Ultraschallsensor für Safety-Anwendungen

Robuste Sicherheit

Die rasante technische Entwicklung erschafft immer mehr autonom arbeitende Maschinen. Mit vergleichbaren Tempo wächst die Zahl der Interaktionen zwischen Menschen und solchen robotischen Einheiten. Grundsätzlich ist hierbei die Maschinenrichtlinie einzuhalten, die eine verlässliche Sicherheitstechnik für den Personenschutz vorschreibt. Das Sensorsystem USi-Safety von Pepperl+Fuchs erfüllt als einziges auf Ultraschall beruhendes System die Vorgaben der Norm ISO13849 Kategorie 3 PLd.
 Eine stark elliptische Schallkeule sichert die ideale Bereichsüberwachung in Safety-Anwendungen.
Eine stark elliptische Schallkeule sichert die ideale Bereichsüberwachung in Safety-Anwendungen.Bild: Pepperl+Fuchs SE

Ultraschallsensorik besitzt eine bauartbedingte Robustheit, die sie gegenüber anderen Messverfahren auszeichnet. Der Ultraschall-Impuls wird von der Umgebungsatmosphäre so gut wie gar nicht beeinträchtigt. Er durchdringt Staub, Dämpfe und Niederschläge; Verschmutzung oder anhaftende Beläge haben keinen nennenswerten Einfluss auf die Schallwellen. Da die Schallwellen sich keulenförmig ausbreiten, treffen sie immer flächig auf ein Objekt und erfassen auch unregelmäßige Konturen zuverlässig. Mit der Schutzart IP69K sind die Ultraschallwandler des USi-Systems besonders widerstandsfähig gestaltet und vertragen sogar eine Hochdruckreinigung. Ihre Schallkeule ist in einer Querachse sehr breit und in der anderen sehr schmal ausgeprägt, der Querschnitt also elliptisch. So deckt sie am Ort des Auftreffens einen breiten Bereich ab: in 1,5m Abstand sind es 80cm bei einer maximalen Reichweite von 2,5m. Je nach Parametrierung können in diesem breiten Bereich auch sehr kleine Objekte oder Körperteile detektiert werden. Der Ultraschallwandler selbst ist mit nur 27x21x13mm sehr kompakt. Er findet selbst in Gabelzinken von Staplern oder am Ende eines Roboterarms Platz. Die Auswerteeinheit ist entkoppelt und kann sich bis zu 3m Kabellänge entfernt befinden. Das erlaubt eine flexible Platzierung des Wandlers. Der Sensor ist für den Einsatz in Innen- und Außenbereichen geeignet. In letzteren sorgt ein optionaler Temperaturfühler bei großen Temperaturschwankungen für die automatische Temperaturkompensation.

 Das USi-System bietet zwei unabhängige Kanäle, die jeweils die ISO13849 Kategorie 3 PLd erfüllen.
Das USi-System bietet zwei unabhängige Kanäle, die jeweils die ISO13849 Kategorie 3 PLd erfüllen.Bild: Pepperl+Fuchs SE

Elektronik mit mehrstufiger Absicherung

An die Auswerteeinheit können eine oder zwei Sensoreinheiten (Ultraschallwandler) angeschlossen werden. Für jeden Wandler stehen zwei fehlersichere, voneinander unabhängige Kanäle zur Verfügung. Jeder Kanal bietet bereits für sich die Möglichkeit der zuverlässigen Absicherung. Selbst mit nur einer angeschlossenen Sensoreinheit sind die Voraussetzungen für ein sicheres Sensorsystem erfüllt. Jede angeschlossene Sensoreinheit verfügt über einen Meldeausgang sowie sichere OSSD-Ausgänge nach Kategorie 3 PLd für die Signalausgabe an eine Sicherheitssteuerung. In der Auswerteeinheit arbeiten zwei Mikrocontroller parallel. Sie kontrollieren neben der Sensorfunktion auch ständig sich gegenseitig. Sollte es zu auffälligen Abweichungen bei den Sensoreinheiten oder zwischen den Controllern kommen, lösen sie automatisch die Sicherheitsschaltung aus. Daneben führen sie regelmäßig Prüf- und Testroutinen durch.

 Die Schallkeulen können auch als Sicherheitstür fungieren.
Die Schallkeulen können auch als Sicherheitstür fungieren.Bild: Pepperl+Fuchs SE

Differenzierte Parametrierung

Das System wird nicht direkt an der Auswerteeinheit, sondern per Software parametriert. Dort sind bereits Standardparameter hinterlegt. Systemfunktionen wie Schutz- und Warnfelder können anwendungsspezifisch angepasst werden. Auch physikalische Parameter der Ultraschall-Detektion lassen sich auf spezifische Anforderungen hin konfigurieren. Im Expertenmodus erlaubt die Software die Einstellung von Faktoren wie Echoverstärkung, Empfindlichkeit, Mehrfach-Scan, Einschaltverzögerung, Nahfeld, Echoverbreitung und Hysterese. Die Parameter können für die beiden Ultraschallwandler unterschiedlich festgelegt werden. Jedem Wandler sind zwei Schaltpunkte zugewiesen. Sind diese identisch definiert, wird nur das Schutzfeld überwacht. Bei unterschiedlichen Schaltpunkten ist das Detektionsfeld in Schutz- und Warnfeld unterteilt, z.B. für Langsamfahrt und Stopp. Die Reaktionszeit beträgt 91ms. Wenn mehrere Maschinen oder FTS im selben Raum arbeiten bzw. unterwegs sind, verhindert die Software, dass sich die Signale mehrerer Systeme gegenseitig stören. Interferenzen zwischen den Ultraschallsignalen werden unterdrückt, die Detektionsfähigkeit bleibt uneingeschränkt erhalten. Da die kleinen Wandler sich auch in sehr beengten Verhältnissen einbauen lassen, kommt es häufig vor, dass Komponenten der Maschine in das Warn- oder Schutzfeld hineinragen. Solche Störgrößen werden mit der Teach-In-Funktion der Software ausgeblendet. Die Erfassung anderer Objekte bleibt davon unberührt. Zugleich kann die Störgröße aber auch als Referenzobjekt dienen, um eine Manipulation der Detektion auszuschließen. Die Parametrier-Software erlaubt die intuitive Einstellung der Ausgangslogik und die Initialisierung periodischer Tests. Safety-Protokolle für die Anlagendokumentation werden automatisch generiert.

Bild: Pepperl+Fuchs SE

Praxisbeispiele

Je nach Aufgabe und Größe des Roboters kann das USi-System eine Reihe von Sicherheitsaufgaben übernehmen. Die flach-elliptischen Schallkeulen können anstelle einer Sicherheitstür oder eines Lichtgitters den Zutritt zu einem Gefahrenbereich absichern. Direkt am Roboterarm montiert, können die Wandler auch für sichere Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung im Umfeld des Roboters sowie zur Leistungs- und Kraftbegrenzung seiner Bewegung dienen. Bei einer unmittelbaren Zusammenarbeit mit einem Menschen, wie etwa beim Präsentieren eines Werkstücks in einer ergonomischen Position, wird die Person zunächst durch einen Laserscanner sicher erkannt und der Roboter auf Langsamfahrt geschaltet. Die Schallkeule des USi-Systems überwacht dann den Eingriffbereich. Der Arbeitsraum bleibt zugänglich, eine Verletzung des Schutzfeldes löst den Stopp aus.

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