Messtechnik für kollaborierende Roboter

KDMG - Kraft-Druck-MessgeräteKMG - Kraftmessgeräte

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Kollaboration?Ja, aber sicher!

Die Automatisierung von Produktionsprozessen mit-hilfe von Industrierobotern hat die Fertigungsland-schaft über den Zeitraum der letzten Jahrzehnte nachhaltig geprägt. Arbeitsschritte, die früher in Handarbeit von Fachpersonal erledigt worden sind, wurden an hochspezialisierte Handhabungsroboter übertragen.

Für den Arbeitsschutz bedeutete dies fast ausnahms-los Abschottung in Form von trennenden Schutzzäu-nen. Es musste stets sichergestellt sein, dass sich kein Personal im Arbeitsraum eines Roboters befin-den konnte. Zwar ermöglichte dies hinsichtlich ei-ner arbeitsschutztechnischen Risikobeurteilung eine recht einfach zu realisierende Sicherheitstechnik. Jedoch stellte der enorme Platzbedarf für einen Ro-boter-Arbeitsplatz nach diesem Konzept sicherlich einen der größten Nachteile dar.

Zusätzlich hat die Entwicklung der vergangenen Jahre klar aufgezeigt, dass der optimale Automati-sierungsgrad mancher Fertigungsprozesse tatsäch-lich ein Mittelweg aus Vollautomatisierung und rei-ner Handarbeit ist.

Das Schlagwort von heute lautet deshalb Mensch-Ro-boter-Kollaboration (MRK). Bei der MRK werden Mitarbeiter von so genannten kollaborierenden Ro-botern in vielfältiger Weise bei Handhabungsauf-gaben untersützt. Beispielsweise übernehmen diese das Handling schwerer Bauteile in mehreren aufei-nanderfolgenden Orientierungen und ermöglichen dem Montagepersonal so optimales Arbeiten.

Hinsichtlich des Arbeitsschutzes ergeben sich bei diesem Szenario völlig neue Anforderungen an den nun kollaborierenden Roboter. Kollisionsprävention und -erkennung, Drehmomentüberwachung und Kraftbegrenzung müssen nun ein ähnliches Schutz-nivea erreichen wie zuvor die trennenden Schutz-zäune um den Arbeitsraum.

Intensive Studien waren nötig, um Sicherheits- und Prüfanforderungen zu definieren, nach deren Erfül-lung MRK-Arbeisplätze arbeitsschutzrechtlich zuläs-sig werden. Die GTE Industrieelektronik GmbH als renommierter Hersteller von Kraftmesstechnik war von Stunde null an in die Fertigung von Messsyste-men für kollaborierende Roboter involviert.

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Zwei LösungenKraft- und Kraft-Druck-Messung

Die Entwicklung eines Messsystems zur Bewertung der Betriebssicherheit eines kollaborierenden Robo-ters wurde maßgbelich vom Institut für Arbeitsschutz (IFA) der Deutschen Gesetzlichen Unfallversiche-rung (DGUV) vorangetrieben. Ergebnis der Entwick-lungsarbeiten war das Kraft-Druck-Messgerät vom Typ »KDMG-KOLROBOT«, welches Anfang 2015 vorgestellt wurde.

Das System umfasst zwei Piezo-Kraftaufnehmer mit externen Datenloggern und einer PC-basierten Aus-wertesoftware. Die Kraftaufnehmer sind so gestal-tet, dass ihr dynamisches Verhalten über austausch-bare Kompressionsfedern (KK2) und aufsetzbare Kompressionselemente (KK1) biofidel verschiedene Kollisionsbereiche des menschlichen Körpers repro-duzierbar simulieren kann.

Ergänzend zur Aufzeichnung eines Kraft-Zeit-Ver-laufs beim Aufprall vom Roboter mit der simulierten Körperstelle, wird die Druckverteilung mithilfe des TEKSCAN® I-SCAN® Messfolien-Systems erfasst und so eine belastbare, biofidele Kraft-Druck-Mes-sung ermöglicht. Die GTE fertigt und vertreibt das KDMG-KOLROBOT in exklusiver Lizenz des IFA.

Speziell für einfache Applikationen wurde von der GTE eine Alternative in Form des »KMG-500 KOL-ROBOT« vorgelegt. Das Messsystem basiert auf ihren vielfältigen Erfahrungen aus der Automatiktür- und Torbranche. Dort stellt das KMG-2000 mit in-tegrierter Kraftaufnahme und -auswertung in einem handlichen Kompakt-Messgerät seit über 20 Jahren den anerkannten Stand der Technik dar.

Das KMG-500 KOLROBOT ist die Adaption dieses bewährten Messverfahrens auf die Anforderungen der kollaborierenden Roboter. Es ist mit einer fes-ten Kompressionsfeder von 75 N/mm ausgestattet. Andere Federkonstanten sowie eine Gerätevariante mit abnehmbaren Messkopf ist bei Bedarf verfüg-bar. Das KMG-500 zeichnet sich besonders durch seine einfache Handhabung aus.

Für die Dokumentation der Messung verfügt das Gerät über eine integrierte USB-Schnittstelle und eine PC-Software. Um auch mit dem KMG-500 eine Aussage über die Druckverteilung an der Kolli-sionsfläche treffen zu können, kann auf das bewähr-te System mit chemischen Prescale-Druckmessfolien von Fuji® zurückgegriffen werden.

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KDMG-KOLROBOTDas Kraft-Druck-Messsystem

Das KDMG-KOLROBOT ist das erste biofidele Messsystem für kollaborierende Roboter gemäß ISO/PDTS 15066, ISO 10218-1/-2, sowie EN 415-10. Seine zahlreichen Feder- und Kompres-sionselemente ermöglichen nicht nur eine präzise Kraft-Druck-Messung, sondern auch eine Performan-ce -Optimierung im Rahmen zulässiger Grenzwerte.

Piezo-Sensoren

Die Piezo-Sensoren sind das Herzstück des Mess-systems. Sie sind in den Messbereichen 300 N und 1000 N verfügbar. Sie bestehen aus einer li-neargeführten Messmechanik und dem eigentlichen Piezo-Kraftaufnehmer. Unter der leicht abschraub-baren Messplatte verbirgt sich die austauschbare Kompressionsfeder. Auf der Messplatte können die Kompressionselemente einfach befestigt werden.

TEKSCAN® I-SCAN®

Das I-SCAN System von TEKSCAN stellt den Stand der Technik in der ortsaufgelösten Druckmessung dar. Bestehend aus Hub, Handle und austausch-baren, verschieden großen Sensorfolien erfasst das System den Aufpralldruck in Form eines 3D-Profils.

Datenlogger

Die Piezo-Sensoren werden über spezielle Daten-logger angesteuert. Diese Datenlogger verfügen über einen kalibrierten, hochgenauen Messverstär-ker, der optimale Messgenauigkeit und Reprodu-zierbarkeit ermöglicht.

Auswertung

Für die Auswertung der biofidelen Messung ist ein eigens entwickeltes PC-Programm verfügbar. Es hilft dem Benutzer nicht nur bei der Auswertung sondern durch Vorgabe der für den jeweils zu simulierenden Körpermesspunkt erforderlichen Feder- und Kom-pressionselemente auch bei der Durchführung der Messungen.

KDMG-KOLROBOT Alle Systemkomponenten im Überblick

Systemschrank

Der KDMG-Systemschrank beinhaltet einen hoch-wertigen Industrie-PC mit Monitor- und Tasta-tur-Schublade für den Betrieb der KDMG-Auswer-tungssoftware. Je nach Systemkonfiguration sind zusätzlich die für den Betrieb der Sensoren erfor-derlichen Datenlogger sowie der VersaTec® Hub für das TEKSCAN® System integriert und vorverdrahtet.Ergänzende Zubehör-Schubfächer mit Schaumein-lagen helfen bei der Sortierung und Aufbewahrung von häufig benötigten Zubehörteilen.Der Systemschrank ist als stationäres Metallrack für den Laboreinsatz sowie als Flightcase-Variante für den PKW-Transport verfügbar.

Piezo-Sensoren 300 N und 1000 N

Die Piezo-Sensoren werden über hochwertige BNC-Kabel mit dem vorverdrahteten Messverstärker mit Datenlogger im Systemschrank verbunden. Durch ihre robuste und hochwer-tige Mechanik lassen sie sich leicht in der erforderlichen Raumorientierung auf einer Unterkonstruktion montieren.

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A4Status Änderungen Datum Name

Gezeichnet

Kontrolliert

Norm

Datum Name

07.10.2015 D. Wilms

GTE Industrieelektronik GmbHHelmsholtsstr. 2141747 ViersenTel.: 02162-3703-0

1:2

ALU 7075

Anordnung derBefestigungspunkte

Seite1 von 1

60°

60°

60°

160

Ø 140

Ø

6x 9

8

9

KK1 und KK2 Zubehör-Set

Zur Simulation der zahlreichen Körperstellen werden die Piezo-Sensoren mit unterschiedlichen Federn, Füllstücken und Kompressionselementen bestückt.Während bei der stationären Labor-Variante die meisten Zubehörteile in entsprechend gestalteten Schubfächern Platz finden, ist für die mobile Flightcase-Variante ein Zubehör-Flightcase verfügbar.

TEKSCAN®-System

Die verschieden großen TEKSCAN Sen-sor-Folien werden mit dem VersaTek Handle verbunden und auf die Kompres-sionselemente auf der Kollisionsfläche gebracht. Zusammen mit dem im System-schrank integrierten Versa-Tek Hub wird die Druckver-teilung der Kollision erfasst.

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KMG-500 KOLROBOTDas einfache Kraftmessgerät

Während das KDMG-KOLROBOT aufgrund seiner Präzision und Adaptivität das Prüfmittel der Wahl darstellt, um kollaborierende Roboter in den zulässi-gen Grenzwerten so schnell und effizient wie mög-lich arbeiten zu lassen, gibt es zahlreiche Situatio-nen, in denen es nicht so sehr auf die Effizienz wie auf die grundsätzliche Freigabe eines kollaborie-renden Arbeitsplatzes ankommt.

Für diese Fälle kann mit dem KMG-500 KOLRO-BOT auf ein vereinfachtes Handmessgerät zurück-gegriffen werden. Ähnlich wie die Piezo-Sensoren des KDMG-KOLROBOT besteht das KMG-500 aus einer lineargeführten Kollisionsplatte, einer Kom-pressionsfeder und einem Kraftsensor samt Auswer-tung. Der Unterschied besteht beim KMG-500 vor allem darin, dass sowohl der Messverstärker als auch die grafische Anzeige in das Gerät integriert sind. Anders als beim KDMG ist die Kompressions-feder allerdings nicht austauschbar, weshalb das KMG-500 auch kein biofideles Messgerät darstellt.

Bestückt man die Kollisionsfläche allerdings mit ei-ner druckempfindlichen Fuji® Prescale Folie, kann in Kombination mit einem Scanner und einer PC-ba-

sierten Auswertung zusätzlich zum Kraft-Zeit-Verlauf der Kollision auch die Druckverteilung bestimmt werden. Das Ergebnis ist eine für viele Fälle hinrei-chend detaillierte Messung.

Auswertung

Für die Protokollierung der Messung greift das KMG-500 auf dieselbe Software wie das KDMG-KOLROBOT zurück. Mithilfe der integrierten USB-Schnittstelle können die im Gerät gespeicher-ten Kraft-Zeit-Diagramme auf einen Auswerte-Laptop oder -PC übertragen werden.

Die Software ermöglicht ebenfalls das Einscan-nen und interpretieren der druckempfindlichen Fuji Prescale Folien.

KMG-500 KOLROBOT Zubehör und Features im Überblick

KMG-500

Das KMG-500 KOLROBOT ist ein robustes Einhandmessgerät mit einer Federsteifigkeit von 75 N/mm. Das beleuchtete Grafikdis-play zeigt unmittelbar nach einer Messung den Kraft-Zeitverlauf sowie den ermittelten Spitzenkraftwert an. Der Gerätespeicher kann bis zu 500 Mes-sungen aufnehmen.Das Gerät ist akkubetrieben und läd sich bei USB-Verbin-dung mit einem PC automatisch auf.

KMG-500 Montage-Adapter

Der KMG-500 Montage-Adapter ist ein mechanisches Hifsmittel, das die orientierte Montage des Gerätes auf einer Unterkonstruktion erleichtert. Der Adapter ist mit einem hochwertigen Kugelgelenk mit Spannvorrichtung ausgestattet, das es erlaubt, die Messfläche des KMGs in zwei Dimensionen auszurichten. Auf der anderen Sei-te gewährleistet eine Flansch-Platte die feste Montage.

USB-Schnittstelle

Integrierte USB-Schnittstelle zur Messdatenübertragung

Grafikdisplay

Zur Anzeige von Kraftverläufen und Messwerten

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Fuji® Prescale

Das KMG-500 KOLROBOT erfasst bei der Messung ein Kraft-Zeit-Diagramm. Um eine Druckverteilung messen zu können, wird auf das Prescale System von Fuji® zurückge-griffen. Das System besteht aus druckempfindlichen Folien, die bei mechanischer Belastung eine Farbänderung zeigen. Nach dem Einscannen wird dieser Farbausschlag von der Auswertesoftware ana-lysiert und in eine Druckverteilung umgerechnet.

KK1 Kompressionselemente

Auch für das KMG-500 KOLROBOT sind KK1-Kompressionselemente in verschiede-nen Größen und Materialien verfügbar.

KMG-Transportkoffer

Das KMG-500 KOLROBOT wird standardmäßig in einem handlichen Transportkoffer mit Schaumeinlage für Gerät, und un-mittelbares Zubehör ausgeliefert.

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SchulungenDas GTE-Schulungsprogramm

Um Interessenten und Praktiker in das Themenfeld rund um das Prüfverfahren zur biofidelen Kraft-Druck-Messung an kollaborierenden Roboter einzu-führen, bietet die GTE regelmäßig entsprechende Schulungen an.

Das Schulungsprogramm beinhaltet vormittags ei-nen intensiven Vortragsteil, in dem die normativen Gegebenheiten zur Mensch-Roboter-Kollaboration erörtert und anschließend das Messverfahren so-wie die Geräte und Systemkomponenten vorgestellt werden.

Nachmittags werden an einem Demonstrationsauf-bau mit Messsystem und Roboter die praktischen Aspekte demonstriert. Hier haben auch die Teilneh-mer ausreichend Gelegenheit Praxiserfahrungen im Umgang mit dem Messequipment zu erlangen.

Die eintägigen Veranstaltungen finden in den Räum-lichkeiten der GTE auf der Helmholtzstraße 21 im Gewerbegebiet Hosterfeld in Viersen am Nieder-rhein statt. Auf Anfrage sind Schulungen vor Ort ge-gebenenfalls auch möglich. Die Kurse sind auf eine Teilnehmerzahl bis zu 15 Personen ausgelegt.

Über die GTE

Die GTE Industrieelektronik GmbH ist ein mittelstän-disches Technologie-Unternehmen, das am Stand-ort Viersen ca. 70 Mitarbeiter beschäftigt, die in drei Geschäftsbereichen aktiv sind.

Mit einem Schwerpunkt auf Spezial-Messtechnik und industrielle Brandsensorik arbeitet die GTE seit ihren Anfängen stets eng mit den Berufsgenos-senschaften und dem Institut für Arbeitsschutz zu-sammen. So ist die GTE beispielsweise seit über 20 Jahren mit ihrer KMG-Produktserie europaweit Marktführer für Kraftmessgeräte für Automatiktüren und -tore und bietet auch Messgeräte-Lösungen für Zug- und Aufzugstüren an.

Im Bereich Brandsensorik bietet die GTE einzigar-tige Lösungen zur Brandfrüherkennung im industri-ellen Umfeld an und hat unter anderem alle deut-schen Kohlekraftwerke mit Brandgasmeldern und Infrarot-Detektoren zur Überwachung von Förder- und Lagerstätten ausgestattet.

Weitere Informationen im Internet unter www.gte.deoder telefonisch unter 02162 / 3703-0.

GTE Industrieelektronik GmbHHelmholtzstr. 21, 38-40D-41747 Viersen

+49 (0)2162 3703-0 +49 (0)2162 3703-25

info@gte.de | www.gte.de