Barrierefreie Mensch-Maschinen-Kooperation in der Laborautomation

Mensch und Roboter: Arm in Arm

Mensch und Roboter arbeiten barrierefrei in ein und demselben Labor - was vor wenigen Jahren undenkbar war, wird nach Ansicht von Servicerobotik-Spezialisten künftig mit mobilen Leichtbaulösungen und elektrischer Leistungsbegrenzung zum Standard. Im Betriebslabor des Baustoffproduzenten Holcim in Lägerdorf wurde ein Transportroboter von Servus Robotics mit einem mobilen Leichtbauarm von Schunk kombiniert.

„Bei der Automatisierung unseres Betriebslabors war entscheidend, dass die Zementproduktion in Lägerdorf rund um die Uhr lückenlos überwacht ist“, erläutert Jörg Anders, stellvertretender Leiter Betriebslabor und Qualitätssicherung am Holcim-Standort Lägerdorf, wo Jahr für Jahr rund 1,6 Millionen Tonnen Zement produziert werden. Statt früher 85.000 Proben schafft die neue Anlage bis zu 150.000 Proben pro Jahr. Pro Tag sind bis zu 750 Analysen möglich, im Regelbetrieb werden derzeit 430 durchgeführt. Seitdem aus Gründen des Umweltschutzes sowie zur Kostensenkung immer häufiger Ersatzrohstoffe und Ersatzbrennstoffe wie Dachpappe, heizwertreiche Fraktionen aus Industrie- und Gewerbeabfällen, Destillationsrückstände oder geschredderte Rotorblätter ausrangierter Windenergieanlagen eingesetzt werden, ist der Analysebedarf deutlich gestiegen. In fest definierten Zyklen werden die Proben zumeist vollautomatisch aus der laufenden Produktion gezogen. Sobald die Laborwerte ermittelt sind, erscheinen sie auf den Bildschirmen der Prozesssteuerer im zentralen Leitstand der Anlage. Anhand der Daten werden die Qualität der Produktion des Zementrohrofens und der Zementmühlen überprüft und gesteuert sowie Rezepturen der Mischanlage für Kompositzemente kontrolliert.

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Performance der Serviceroboter entscheidet

Herzstück der Laborautomation sind zwei von Thyssen Krupp Polysius entwickelte Roboter-Shuttles, schienengeführte Transportroboter, die die Rohrpostempfänger, die Probenvorbereitung, die Probenrückstellung, das Ein- und Ausgabemagazin sowie die Analysatoren in eindrucksvoller Weise miteinander verketten. "Die Performance der Serviceroboter entscheidet über die Performance des gesamten Labors", so Jörg Anders. Statt auf komplett neu entwickelte Module zurückzugreifen, wurden beim akkubetriebenen Polab Shuttle zwei in der Servicerobotik bewährte Module kombiniert: Ein Transportroboter von Servus Robotics und ein fünfachsiger Leichtbauarm LWA-3.6 von Schunk. Im Gegensatz zu klassischen Industrierobotern sind diese Leichtbauarme gezielt darauf ausgelegt, wechselnde Tätigkeiten im unmittelbaren Umfeld des Menschen zu automatisieren beziehungsweise Prüf- und Montageaufgaben wahrzunehmen, bei denen eine dauerhaft hohe Präzision erforderlich ist. Ihre Wiederholgenauigkeit von plus/minus

0,1 Millimeter bietet auch dafür optimale Voraussetzungen. In der Regel werden die Leichtbauarme portabel, also ortsveränderlich, oder, wie in der Laborapplikation bei Holcim, sogar mobil eingesetzt. Bei einer batterietauglichen Spannungsversorgung von 24 Volt beträgt ihr durchschnittlicher Strombedarf unter drei Ampere.

Die Leistungsaufnahme liegt bereits serienmäßig unter 100 Watt, die maximale Zuladung beträgt sechs Kilogramm. Da die Antriebsverstärker und -regler unmittelbar in die Leichtbauarme eingebettet sind, benötigen sie keinen separaten Schaltschrank. Hinzu kommt, dass die Systemarchitektur offen gestaltet ist. Über ein flexibles Elektro- und Datenschnittstellenkonzept lassen sich die Arme in unterschiedlichste Anlagensteuerungen einbinden. Die komplette Steuer- und Regelelektronik der Arme ist in die Gelenkantriebe integriert. Position, Geschwindigkeit und Drehmoment sind flexibel regelbar. Dank integrierter Intelligenz, universeller Kommunikationsschnittstellen und Kabeltechnik für Datenübertragung und Spannungsversorgung lassen sie sich schnell und einfach in bestehende Steuerungskonzepte einbinden. Zudem können sie von Embedded-PCs gesteuert werden. Aufgrund der leichten, hochsteifen Konstruktion arbeiten sie energieeffizient, was sich bei mobilen Einsätzen in Form langer Laufzeiten auszahlt.

Leistungsaufnahme gedrosselt

Um die besonderen Anforderungen des barrierefreien Mensch-Maschine-Arbeitsraums zu erfüllen, wurde für die Leichtbauarme eine spezielle 80-Watt-Karte entwickelt, die gewährleistet, dass die maximale Leistungsaufnahme über den gesamten Greifprozess hinweg maximal 80 Watt beträgt. Zudem wurden einfache und kostengünstige Schutzeinrichtungen integriert. Damit entsprechen die Leichtbauarme sowohl den Vorgaben des TÜV als auch der DIN ISO EN 10218-1 (Industrieroboter-Sicherheitsanforderungen) für Roboter. Ohne den Einsatz von Abschrankungen, Barrieren oder einer aufwändigen Sensorik bewegen sich sowohl die Transportplattformen als auch die Leichtbauarme frei auf dem Schienensystem. Im Fall einer kritischen Situation stoppt die Anlage automatisch, so dass Schäden an Personen oder Laboreinrichtungen ausgeschlossen sind. Insbesondere wenn Mitarbeiter während Wartungsarbeiten an den Laborgeräten nicht auf die beiden Roboter-Shuttles achten oder Gegenstände auf die Schienen legen, werden Not-Stopps ausgelöst. Um die Störung aufzuheben, wird die Anlage lediglich neu synchronisiert. Zusammenstöße der beiden Plattformen werden mithilfe von Infrarotsensoren verhindert.

Das in dieser Form einzigartige Laborkonzept ermöglicht bisher unerreichte Freiheiten: Zusätzlich zum vollautomatischen Prüfprozess können Proben über spezielle Magazine manuell in den automatischen Prozess eingeschleust werden. Darüber hinaus ist es möglich, jeden Analysator von Hand zu bedienen, ohne dass der automatisierte Prozess unterbrochen wird. Dabei zahlt sich die hohe Redundanz der Anlagemodule aus, die gewährleistet, dass bei Ausfall, Wartung oder manueller Nutzung eines Moduls automatisch ein zweites Modul als Alternative zur Verfügung steht. Über Schleusen und Umsetzer kann jedes Roboter-Shuttle jede Apparatur erreichen. Zur Optimierung der Logistik sind die Shuttles mit jeweils zwei Ablageracks ausgestattet, die als mobiles Lager dienen. Effizient gelöst ist auch die Energieversorgung: Während der Leichtbauarm die Labormodule bedient, wird der Akku an speziell eingerichteten Stopp-Punkten aufgeladen. Die Lebensdauer der Akkus wird mit einem Jahr angegeben. Gesteuert werden die beiden Roboter-Shuttles mittels WLAN. Da es weder bewegte Kabel noch Schleifkontakte gibt, ist der Wartungsaufwand minimal.

bw

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