28/05/2015
Door Liam van Koert
De industriële robot van vandaag is een schepsel met nette manieren. Het doet 24/7 zonder te zeuren precies waarvoor hij geprogrammeerd is. Ook wanneer je besluit hem in de weg te lopen. Daarom is om de meeste robots een hek gebouwd. Maar is dat met de huidige stand der techniek nog wel nodig?
Als mens kan je maar beter uit de buurt blijven. Robots bewegen razendsnel recht op hun doel af, terwijl ze met gemak honderden kilo’s van links naar rechts slingeren. Alleen al het eigen gewicht van een robot op halve snelheid kan genoeg zijn om iemand buiten westen te slaan. Tussen de robot en de mens staat traditioneel dan ook een flink hekwerk dat aan tal van regels moet voldoen. Maar aangezien dit artikel juist niet over de tralies gaat – gaan we het niet hebben over de te hanteren veiligheidsafstanden. Ook gaan we niet uitleggen waar het hek het beste van gemaakt kan worden. En waar we al helemaal met geen woord over reppen is de discussie of de boutjes waarmee deze hekwerken worden vastgezet een vast onderdeel van het hek moeten zijn of niet. Dergelijke discussies zijn op termijn redelijk zinloos. In de volgende 2000 woorden leest u waarom.
Gouden kooi
Veiligheid voorop. Het is een gezond uitgangspunt dat door de industrie gelukkig breed gedragen wordt. Deze veiligheid heeft echter wel een prijskaartje. In het geval van een veilige robotcel zijn er natuurlijk de kosten van de tralies en inloopbeveiligingen. Ze moeten ontworpen, gekocht en geïntegreerd worden. De grootste kosten zitten echter in het operationele deel van de robotkooi. Op de eerste plaats neemt hij veel ruimte in. Hoe groter de reikwijdte, des de meer vierkante meters fabrieksvloer er voor nodig is. Daarnaast schrijven zowel Europese als Noord-Amerikaanse regels voor dat – ook wanneer dit onwaarschijnlijk is – er altijd rekening gehouden moet worden met een storing in de robotbesturing. Dit betekent dat wanneer de deur van de cel geopend wordt, de robot – en mogelijk een deel van de productielijn – stil moet worden gezet. Daarom worden veiligheidsschakelingen in robotcellen redundant uitgevoerd. Ook krijgt de traditionele veilige robot mechanische cams die positieschakelaars activeren, zodat de reikwijdte van de robot kan worden ingeperkt en botsingen worden voorkomen. Het stopzetten van machines en in steen gieten van bewegingsvrijheid maakt de productie er niet bepaald efficiënter op. Zonde, omdat de robot het meeste geld opbrengt wanneer hij de flexibiliteit kan brengen waarvoor hij ooit bedacht was. De ingewikkelde regels en prijzige maatregelen zijn in de praktijk een rem op de robotisering van de industrie. En dat terwijl thema’s als Smart Industry en reshoring de snelle komst van meer robots bepleiten. Een schijnbare tegenstelling die gelukkig tot het verleden zal behoren.
Elektronische tralies
Het feit dat ongelukken met robots zeldzaam zijn, doet vermoeden dat er al de nodige veiligheidsmaatregelen getroffen worden. In het geïndustrialiseerde westen hebben we dat al aardig voor elkaar. In de wandelgangen gaan er zelfs geluiden op dat we het misschien wel iets te gek maken. Zijn de moderne regels in Europa en Noord-Amerika misschien te streng? Zijn wij daardoor minder concurrerend dan landen waar het allemaal wat minder nauw komt? En waarom moet een robot zoveel veiliger zijn dan andere gereedschappen, zoals bijvoorbeeld een bovenloopkraan? Deze heeft behoorlijk wat meer gewicht in de klauwen en wordt handmatig door de mens bediend – iets wat – met alle respect voor de mens – in de regel niet zo veilig is als een geautomatiseerd systeem.
Deze reflectie is op zijn tijd best nuttig , maar in feite achterhaald. Dankzij de vooruitgang is er namelijk helemaal geen compromis nodig. De dure mechanische tralies kunnen achterwege blijven en vervangen worden door een elektronische variant. Hierdoor kunnen mens en robot samen naast elkaar hun werk doen. Veiliger, efficiënter, flexibeler en goedkoper. Een mooi voorbeeld van een dergelijk eigentijds robotveiligheidssysteem is SafeMove van ABB.
Moderne robotveiligheid
SafeMove is kort door de bocht een betrouwbare bewaker van de snelheid en positie van de robot. Het detecteert elke ongewenste of verdachte afwijking. Zodra een gevaar is gedetecteerd, voert SafeMove een noodstop uit. De robot staat in een fractie van een seconde stil. Ook biedt SafeMove tal van aanvullende functies zoals elektronische positieschakelaars, programmeerbare veiligheidszones, veilige snelheidsgrenzen en een automatische remtest. Programmeerbare veiligheidszones kunnen worden gebruikt om zeker te stellen dat de robot buiten bepaalde geprogrammeerde driedimensionale zones blijft. Deze zones kunnen complexe vormen hebben en helemaal worden aangepast aan de toepassing. Ook is het mogelijk de robot in een driedimensionale zone op te sluiten, waardoor de ‘robotcel’ behoorlijk wat kleiner uitpakt. Erg nuttig wanneer het beschikbare vloeroppervlakte in de fabriek beperkt is.
Natuurlijk is het ook mogelijk om de range van de assen te beperken door de conventionele elektromechanische positieswitches met software na te bootsen. Bijkomend voordeel? In plaats van alleen de drie hoofdassen kunnen met software alle zes assen worden gelimiteerd. Sterker nog, ook externe assen voor bijvoorbeeld de positionering van een werkstuk kunnen aan het totale plaatje worden toegevoegd.
In de veilige stilstandmodus valt de robot volledig stil, terwijl alle drives en motoren gewoon bekrachtigd zijn en actief bediend kunnen worden. Het doel van deze modus is om een werknemer in staat te stellen de robot veilig te benaderen om bijvoorbeeld een werkstuk in de grijper te doen of onderhoud aan de tooling uit te voeren, zonder dat hij de robot helemaal hoeft uit te schakelen. Dat is niet alleen goed voor de cyclustijd, maar reduceert ook slijtage van de remmen en contacten.
In de safe speed-modus tot slot mag de robot wel bewegen, maar doet hij dit gedurende de gehele of een gedeeltelijke cyclus met een snelheid die veilig genoeg is voor een werknemer. In combinatie met de voorgenoemde functies zijn er hierdoor geen hekwerken meer nodig. Mens en robot werken voortaan veilig zij aan zij. En om ervoor te zorgen dat alles ook veilig blijft, test SafeMove automatisch en periodiek de remmen van de robot. Een functie die eigenlijk ook in een moderne auto niet zou misstaan.
Hard- en software
Om de positie van de motoren in de gaten te houden gebruikt SafeMove sensoren, waarmee de positie van de robot in dedicated safety computer wordt berekend. Deze werkt dus afzonderlijk van de robotcontroller en beschikt over een eigen model van de robotmechanica en extra logica over het nominale gedrag van de regelkringen van de servomotoren. In feite zou je dus kunnen zeggen dat SafeMove een onafhankelijke computer is die aan de besturingskast is toegevoegd. Voor de gebruiker echter is hij wel naadloos geïntegreerd is. Zo worden alle events, alarmen en veranderingen in de status in het geheugen van de robotbesturing gelogd. Bovendien kan de status van veilige in- en outputs als gewone robot I/O worden uitgelezen en in het robotprogramma worden gebruikt, ook al is er geen fysieke bedrading tussen de I/O-systemen. In plaats daarvan communiceert SafeMove met de IRC5-besturing via een intern netwerk. Voor een veilige werking is het wel zaak dat de synchronisatie tussen de safety computer en de robot controller aan het begin van elke shift, of na het uitvallen van de stroom, wordt gecontroleerd. Dit wordt bereikt met een eenvoudige schakelaar die in het werkgebied van de robot is gemonteerd. De robot brengt geregeld – bijvoorbeeld elke 24 uur – een bezoekje aan de schakelaar. Omdat de controle gemakkelijk kan worden gecombineerd met andere periodieke activiteiten (bijvoorbeeld schoonmaken), heeft dit geen effect op de cyclustijden.
Procesveiligheid
Veel robots zijn met gevaarlijke gereedschappen in de weer. Denk aan een lastang, laserkop, een waterstraalsnijder of zelfs radioactieve materialen. Dergelijk gereedschap vergt extra veiligheidsmaatregelen, bijvoorbeeld een volledig dichte omkasting die tegen de procesenergie bestand is. Stel je bijvoorbeeld voor dat een robot een spuitkop voor waterstraalsnijden horizontaal richt in plaats van naar beneden. Wat als op zo’n moment ook per ongeluk de straal wordt geactiveerd? Het zijn belangrijke risico’s die moeten worden afgedekt als een snijcel wordt gebouwd. Ook hier kan SafeMove uitkomst bieden. Het voert een aantal veiligheidscontroles uit om zeker te zijn dat de oriëntatie en positie van het gereedschap de juiste is, en binnen de toleranties valt voordat het geactiveerd kan worden. En ook tijdens het snijden houdt SafeMove robot en spuitkop binnen de gestelde grenzen. Worden deze overschreden, dan volgt onmiddellijk een noodstop. Het gevolg is dat – ook al is er nog steeds sprake van een robotcel – omkastingen veel kleiner en efficiënter kunnen worden gebouwd.
Toegangsbeveiliging
Het is een jammerlijk feit dat de meeste ongelukken het gevolg zijn van een overbrugde beveiliging. Veiligheid wordt nogal eens gezien als een lastig obstakel en werknemers willen nog wel eens een weloverwogen risico nemen om tijd te winnen. Het is in het belang van zowel de werknemer als de werkgever om hier een stokje voor te steken. En met een veiligheid die steeds meer richting software verschuift, kan beperkte toegang middels een wachtwoord uitkomst binnen. De praktijk wijst echter ook uit dat veel wachtwoorden op de fabrieksvloer niet lang geheim blijven, wat de virtuele deur wagenwijd open zet. Bij SafeMove is het daarom wat minder ‘hackgevoelig’ gemaakt. Je kan wel aanpassingen doorvoeren, maar alleen met een combinatie van een beperkt toegankelijke configuratietool en een publieke activatiecode. Hierdoor is onder de motorkap sleutelen voorbehouden aan de experts, maar kom je wel snel en eenvoudig in de dingen waar je wel aan mag zitten.
Veilig, compact, snel en flexibel
Met elektronische tralies als SafeMove heb je tot slot veel minder veiligheidsonderdelen nodig, ben je sneller en veel flexibeler. Minder lichtgordijnen, veiligheidsrelais, positieschakelaars, afschermingen, het telt aardig op. Bovendien heb je door het vervangen van de mechanische positieschakelaars van de robot en extra assen veel minder onderhoud. In de regel worden deze namelijk blootgesteld aan allerlei viezigheid, wat een betrouwbare levensduur niet ten goede komt. En het vervangen van kapotte robots met dedicated cams en positieschakelaars is een tijdrovend klusje. Maar omdat je helemaal geen mechanische beperkingen meer hebt, is ook de veiligheid een kwestie van configureren. Heb je het softwarewiel eenmaal een keer uitgevonden, dan is dit snel naar een nieuwe situatie gekopieerd. Blijkt dat er toch nog iets moet worden aangepast? Ook dat kan met ‘een paar drukken op de knop’.
In het geval van SafeMove gaat dat programmeren in RoboStudio in combinatie met SafetyBuilder. Eerstgenoemde is een on- en offline programmeertool die ook voor visualisatie en simulatie kan worden gebruikt. Met de tweede wordt de SafeMove-controller ingesteld en geactiveerd. De combinatie maakt dat engineers al in de ontwerpfase met veiligheidszones en andere veiligheidsaspecten aan de slag kunnen, zodat een nieuwe robot soepel geïntegreerd kan worden. En wanneer een bestaande IRC5-besturing een retrofit krijgt, kan zelfs een robot die al jaren achter de tralies zat, van zijn getemde vrijheid genieten.