Technologien für die automatisierte Maschinensicherheit

Sep 07, 2023

Der Sender des Lichtvorhangs enthält eine Reihe von LEDs, die eine Reihe synchronisierter, paralleler Infrarotlichtstrahlen auf den Empfänger projizieren. Foto mit freundlicher Genehmigung der Keyence Corp. of America

Die Sicherheit der Arbeitnehmer zu gewährleisten, ist für jeden Hersteller eine tägliche Herausforderung, insbesondere für diejenigen, die eine oder mehrere automatisierte Montagelinien betreiben. Um dieses Ziel zu erreichen, stellen viele Unternehmen sicher, dass ihre Maschinen mit sensorbasierten Sicherheitskomponenten ausgestattet sind, die den ANSI-, ISO-, ISA- und OSHA-Standards entsprechen. Dazu gehören Lichtvorhänge, Laserscanner sowie Sicherheitssteuerungen, Encoder und Sicherheitsschalter.

Lichtvorhänge helfen der Robert Bosch GmbH, die Arbeitssicherheit und Produktivität in ihrem Werk für Mobilitätslösungen in Toluca, Mexiko, zu verbessern. Die von Keyence Corp. of America hergestellten Vorhänge der GL-R-Serie werden um eine Maschine herum verwendet, die Nadellager in eine Motorwelle einbaut. An der Arbeitsstation, in der sich diese Maschine befindet, werden auch mehrere Montageprozesse überprüft.

Steve Nyerges, Projektmanager im Bereich Total Sensing Solutions bei Keyence, sagt, dass die Verkürzung der Zykluszeiten in der Produktionslinie ein weiterer Grund für die Installation der Lichtvorhänge bei Bosch im Jahr 2014 war. Die Zykluszeit sank von 14 Sekunden auf 12,3 Sekunden, wodurch die Leistung der Maschine gesteigert wurde von 257 auf 292 Teile pro Stunde.

„Früher benötigte der physische Schutz der Maschine zusätzliche 2 Sekunden für den Zyklus“, erklärt Nyerges. „Der Bediener musste warten, bis die Tür vollständig geschlossen war, bevor er den Zyklus startete. Jetzt stoppt die Maschine automatisch, wenn der Vorhang durch eine Person oder einen Gegenstand unterbrochen wird.“

Die Sicherheit von CNC-Drehmaschinenbedienern hat für den Kraftübertragungshersteller Tsubakimoto Chain Co. große Priorität. Shawn Martel, Vizepräsident und Vertriebsingenieur bei PowerSafe Automation (PSA), einem Systemintegrator, sagt, dass PSA jede Drehmaschinenspindel mit einem Encoder, einem Proximity-Encoder, ausstattet Sensor und ein berührungsloser Türverriegelungsschalter zur Optimierung der Bedienersicherheit.

„Starke Schutzvorrichtungen und eine Tür mit Griff umschließen die Drehmaschine“, bemerkt Martel. „Wenn der Arbeiter früher die Tür öffnete, drehte sich die Spindel etwa 15 Sekunden lang, bevor sie anhielt. Wenn man heute zu nahe an der Drehmaschine steht, schaltet der Näherungssensor die Maschine ab. Sobald die Spindel stoppt, wird der Verriegelungsmechanismus der Tür geschlossen freigegeben."

Diese automatische Maschinenabschaltung schützt Arbeiter vor schweren Schnittverletzungen sowie vor Quetschungen, Brüchen, Luxationen und Amputationen von Fingern und Händen. Ebenso wichtig: Verriegelungsschalter und andere Sicherheitsprodukte ermöglichen es Herstellern, kostspielige OSHA-Bußgelder zu vermeiden und gleichzeitig den normalen Maschinenbetrieb aufrechtzuerhalten. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass diese Technologien einfacher denn je zu implementieren und zu warten sind.

Lichtvorhänge erfreuen sich seit ihrer Einführung in den 1950er Jahren als Technologie zur Produkterkennung deutlich wachsender Beliebtheit. Die Vorhänge sollten nur verwendet werden, wenn eine oder alle der folgenden Bedingungen zutreffen: Die Maschine kann überall in ihrem Zyklus oder Hub kontinuierlich und sofort anhalten; Arbeiter müssen den bewachten Bereich häufig betreten; und physische Wachen wären ein Hindernis. Lieferanten geben an, dass Lichtvorhänge niemals an Maschinen mit Kupplung oder an Maschinen verwendet werden sollten, die vor dem Abschalten eine vollständige Umdrehung erfordern.

Ursprünglich verwendeten Lichtvorhänge aneinandergereihte Glühlampen mit einer entsprechenden Reihe von Lichtdetektoren. Der heutige Lichtvorhang ist ein länglicher fotoelektrischer Sensor, der aus einem Sender und einem Empfänger besteht. Der Sender enthält eine Reihe von LEDs, die eine Reihe synchronisierter, paralleler Infrarotlichtstrahlen auf den Empfänger projizieren. Wenn ein undurchsichtiger Gegenstand einen der Strahlen blockiert, sendet der Lichtvorhang ein Stoppsignal an die überwachte Maschine.

Der Lichtvorhang Typ 4 der GL-R-Serie von Keyence verfügt über eine 9 Millimeter breite vertiefte Linsenoberfläche, die den Vorhang vollständig vor Stoßschäden schützt. Es verfügt außerdem über ein 3 Millimeter dickes Gehäuse aus extrudiertem Aluminium, ein einadriges Verkabelungssystem und Schnellmontagehalterungen. Durch das Verkabelungssystem kann der Sender des Vorhangs mit einem einzigen Kabel direkt an den Empfänger angeschlossen werden, wodurch Fehlverkabelungen erheblich reduziert werden. Schnellmontagehalterungen werden in den hinteren Kanal des Vorhanggehäuses geschraubt und ohne spezielle Schutzvorrichtungen am Rahmen der Standardausrüstung befestigt.

„Hersteller in vielen Branchen verwenden Lichtvorhänge, weil sie einen wirksamen Ersatz für harte Schutzvorrichtungen darstellen“, sagt Nyerges. „Lichtvorhänge erfreuen sich besonders großer Beliebtheit bei Automobil-OEMs sowie bei Tier-1- und Tier-2-Unternehmen, die kleinere Maschinen bedienen, beispielsweise solche zur Montage von Brennstäben.“

Martel sagt, dass 90 bis 95 Prozent der Vorhanginstallationen seines Unternehmens einfach sind und nur geringe Ausfallzeiten erfordern. Die Verkabelung verläuft direkt von den Vorhängen zu einem speziell angefertigten Sicherheitskasten, um eine zuverlässige Signalkommunikation zwischen Sender und Empfänger zu gewährleisten.

Die Auflösung des Lichtvorhangs – das kleinste Objekt, das er erkennen kann – hängt davon ab, was erkannt werden muss. Für die Fingererkennung wird eine Auflösung von 12 bis 14 Millimetern verwendet, für die Handerkennung sind 30 Millimeter Standard und für die Personenerkennung 100 bis 300 Millimeter.

Im vergangenen April stellte OMRON Automation and Safety seine Lichtvorhänge der F3SG-RR-Serie mit einem ölbeständigen Metallgehäuse der Schutzart IP67G vor. Die Vorhänge sind besonders effektiv in Arbeitsbereichen, in denen CNC-Bearbeitungszentren und andere Maschinen, die Öl verwenden, betrieben werden, bemerkt Matt Dodds, Marketingmanager für Sicherheitsprodukte bei OMRON. Bis zu drei Vorhänge können kaskadenförmig in Reihe geschaltet werden, um unterschiedliche Schutzhöhen zu berücksichtigen und ein Array von bis zu 255 Strahlen in der Erfassungsebene zu erzeugen.

Die Auflösung beträgt wahlweise 14 oder 30 Millimeter. Der optische Bereich ist bei beiden Modellen komplett mit Gummi überzogen, um eine auslaufsichere Abdichtung zu gewährleisten. Die Smartclick-Konnektivität gewährleistet eine zuverlässige Verbindung und beschleunigt die Installation. Der Installateur steckt einfach jedes M12-Kabel des Vorhangs in einen passenden Steckverbinder, dreht es um 1/8 Umdrehung und hört ein Klicken.

„Die EZ-SCREEN LS-Vorhänge von Banner Engineering wurden speziell für den Schutz verschiedener Arten kleiner Montagestationen entwickelt“, sagt John Klesk, technischer Marketingmanager bei Banner. Zweifarbige Ausrichtungsanzeigen, die über die gesamte Länge des Empfängers integriert sind, helfen Installateuren und Wartungsarbeitern. Grüne Lichter zeigen an, dass der Sensor richtig ausgerichtet ist und das Empfängerfenster sauber ist. Die Lichter leuchten rot, wenn ein Bereich des Sensors falsch ausgerichtet ist oder das Fenster verschmutzt ist. Ein dickes Aluminiumgehäuse, Endkappen aus Metall und ein eingelassenes Fenster verhindern Schäden durch Stöße. Optionale Fernanzeigen ermöglichen die Anzeige des Vorhangstatus aus der Ferne, um die Produktivität in einer Lean-Manufacturing-Umgebung zu unterstützen.

Die Herausforderung, große Gefahrenbereiche abzusichern, lässt sich am besten mit einem Sicherheits-Laserscanner meistern, der sowohl stationär als auch mobil eingesetzt werden kann. Bei diesem Scannertyp handelt es sich um ein optoelektronisches Gerät, das die diffuse Reflexion des emittierten Lichts nutzt, um das Eindringen einer Person oder eines Objekts in einen bestimmten Bereich, beispielsweise das Innere von Roboterarbeitszellen, zu erkennen.

„Hersteller installieren zunehmend Sicherheits-Laserscanner anstelle von Sicherheitsmatten für große Schutzanwendungen“, behauptet Jason Hitchcock, Anwendungstechnik-Manager bei ATC Automation, einem Integrator für Montageautomatisierung und Testsysteme. „Das liegt daran, dass die Scanner einfacher zu programmieren sind und kostengünstiger und robuster sind. Außerdem beanspruchen die Matten wertvolle Bodenfläche und sind anfällig für Abnutzung durch den Bediener und Schäden durch herunterfallende Teile.“

SICK stellt den Laserscanner microScan3 her, der die SafeHDDM-Technologie (High Definition Distance Measurement) nutzt, um Fehlauslösungen und damit verbundene Ausfallzeiten zu reduzieren. Tyler Glieden, nationaler Produktmanager bei SICK, sagt, dass SafeHDDM mehr als 80.000 Impulse pro Scan aussendet, was dazu führt, dass dem Scanner mehr Daten zur Auswertung zur Verfügung stehen. Diese Daten, kombiniert mit intelligenten Algorithmen, ermöglichen es dem Scanner, Staub, Umgebungslicht, Schweißfunken und Schmutz auf dem Bildschirm herauszufiltern.

Der Scanner ist kompakt, bietet aber eine Scanreichweite von 5,5 Metern und einen Scanwinkel von 275 Grad für die Bereichs- und Zugangssicherung. Es nutzt standardmäßige M12-Konnektivität und optionale Integration von CIP Safety über Ethernet/IP und bietet eine Diagnose per Knopfdruck. Laut Glieden wird der Scanner häufig von Automobilherstellern für Roboterschweiß- und Montageanwendungen eingesetzt.

Mit einer Winkelauflösung von bis zu 0,071 Grad detektieren die Detektionsscanner der Serie R2000 von Pepperl & Fuchs problemlos Objekte mit einer Breite von nur 1 Millimeter. Das Standardmodell vermeidet Kollisionen mit hervorstehenden Teilen an einem Regalbediengerät oder einer Hängeförderanlage, während das High-Density-Gerät für Roboteraufgaben konzipiert ist. Beide Modelle sind für 360-Grad-Scans geeignet, letzterer Scanner bietet jedoch 84.000 Scanpunkte pro Sekunde und eine optimierte Winkelauflösung bis hinunter zu 0,043 Grad.

Helge Hornis, Technologiedirektor bei Pepperl & Fuchs, sagt, dass die Pulse Ranging-Technologie im Scanner präzise Messungen und kurze Reaktionszeiten bei verschiedenen Umgebungs- und Objektbedingungen ermöglicht. Nachdem ein Bediener die Parameter direkt am Gerät eingestellt hat, stellt das interaktive Display des Scanners während des Betriebs Text-, Grafik- und Diagnoseinformationen bereit.

Der Sicherheitsscanner Keyence SZ-V verfügt über eine integrierte Kamera, die Bilder und Videos aufnimmt, wenn ein Objekt oder eine Person den geschützten Bereich betritt. Zu den Nutzern des Scanners zählen laut Nyerges auch Hersteller großer Produkte, etwa Reifen für Landmaschinen. Der Scanner bietet eine Schutzzone von 8,4 Metern, eine Warnzone von 26 Metern und ein Sichtfeld von 190 Grad.

Netzwerkkommunikation über Profinet, PROFIsafe, Ethernet/IP oder UDP ist möglich. Zu den weiteren Funktionen gehören ein abnehmbares Display, ein Systemspeicherstecker und eine Mehrzonenüberwachung.

Sowohl die Sicherheitssteuerungen SC26-2 als auch XS26-2 von Banner sind nun in der Lage, Daten über das Profinet-Kommunikationsprotokoll an angeschlossene Geräte zu senden. Der konfigurierbare SC26-2-Controller bietet Stopp- und Startfunktionen für Maschinen mit gefährlichen Bewegungen, während der XS26-2 bis zu acht E/A-Erweiterungsmodule unterstützt.

Klesk sagt, dass zu den Nutzern des SC26-2 mehrere Automobil-OEMs und Tier-1-Unternehmen, Hersteller medizinischer Geräte sowie Lebensmittel- und Getränkeunternehmen gehören. Zu den Roboteranwendungen gehören Schweißzellen und Palettiergeräte.

Beide Modelle können mit bis zu 256 virtuellen Statusausgängen konfiguriert werden, die zum Senden nicht sicherer Statussignale an SPS, Anzeigeleuchten und ähnliche Geräte verwendet werden können. Sie unterstützen auch virtuelle nicht sichere Eingänge, einschließlich manueller Rückstellung, Ein-Aus-Befehle, Mute-Aktivierung und Abbruch-Ausschaltverzögerung.

Die Sicherheitssteuerung der OMRON NX-SL5-Serie unterstützt die direkte Verbindung zu jedem Sicherheitsgerät über eine CIP Safety over Ethernet/IP-Verbindung. Es ist kompakt, leistungsstark und lässt sich problemlos an eine Vielzahl von Anwendungen anpassen, darunter Schutzgeräte, lokale oder Remote-I/O und Industrieroboter mit CIP-Sicherheitsanschluss. Der modulare Aufbau der Einheit ermöglicht eine skalierbare Erweiterung, von einem kleinen System mit wenigen E/A-Punkten bis hin zu großen Anwendungen, die bis zu 2.032 Punkte erfordern. Die Software Sysmac Studio ermöglicht die automatische Programmierung basierend auf einer Reihe von Bedingungen. Die Online-Überprüfung der Sicherheitsfunktionen protokolliert Arbeitsablaufdaten für eine vollständige Rückverfolgbarkeit.

Funktionale Sicherheits-Encoder generieren Informationen über Position, Winkel und Umdrehungszahlen, wobei der Schwerpunkt auf mechanischer und elektrischer Sicherheit liegt. Die RVS58S-Serie von Pepperl & Fuchs verfügt über eine Sinus-Cosinus-Schnittstelle und ist für 1.024 und 2.048 Impulszahlen geeignet. Sie sind TÜV-zertifiziert und in Anwendungen mit einem Sicherheitsintegritätslevel bis 3 gemäß der Norm IEC 61508 einsetzbar.

Hornis sagt, dass die Encoder häufig zur Überwachung von Motoren in Förder- und Materialtransportsystemen, Scherenhebebühnen und Walzpressen eingesetzt werden. Die Encoder liefern eine maximale Ausgangsfrequenz von 200 Kilohertz bei Betriebstemperaturen von -20 bis 80 °C. Sie sind für axiale Wellenlasten von 40 Newton bei 6.000 U/min oder 10 Newton bei 12.000 U/min ausgelegt; und radiale Wellenlasten von 60 Newton bei 6.000 U/min oder 20 Newton bei 12.000 U/min.

Jim ist leitender Redakteur von ASSEMBLY und verfügt über mehr als 30 Jahre redaktionelle Erfahrung. Bevor er zu ASSEMBLY kam, war Camillo Herausgeber von PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal und Milling Journal. Jim hat einen Abschluss in Englisch von der DePaul University.