Schutzeinrichtungen in der Maschinenkonstruktion einplanen: Lichtvorhang, Laserscanner und Sicherheitsschalter aus Sicht des Maschinenbauers

Wenn eine Maschine zum ersten Mal anläuft, sind ihre Schutzeinrichtungen längst entschieden. Sie stehen im Lastenheft, im Layout und im Schaltplan, und jede spätere Änderung kostet Bauraum, Verdrahtung und Zeit. Dieser Leitfaden richtet sich an Elektrokonstrukteure, Sicherheitsfachleute und Projektingenieure von Sondermaschinenbauern und Integratoren. Er erklärt nicht noch einmal, welches Gerät grundsätzlich zu welcher Öffnung passt. Er folgt den Entscheidungen, die der Maschinenbauer trifft: wann das Sicherheitskonzept festgelegt wird, warum es sich nicht von Anlage zu Anlage kopieren lässt, wie aus einem Zaun ein Lichtvorhang oder ein Laserscanner wird, was der Bediener an der Maschine sieht und wer die Sicherheitstechnik liefert.

Die Beispiele stammen aus dokumentierten Anwendungen von Maschinenbauern, Integratoren und Betreibern: Anfragen, Konzepte, Komponentenlisten und Planungen. Welche Sicherheitsfunktion eine Station braucht und welche Kennwerte dafür gelten, ergeben sich aus der Risikobeurteilung und der Validierung der Anlage. Daran ändert keiner der folgenden Abschnitte etwas.

Wichtige Punkte im Überblick

Schutzeinrichtungen werden am besten mit der Komponentenauswahl und vor dem endgültigen Layout eingeplant, denn danach fehlt oft der Montageort für einen Laserscanner oder der Platz an einer Öffnung.
Ein bewährtes Sicherheitskonzept aus einem anderen Werk ist nur ein Ausgangspunkt, weil sich Abmessungen, Laufwege, Beladestellen und Steuerung der neuen Maschine unterscheiden und mit ihnen die Risikobeurteilung.
Ob Zaun, Lichtvorhang oder Laserscanner einen Zugang überwacht, ist eine Layoutfrage, und Feldgröße, Abstände sowie der Betrieb einer Zelle ohne trennende Schutzeinrichtung ergeben sich aus der Risikobeurteilung und der Validierung der Anlage.
Mehrere Sicherheits-Laserscanner der Modellreihe SZ-V lassen sich laut Katalog in einer Maschine an einer Anzeigeeinheit kaskadieren, mit vereinfachter Verkabelung und ohne gegenseitige Beeinflussung.
Der Konstrukteur klärt früh, wer die Sicherheitsbauteile liefert, denn in dokumentierten Fällen gibt der Endkunde das Lastenheft vor oder stellt die Bauteile selbst bei.

Früh im Lastenheft: wann die Schutzeinrichtung festgelegt wird

In der Anwendungspraxis wird die Absicherung einer neuen Maschine in Phasen entschieden. Ein Konstruktionsteam, das den Nachfolger einer bestehenden Produktionsmaschine entwickelt, plant sie in derselben Reihenfolge wie die übrigen Komponenten: zuerst die Untersuchung der in Frage kommenden Geräte, dann die Auswahl, danach das endgültige Layout und schließlich die Integration. Wer die Schutzeinrichtung erst nach dem Layout bedenkt, findet für einen Laserscanner keinen freien Montageort mehr oder muss eine Öffnung verbreitern.

Bei Sondermaschinen kommt die Vorgabe oft von außen. Ein Bauer von Montagemaschinen mit mehreren Einpressstationen arbeitet nach eigener Aussage streng nach Lastenheft; danach richtet sich auch, wie die Stationen abgesichert werden. In anderen Projekten wird die Auswahl gerade erst konkret: Für eine Anlage in Planung umfasst die Komponentenliste rund zehn Türschalter und einen Lichtvorhang, für eine neue Sondermaschine in der Konstruktionsphase wird ein Türschalter ausgewählt, und für eine Schraubermontage in einer neuen Anlage wird in der Konzeptphase ein Lichtvorhang in Betracht gezogen.

Für die Konstruktion stehen vier Gerätearten zur Wahl. Der Sicherheitslichtvorhang der Modellreihe GL-R und ein Kleiner und robuster Sicherheitslichtvorhang der Modellreihe GL-V sichern Öffnungen und Handarbeitsplätze, der Sicherheits-Laserscanner der Modellreihe SZ-V überwacht Flächen, der Sicherheitsschalter der Modellreihe GS sitzt an Türen und Klappen. Die beiden Lichtvorhänge gibt es laut Katalog je nach Typ mit einer Auflösung von ø14 mm (Fingerschutz), ø25 mm (Handschutz) oder ø45 mm (Körperschutz). Die Sicherheitssteuerung der Modellreihe GC fasst mehrere dieser Geräte in einer Auswertung zusammen. Der Auswahl an Schutztüren und der Sicherheitssteuerung in der Baureihe sind eigene Beiträge in diesem Themenbereich gewidmet.

Vom Konzept zur Maschine: warum eine Lösung nicht 1:1 übertragbar ist

Manchmal liegt ein bewährtes Sicherheitskonzept bereits vor, etwa aus einem anderen Werk. Bei einer Leimauftragslinie stammte die Vorlage von einem anderen Standort, und für die konkrete Maschine muss die Lösung neu entwickelt werden, weil sich das ursprüngliche Konzept nicht 1:1 übertragen lässt. Voraussichtlich kommen dort Laserscanner zum Einsatz, dazu Verriegelungen am Zaun auf der gegenüberliegenden Seite der Maschine.

Der Grund ist selten das Gerät. Die Abmessungen der Maschine, die Laufwege der Werker, die Stellen, an denen Material nachgelegt wird, und die Steuerung unterscheiden sich, und mit ihnen die Risikobeurteilung. Bei einem Bauer von Schweißanlagen für Filterschläuche heißt es dazu nur knapp, eine umfängliche Absicherung sei schwer. Dort steht der Vergleich zwischen Laserscanner und Lichtvorhang noch an. Bei einem größeren Maschinenbauer teilen sich zudem mehrere Projektingenieure Prozess- und Sicherheitstechnik; in solchen Fällen gehört die Abstimmung zwischen beiden in den Projektplan.

Zaun, Lichtvorhang oder Laserscanner: Zugänge im Layout planen

Ein Schutzzaun kostet Fläche und versperrt Wege. Bei Roboterzellen ohne Branchenprozess und bei Sonderanlagen ist das ein typischer Anlass, über Lichtvorhang oder Laserscanner nachzudenken, und zwar als Layoutfrage.

Für eine Bin-Picking-Zelle bei einem Maschinenbauer wurden zwei Varianten skizziert: den Zaun auf beiden Seiten nach vorn ziehen und die Front mit einem Lichtvorhang schließen, oder die Fläche mit einem Laserscanner überwachen. Mit einem selbstständigen Automatisierungsplaner wurde andiskutiert, einen Zaun durch mehrere kaskadierte Laserscanner zu ersetzen. An einem Wickelwagen einer Faserverbundanlage, den der ursprüngliche Hersteller nachrüsten soll, stehen zwei Laserscanner oder ein Laserscanner mit mehreren Lichtvorhängen zur Wahl. In einem weiteren Fall wurde entschieden, einen Bereich statt mit einem geplanten Schnelllauftor mit einem Laserscanner abzusichern.

Besonders deutlich wird die Layoutfrage an einer Beladezone, an der Flurförderzeuge vorbeifahren. Der Maschinenbauer würde die Laserscanner in die linke und rechte Ecke setzen statt in eine Aussparung in der Mitte.

Laut Katalog lassen sich mehrere Sicherheits-Laserscanner der Modellreihe SZ-V in einer Maschine an einer Anzeigeeinheit kaskadieren, mit vereinfachter Verkabelung und ohne gegenseitige Beeinflussung. Für die Montage am Boden gibt es einen Halter mit einer metallischen Schutzabdeckung gegen herabfallende Gegenstände. Die Schutzzone lässt sich laut Katalog mit maximal 8,4 m im Radius programmieren; laut technischen Daten gilt dieser Wert im Standardmodus, bei kleinerer erkennbarer Objektgröße ist die maximale Schutzzone kleiner. Feldgröße, Abstände und die Frage, ob eine Zelle ohne trennende Schutzeinrichtung betrieben werden darf, ergeben sich aus der Risikobeurteilung und der Validierung der Anlage. Wie Schutzfeld und Warnfeld um einen Roboter angeordnet werden, zeigt bereits der Beitrag zur Sensorik rund um den Verpackungsroboter.

Prototyp, Prüfzelle, Vorrichtung: Absicherung in Sonderanlagen

Sonderanlagen haben selten ein Vorbild. Eine Prototypenlinie für die manuelle Montage, nach deren Muster bereits eine Standardanlage steht, soll abgesichert werden, weil künftig auch Kunden die Anlage besichtigen; angefragt sind zwei Laserscanner mit einer Anzeigeeinheit an der Anlage, an einer weiteren Stelle ein Türschalter und ein Lichtvorhang. In Prüfzellen für Hochspannungstests soll niemand während der Prüfung in die Zelle greifen können; geplant sind mehrere Lichtvorhangpaare.

Auch kleine Projekte gehören dazu. Für eine im eigenen Haus gebaute Vorrichtung, in der ein Motor mit hoher Drehzahl läuft, wurde ein Türschalter angefragt. Für einen Maschinenteil zur Handhabung schwerer Gewichte wurde ein Konzept mit einem Lichtvorhang und Laserscannern ausgearbeitet, und für eine weitere neue Maschine stehen Bauform des Lichtvorhangs und Halterung zur Auswahl.

Gemeinsam ist diesen Fällen, dass Konstruktion und Absicherung parallel entstehen. Den Sicherheitsschalter der Modellreihe GS-M beschreibt der Katalog als so kompakt, dass er auch in kleinen Maschinen Platz findet. Kommen viele Türen und Lichtvorhänge in einer Maschine zusammen, schließt die Sicherheitssteuerung der Modellreihe GC sie laut Katalog über GC-Link mit jeweils einem einzigen Kabel an.

Was der Bediener sieht: Statusanzeige und Anzeigeeinheit

Eine Schutzeinrichtung, die stoppt, ohne dass jemand den Grund erkennt, kostet Zeit an der Maschine. In einer dokumentierten Anfrage gehört deshalb die Montage einer Anzeigeeinheit an der Anlage ausdrücklich dazu.

Lichtvorhang: Die integrierte Statusanzeige des GL-V zeigt laut Katalog aus jedem Blickwinkel, ob der Lichtvorhang frei, unterbrochen, verschmutzt oder gestört ist, gleichzeitig an Sender und Empfänger. Die interaktive Anzeige kann zusätzlich Statusinformationen der Maschine darstellen, eine 360-Grad-Statuslampe ist als Option erhältlich.
Laserscanner: Die abnehmbare Anzeigeeinheit des SZ-V zeigt Status, eingestellte Felder, auf Wunsch ein Kamerabild, Einstellungen und den Erkennungsverlauf. Das Kameramodell blendet die Scanebene in das Kamerabild ein, was die Inbetriebnahme vereinfacht; im Verlauf werden laut Katalog Zeitpunkt und Dauer einer Abschaltung sowie die Position der Erkennung gespeichert.
Sicherheitsschalter: Beim GS-M zeigt eine große Status-LED laut Katalog auch aus der Entfernung, ob die Zugänge einer Maschine offen oder geschlossen sind, selbst wenn der Schalter innen sitzt.

Welche Anzeige wohin gehört, lässt sich mit dem Bedienkonzept der Maschine festlegen, im selben Schritt wie die Position der Geräte.

Wer liefert die Sicherheitstechnik, und wer rüstet nach

Nicht immer wählt der Maschinenbauer die Geräte selbst. In dokumentierten Fällen kann der Endkunde das Lastenheft vorgeben, an anderer Stelle kommt die Sicherheitstechnik vom Endkunden oder vom Systemlieferanten. Ein Endkunde hat entschieden, die Sicherheitsbauteile selbst bereitzustellen und dem Maschinenbauer beizustellen, um die Nachverfolgung zu vereinfachen. Für den Konstrukteur heißt das: Er klärt früh, wer welche Geräte liefert, und plant Halter, Kabelwege und Anschluss an die Steuerung danach.

Bestehende Maschinen werden in den dokumentierten Fällen von einem Integrator oder vom ursprünglichen Hersteller nachgerüstet. So sucht ein Betreiber für zwei Falzlinien einen Integrator, der dort Lichtvorhänge anbringt. Bauraum und Montage geben in solchen Projekten viel vor; der Sicherheitsschalter der Modellreihe GS lässt sich laut Katalog nachträglich zu einer Anlage hinzufügen. Welche Funktion und welche Kennwerte die nachgerüstete Absicherung braucht, ergeben sich aus der Risikobeurteilung und der Validierung der Anlage.

Häufige Fragen

F Wann sollten Schutzeinrichtungen in die Konstruktion einer Maschine aufgenommen werden?

Am besten mit der Komponentenauswahl und vor dem endgültigen Layout. In einem dokumentierten Projekt wird die Absicherung in denselben Phasen geplant wie die übrigen Komponenten: Untersuchung, Auswahl, Layout, Integration. Später fehlt oft der Montageort für einen Laserscanner oder der Platz an einer Öffnung.

F Lässt sich ein Sicherheitskonzept von einer Anlage auf die nächste übertragen?

Nur als Ausgangspunkt. Abmessungen, Laufwege, Beladestellen und Steuerung unterscheiden sich, und mit ihnen die Risikobeurteilung. Welche Sicherheitsfunktion und welche Kennwerte die neue Maschine braucht, ergeben sich aus der Risikobeurteilung und der Validierung der Anlage.

F Können mehrere Sicherheits-Laserscanner an einer Maschine gemeinsam betrieben werden?

Ja. Laut Katalog lassen sich mehrere Sicherheits-Laserscanner der Modellreihe SZ-V in einer Maschine an einer Anzeigeeinheit kaskadieren, mit vereinfachter Verkabelung und ohne gegenseitige Beeinflussung. In dokumentierten Konzepten sind sie etwa für die Ecken einer Beladezone oder anstelle eines Zauns vorgesehen.

F Was zeigen Lichtvorhang, Laserscanner und Sicherheitsschalter dem Bediener an?

Der Sicherheitslichtvorhang der Modellreihe GL-V zeigt laut Katalog an Sender und Empfänger, ob er frei, unterbrochen, verschmutzt oder gestört ist. Die Anzeigeeinheit des SZ-V zeigt Status, Felder, optional ein Kamerabild und den Erkennungsverlauf. Beim Sicherheitsschalter der Modellreihe GS-M zeigt eine große Status-LED, ob die Zugänge offen oder geschlossen sind.

F Wer liefert die Sicherheitsbauteile, Maschinenbauer oder Endkunde?

Beides kommt vor. Manchmal gibt das Lastenheft des Endkunden die Absicherung vor, in einem dokumentierten Fall stellt der Endkunde die Sicherheitsbauteile selbst bei, um die Nachverfolgung zu vereinfachen. Der Maschinenbauer klärt das am besten vor der Konstruktion von Haltern und Kabelwegen.

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