und Validierung, weil sich Aufstellort und Umgebung unterscheiden.

F Wozu dient eine Zuhaltung an CNC-Tür und Stangenlader?

Laut Benutzerhandbuch verhindert ein Sicherheitsschalter der Modellreihe GS mit Zuhaltung zusammen mit einer sicherheitstechnischen Steuerung das Öffnen einer Tür während des gefährlichen Betriebs. Die Anleitung nennt auch den Schutz von Fertigungsprozessen als Einsatzzweck. Ob eine Tür eine Zuhaltung braucht, ergibt sich aus der Risikobeurteilung.

F Schützt der Lichtvorhang an der Beschickung vor Spänen?

Nein. Laut Anleitung bietet der GL-R keinen Schutz gegen Teile, die aus dem Gefahrenbereich austreten. Späne und Kühlschmierstoff hält die Verkleidung der Werkzeugmaschine zurück.

F Wie werden die Zugänge einer automatisierten Zelle geplant?

Mit einer Liste, wer die Zelle wie oft, wozu und von welcher Seite betritt. Daraus folgt, wo ein Lichtvorhang an einer Öffnung, ein Scanner auf einer Fläche oder eine Tür mit Sicherheitsschalter steht. Funktion und Lage jeder Schutzeinrichtung ergeben sich aus der Risikobeurteilung und der Validierung der Anlage.

Weiterführende Artikel

Übergeordnete Themenseite: Gefahrstellen an Maschinen und Anlagen absichern: welche Schutzeinrichtung an welche Öffnung, Fläche und Tür gehört

Hauptartikel zum Thema: Gefahrstellen in der Metallbearbeitung absichern: Presse, Biegeanlage, Walzwerk, Säge und Roboterzelle

Weiterer Artikel im Thema: Zugangsschutz an Presse, Stanze und Biegeanlage: Lichtvorhang, Laserscanner und die Grenzen laut Anleitung