Industrieroboter sind in der gesamten Industrie überall dort zu finden, wo hohe Produktivitätsanforderungen erfüllt werden müssen. Der Einsatz von Robotern erfordert jedoch die Entwicklung, Anwendung und Implementierung geeigneter Sicherheitssteuerungen, um Gefahren für Produktionspersonal, Programmierer, Wartungsspezialisten und Systemingenieure zu vermeiden.

Warum sind Industrieroboter gefährlich?

Eine Definition von Robotern ist „bewegte automatische Maschinen, die frei programmierbar sind und in der Lage sind, mit wenig oder keiner menschlichen Schnittstelle zu arbeiten“. Diese Arten von Maschinen werden derzeit in einer Vielzahl von Anwendungen in Industrie und Medizin, einschließlich Ausbildung, eingesetzt. Industrieroboter werden zunehmend für Schlüsselfunktionen wie neue Fertigungsstrategien (CIM, JIT, Lean Production etc.) in komplexen Anlagen eingesetzt. Aus der Anzahl und Breite der Anwendungen und der Komplexität der Geräte und Installationen resultieren Gefahren wie die folgenden:

• kaum nachvollziehbare Bewegungen und Bewegungsabläufe, da sich die schnellen Bewegungen des Roboters in seinem Aktionsradius oft mit denen anderer Maschinen und Anlagen überschneiden
• Energiefreisetzung durch umherfliegende Teile oder Energiestrahlen, wie sie beispielsweise von Lasern oder Wasserstrahlen ausgesandt werden
• freie Programmierbarkeit in Richtung und Geschwindigkeit
• Anfälligkeit für Beeinflussung durch externe Fehler (z. B. elektromagnetische Verträglichkeit)
• menschliche Faktoren.

Untersuchungen in Japan zeigen, dass mehr als 50 % der Arbeitsunfälle mit Robotern auf Fehler in den elektronischen Schaltungen der Steuerung zurückzuführen sind. In denselben Untersuchungen war „menschliches Versagen“ für weniger als 20 % verantwortlich. Die logische Schlussfolgerung aus dieser Erkenntnis ist, dass Gefährdungen, die durch Systemfehler verursacht werden, nicht durch Verhaltensmaßnahmen des Menschen vermieden werden können. Planer und Betreiber müssen daher technische Sicherheitsmaßnahmen vorsehen und umsetzen (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1. Spezielles Bediensystem zum Einrichten eines mobilen Schweißroboters

Unfälle und Betriebsarten

Tödliche Unfälle mit Industrierobotern ereigneten sich bereits Anfang der 1980er Jahre. Statistiken und Untersuchungen zeigen, dass sich die Mehrzahl der Vorfälle und Unfälle nicht im Normalbetrieb ereignen (automatische Auftragserfüllung). Bei der Arbeit mit Industrierobotermaschinen und -anlagen liegt der Schwerpunkt auf speziellen Betriebsarten wie Inbetriebnahme, Einrichten, Programmieren, Testläufen, Kontrollen, Fehlersuche oder Wartung. In diesen Betriebsarten befinden sich Personen in der Regel im Gefahrenbereich. Das Sicherheitskonzept muss das Personal in solchen Situationen vor negativen Ereignissen schützen.

Internationale Sicherheitsanforderungen

Die 1989 EWG-Maschinenrichtlinie (89/392/EWG) (siehe Artikel „Sicherheitsgrundsätze für CNC-Werkzeugmaschinen“ in diesem Kapitel und an anderer Stelle in diesem Kapitel Enzyklopädie)) legt die wichtigsten Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen für Maschinen fest. Als Maschine wird die Gesamtheit von miteinander verbundenen Teilen oder Geräten angesehen, von denen mindestens ein Teil oder Gerät sich bewegen kann und dementsprechend eine Funktion hat. Bei Industrierobotern ist zu beachten, dass das gesamte System, nicht nur ein einzelnes Gerät an der Maschine, die Sicherheitsanforderungen erfüllen und mit den entsprechenden Sicherheitseinrichtungen ausgestattet sein muss. Gefahrenanalyse und Risikobewertung sind geeignete Methoden, um festzustellen, ob diese Anforderungen erfüllt sind (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2. Blockdiagramm für ein Personensicherheitssystem

Anforderungen und Sicherheitsmaßnahmen im Normalbetrieb

Der Einsatz von Robotertechnik stellt höchste Anforderungen an Gefahrenanalyse, Risikobewertung und Sicherheitskonzepte. Aus diesem Grund können die folgenden Beispiele und Vorschläge nur als Richtlinien dienen:

1. Angesichts des Sicherheitsziels, dass der manuelle oder physische Zugang zu Gefahrenbereichen mit automatischen Bewegungen verhindert werden muss, umfassen folgende Lösungsvorschläge:

• Verhindern Sie den manuellen oder physischen Zugang zu Gefahrenbereichen durch mechanische Barrieren.

• Verwenden Sie Sicherheitseinrichtungen, die bei Annäherung ansprechen (Lichtschranken, Schaltmatten), und achten Sie darauf, dass Maschinen beim Betreten oder Betreten sicher abgeschaltet werden.

• Erlauben Sie manuellen oder physischen Zugriff nur, wenn sich das gesamte System in einem sicheren Zustand befindet. Dies kann beispielsweise durch den Einsatz von Verriegelungseinrichtungen mit Schließmechanismen an den Zugangstüren erreicht werden.

2. Angesichts des Sicherheitsziels, dass keine Person durch freigesetzte Energie (umherfliegende Teile oder Energiestrahlen) verletzt werden darf, sind Lösungsvorschläge:

• Eine Energiefreisetzung sollte konstruktiv verhindert werden (z. B. entsprechend dimensionierte Anschlüsse, passive Greiferverriegelungen für Greiferwechselmechanismen etc.).

• Verhindern Sie das Freisetzen von Energie aus dem Gefahrenbereich, z. B. durch eine entsprechend dimensionierte Schutzhaube.

3. Die Schnittstellen zwischen Normalbetrieb und Sonderbetrieb (z. B. Türverriegelungen, Lichtschranken, Schaltmatten) sind notwendig, damit die Sicherheitssteuerung die Anwesenheit von Personen automatisch erkennen kann.

Anforderungen und Sicherheitsmaßnahmen in Sonderbetriebsarten

Bestimmte Sonderbetriebsarten (z. B. Einrichten, Programmieren) an einem Industrieroboter erfordern Bewegungen, die direkt am Einsatzort beurteilt werden müssen. Das relevante Sicherheitsziel ist, dass keine Bewegungen die beteiligten Personen gefährden dürfen. Die Bewegungen sollten sein

• nur der geplante Stil und Geschwindigkeit
• verlängert nur so lange wie angewiesen
• solche, die nur durchgeführt werden dürfen, wenn sichergestellt ist, dass sich keine Körperteile im Gefahrenbereich befinden.

Ein Lösungsvorschlag für dieses Ziel könnte die Verwendung von speziellen Betriebssteuerungssystemen beinhalten, die nur kontrollierbare und handhabbare Bewegungen unter Verwendung von quittierbaren Steuerungen zulassen. Damit wird die Bewegungsgeschwindigkeit sicher reduziert (Energieabbau durch Anschluss eines Trenntransformators oder Einsatz von fehlersicheren Zustandsüberwachungseinrichtungen) und der sichere Zustand quittiert, bevor die Steuerung ansprechen darf (siehe Bild 3).

Abbildung 3. Sechsachsiger Industrieroboter in einem Sicherheitskäfig mit Materialtoren

Anforderungen an Sicherheitssteuerungen

Zu den Merkmalen einer Sicherheitssteuerung muss gehören, dass im Fehlerfall die geforderte Sicherheitsfunktion gewährleistet ist. Industrierobotermaschinen sollten fast augenblicklich von einem gefährlichen Zustand in einen sicheren Zustand gelenkt werden. Um dies zu erreichen, sind folgende Sicherheitskontrollmaßnahmen erforderlich:

• Ein Fehler in der Sicherheitssteuerung darf keinen gefährlichen Zustand auslösen.
• Ein Fehler in der Sicherheitssteuerung muss erkannt werden (sofort oder in Intervallen).

Vorgeschlagene Lösungen für die Bereitstellung zuverlässiger Sicherheitssteuerungssysteme wären:

• Redundante und vielfältige Auslegung elektromechanischer Steuerungen inkl. Prüfschaltungen
• Redundanter und vielfältiger Aufbau von Mikroprozessorsteuerungen, die von verschiedenen Teams entwickelt wurden. Dieser moderne Ansatz gilt als State-of-the-Art; zum Beispiel solche mit Sicherheitslichtschranken.

Sicherheitsziele für den Bau und Einsatz von Industrierobotern.

Beim Bau und Einsatz von Industrierobotern sind sowohl Hersteller als auch Anwender gefordert, modernste Sicherheitssteuerungen zu installieren. Neben dem Aspekt der rechtlichen Verantwortung kann auch eine moralische Verpflichtung bestehen, dafür zu sorgen, dass Robotertechnologie auch eine sichere Technologie ist.

Normaler Betriebsmodus

Die folgenden Sicherheitsbedingungen sollten bereitgestellt werden, wenn Robotermaschinen im Normalmodus arbeiten:

• Der Bewegungsbereich des Roboters und die von Peripheriegeräten genutzten Bearbeitungsbereiche müssen so abgesichert sein, dass ein manueller oder physischer Zugang von Personen zu Bereichen, die durch automatische Bewegungen gefährlich sind, verhindert wird.
• Es sollte ein Schutz vorgesehen werden, damit herumfliegende Werkstücke oder Werkzeuge keinen Schaden anrichten können.
• Es dürfen keine Personen durch vom Roboter weggeschleuderte Teile, Werkzeuge oder Werkstücke oder durch frei werdende Energie, durch defekten Greifer, Greiferstromausfall, unzulässige Geschwindigkeit, Kollision(en) oder fehlerhaftes Werkstück(e) verletzt werden.
• Es dürfen keine Personen durch freigesetzte Energie oder durch umhergeschleuderte Teile von Peripheriegeräten verletzt werden.
• Zuführ- und Entnahmeöffnungen müssen so gestaltet sein, dass ein manueller oder physischer Zugang zu Bereichen, die aufgrund automatischer Bewegungen gefährlich sind, verhindert wird. Diese Bedingung muss auch erfüllt sein, wenn Produktionsmaterial entnommen wird. Wird dem Roboter Produktionsmaterial automatisch zugeführt, dürfen keine Gefahrenbereiche durch Zuführ- und Entnahmeöffnungen und das sich bewegende Produktionsmaterial entstehen.

Spezielle Betriebsmodi

Die folgenden Sicherheitsbedingungen sollten bereitgestellt werden, wenn Robotermaschinen in speziellen Modi arbeiten:

Bei der Behebung einer Störung im Produktionsprozess muss Folgendes verhindert werden:

• manueller oder physischer Zugang zu Bereichen, die aufgrund automatischer Bewegungen des Roboters oder von Peripheriegeräten gefährlich sind
• Gefährdungen, die durch Fehlverhalten der Anlage oder durch unzulässige Befehlseingabe entstehen, wenn sich Personen oder Körperteile im Bereich gefährlicher Bewegungen aufhalten
• gefährliche Bewegungen oder Bedingungen, die durch die Bewegung oder Entfernung von Produktionsmaterial oder Abfallprodukten ausgelöst werden
• Verletzungen durch Peripheriegeräte
• Bewegungen, die bei abgenommener(n) Schutzeinrichtung(en) für den Normalbetrieb durchzuführen sind, nur innerhalb des betrieblichen Umfangs und der Betriebsgeschwindigkeit und nur solange wie angewiesen auszuführen. Außerdem dürfen sich keine Personen oder Körperteile im Gefahrenbereich aufhalten.

Beim Aufbau sind folgende sichere Bedingungen zu gewährleisten:

Durch einen fehlerhaften Befehl oder eine falsche Befehlseingabe dürfen keine gefahrbringenden Bewegungen eingeleitet werden.

• Der Austausch von Robotermaschinen oder Peripherieteilen darf keine gefährlichen Bewegungen oder Zustände auslösen.
• Müssen bei Einrichtarbeiten Bewegungen bei abgenommener Schutzeinrichtung(en) für den Normalbetrieb durchgeführt werden, so dürfen diese Bewegungen nur im vorgeschriebenen Umfang und in der vorgeschriebenen Geschwindigkeit und nur so lange wie angewiesen durchgeführt werden. Außerdem dürfen sich keine Personen oder Körperteile im Gefahrenbereich aufhalten.
• Während des Einrichtbetriebes darf die Peripherie keine gefährlichen Bewegungen ausführen oder gefährliche Zustände auslösen.

Während der Programmierung gelten die folgenden Sicherheitsbedingungen:

• Der manuelle oder physische Zugang zu Bereichen, die durch automatische Bewegungen gefährlich sind, muss verhindert werden.
• Wenn Bewegungen mit entfernter Schutzeinrichtung(en) für den Normalbetrieb durchgeführt werden, müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:
• (a) Nur der Bewegungsbefehl darf ausgeführt werden, und zwar nur so lange, wie er erteilt wird.
• (b) Es dürfen nur kontrollierbare Bewegungen ausgeführt werden (dh es müssen deutlich sichtbare Bewegungen mit geringer Geschwindigkeit sein).
• (c) Bewegungen dürfen nur eingeleitet werden, wenn sie keine Gefahr für den Programmierer oder andere Personen darstellen.
• Peripheriegeräte dürfen keine Gefahr für den Programmierer oder andere Personen darstellen.

Ein sicherer Testbetrieb erfordert folgende Vorkehrungen:

Verhindern Sie manuellen oder physischen Zugang zu Bereichen, die aufgrund automatischer Bewegungen gefährlich sind.

• Peripheriegeräte dürfen keine Gefahrenquelle darstellen.

Zu den sicheren Verfahren bei der Inspektion von Robotermaschinen gehören:

• Ist es zu Inspektionszwecken erforderlich, den Bewegungsbereich des Roboters zu betreten, ist dies nur zulässig, wenn sich die Anlage in einem sicheren Zustand befindet.
• Gefährdungen durch Fehlverhalten der Anlage oder durch unzulässige Befehlseingabe müssen verhindert werden.
• Peripheriegeräte dürfen keine Gefahrenquelle für das Kontrollpersonal darstellen.

Die Fehlerbehebung erfordert häufig das Starten der Robotermaschine, während sie sich in einem potenziell gefährlichen Zustand befindet, und es sollten spezielle sichere Arbeitsverfahren wie die folgenden implementiert werden:

• Der Zugang zu Bereichen, die durch automatische Bewegungen gefährdet sind, muss verhindert werden.
• Das Anlaufen einer Antriebseinheit aufgrund eines fehlerhaften Befehls oder einer falschen Befehlseingabe muss verhindert werden.
• Bei der Handhabung eines fehlerhaften Teils müssen alle Bewegungen des Roboters verhindert werden.
• Verletzungen durch weggeschleuderte oder herabfallende Maschinenteile sind zu vermeiden.
• Müssen bei der Störungsbeseitigung Bewegungen bei abgenommener Schutzeinrichtung(en) für den Normalbetrieb durchgeführt werden, so dürfen diese Bewegungen nur im vorgeschriebenen Umfang und in der vorgeschriebenen Geschwindigkeit und nur solange wie angewiesen durchgeführt werden. Außerdem dürfen sich keine Personen oder Körperteile im Gefahrenbereich aufhalten.
• Verletzungen durch Peripheriegeräte müssen verhindert werden.

Auch die Störungsbeseitigung und Wartungsarbeiten können eine Inbetriebnahme in einem unsicheren Zustand der Maschine erfordern und erfordern daher folgende Vorkehrungen:

• Der Roboter darf nicht anlaufen können.
• Die Handhabung verschiedener Maschinenteile, sei es manuell oder mit Hilfsgeräten, muss ohne Gefährdungsrisiko möglich sein.
• Unter Spannung stehende Teile dürfen nicht berührt werden können.
• Verletzungen durch das Austreten von flüssigen oder gasförmigen Medien müssen verhindert werden.
• Verletzungen durch Peripheriegeräte müssen verhindert werden.

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