Phoenix Contact Deutschland GmbH

Bei der WLAN-Kommunikation mit autonomen Robotern sind die Bandbreite und eine stabile Verbindung im komplexen Umfeld einer industriellen Fertigung entscheidend.

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Sichere Kommunikation unterwegs WLAN-Module in autonom agierenden Robotersystemen

14.02.2020

Die Mensch-Roboter-Kollaboration ist in aller Munde. Gerade bei autonom fahrenden Robotern muss eine zuverlässige Kommunikation per Funk für eine sichere Zusammenarbeit sorgen.

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Industrieroboter, die seit vielen Jahren ein gewohnter Anblick in der Industrie sind, gelten noch immer als Sinnbild für Hochtechnologie und Ingenieurskunst. Nicht selten dienen sie als Fotomotiv im eigenen Produktionsumfeld, denn sie verkörpern Kraft, Präzision und Effizienz.

Doch nicht jeder Prozess- oder Arbeitsschritt eignet sich für eine vollständig maschinengestützte Fertigung. Kleinere Losgrößen, Batch-Prozesse oder wechselnde Tätigkeiten an einer Station können gegen die Installation einer geschlossenen Roboterzelle mit einem festgelegten Arbeitsbereich sprechen.

Insbesondere bei der Bestückung sowie der Handhabung von Werkstücken und Werkzeugen erweist sich die Beibehaltung von flexiblen Prozessen als wichtiger Faktor. Hier stellen Mitarbeiter, die derartige Aufgaben händisch ausführen, oftmals die einzige Lösung dar. An diesen Positionen treffen nun monotone Tätigkeiten auf den obligatorischen Schichtbetrieb. Hinzu können Arbeitsumgebungen mit schädlichen Rahmenbedingungen wie Lärm, Staub, Hitze oder Kälte kommen.

In Summe resultiert daraus häufig eine erhöhte Fehlerquote. Genau auf dieses Spannungsfeld hat sich die zur Schweizer Unternehmensgruppe Stäubli, einem weltweit agierenden Anbieter von Mechatronik-Lösungen gehörende Stäubli Robotics fokussiert und einen intelligenten, flexiblen Helfer für das Handling und die Montage entwickelt.

Eigenständige Navigation

Neben vierachsigen SCARA- und schnellen Pick-and-Place-Robotern stellt das Unternehmen auch mehrachsige Systeme her. Das umfassende Portfolio reicht von vierachsigen SCARA-Robotern, Pickern und sechsachsigen Industrieroboterarmen für jede Umgebung – von Reinraum bis Lebensmittel­industrie – bis zu Power Cobot.

Die Erfahrung und das Engineering-Know-how der Mitarbeiter fließen zudem in branchenspezifische Lösungen ein und zeigen sich ferner in den unternehmenseigenen Steuerungen, Software und Bediengeräten.

Als neuste Entwicklung hat Stäubli Robotics das mobile Robotersystem HelMo in den Markt eingeführt. Dabei handelt es sich um ein vollwertiges und variables Robotersystem, das in ein autonomes Fahrsystem integriert worden ist. So lässt sich HelMo jederzeit dort verwenden, wo er benötigt wird. Und das Robotersystem sucht sich sogar selbst den optimalen Weg zu seinem nächsten Einsatzort.

Trotz der eigenen Masse von über 700 Kilogramm liegt die Positioniergenauigkeit bei +/- 10 Millimeter. Der erprobte TX2-Roboterarm, der eine Spannweite bis zu 1,5 Meter umfasst, wird von Stäubli Robotics ebenfalls in vielen statischen Anwendungen genutzt. Das drehbare Fahrgestell ist gefedert und erfordert keine spezielle Bodenanpassung oder Vorbereitung.

Die Navigation, die drei Laserscanner und Näherungssensoren übernehmen, wird in der CS9-Steuerungseinheit verarbeitet. Für die zuverlässige Kommunikation zwischen Steuerungseinheit und Robotersystem – egal ob stationär oder mobil – setzt Stäubli Robotics auf Wireless-LAN-Module der Produktfamilie WLAN 5110 sowie Antennen von Phoenix Contact.

Sichere Kollaboration mit dem Menschen

Bei einem autonom fahrenden und agierenden System spielt der Safety-Aspekt eine wesentliche Rolle. Um in jeder Situation für die Sicherheit der menschlichen Kollegen zu sorgen, gehört HelMo zur Baureihe Mobile Roboter von Stäubli. HelMo erlaubt die flexible Nutzung der Robotertechnologie an unterschiedlichen Arbeitsstationen innerhalb der smarten Produktion.

Der sichere Industrieroboter der TX2-Serie kann auch ohne physische Trennung durch einen Schutzzaun direkt in der Mensch-Roboter-Kollaboration verwendet werden. Tritt ein Mensch in den virtuellen Schutzraum des Roboters, wird die reguläre Arbeitsgeschwindigkeit nach geltender Norm stufenweise reduziert.

Kommt es zu einem direkten Eingriff in den Arbeitsbereich oder zum Kontakt mit dem AGV, stoppt HelMo sofort und nimmt seine Tätigkeit erst wieder auf, wenn der Mensch den Arbeitsraum verlassen hat. Darüber hinaus lassen sich Safe Zones definieren, in denen der Roboter mit einer sicheren definierten Geschwindigkeit arbeiten kann.

Als zusätzliches Add-on kann der Roboterarm mit einer Air Skin ausgestattet werden. Bei einer Berührung hält das Robotersystem unmittelbar an. Die Reaktionszeit liegt hier im Millisekundenbereich. Der auf HelMo montierte Roboterarm aus der TX2-Baureihe von Stäubli verfügt über die neueste Safety-Technologie und erreicht durch die zertifizierten Absolutencoder und weitere Safety-Technologie die Sicherheitskategorie SIL 3 respektive PL e.

Möglich wird dies durch die selbst entwickelte CS9-Steuerung des Systems, die aus drei 19-Zoll-Einschüben besteht. Die Steuerung, die 1 GB Arbeitsspeicher und 2 GB Festspeicher bietet, wird sowohl in modularen Systemen ebenso wie in stationären Robotern genutzt.

Wenig Platzbedarf im begrenzten Bauraum

HelMo erhält seine Befehle beispielsweise von einem zentralen Leitsystem, das die Anwender ebenso von Stäubli Robotics beziehen. Über dessen Parametrier- und Programmierebene wird festgelegt, welche Aufgaben zu erfüllen, welche Regeln beim Fahren zwischen den Einsatzorten zu beachten und welche Aktoren und Manipulatoren aufzunehmen und zu verwenden sind.

Die Übermittlung der Befehle erfolgt funkbasiert über das WLAN-Netzwerk. Dazu montieren die Anwender entsprechende Module an funktechnisch günstigen Positionen meist unter der Hallendecke. Weil die WLAN-Übertragung gemäß IEEE 802.11 standardisiert ist, kann der WLAN 5110 auch mit den Access Points anderer Hersteller kommunizieren.

Das in die Dreheinheit des Robotersystems eingebaute WLAN-Modul findet aufgrund seines intelligenten Routings stets den optimalen Empfang sowie die maximale Datenrate. Seit dem Upgrade der bewährten Baureihe WLAN 51xx im Jahr 2018 kommen die Access Points mit nur zwei MIMO-Antennen (Multiple Input Multiple Output) aus, wobei die Geräte gleichzeitig als Access Point, Client und Repeater fungieren können.

Wegen der Bauform von HelMo waren die kompakten Gehäuseabmessungen des WLAN 5110 sowie seine flexible Positionierung im drehbaren Rumpf die ausschlaggebenden Kriterien, die für eine Nutzung gesprochen haben.

Flexibel im 2,4 GHz- und 5 GHz-Frequenzband

Das WLAN-Funksystem, die Antriebe, Laserscanner und Steuerungen dürfen sich bei der Signalübertragung nicht stören. Das gilt natürlich ebenfalls für die vielen weiteren Teilnehmer, die im Netzwerk der jeweiligen Produktionshalle verknüpft sind und parallel arbeiten.

Um hier eine hohe Flexibilität sicherzustellen, funken die Module der Baureihe WLAN 5110 sowohl im 2,4 GHz- als auch im 5 GHz-Frequenzband. Da sie gemäß IEEE 802.11a, b, g und n spezifiziert sind, lassen sich die Navigationsbefehle und Systemupdates mit einer Datenrate von bis zu 300 Mbit/s weiterleiten.

Noch entscheidender als die Bandbreite erweist sich eine stabile Verbindung im komplexen Umfeld einer industriellen Fertigung, denn HelMo sucht sich eigenständig seinen Weg. Aufgrund der 360-Grad-Abdeckung durch die drei Laserscanner erkennt das Robotersystem Hindernisse und bewegte Objekte. Die Steuerung speichert mögliche Fahrwege und optimiert sich im laufenden Betrieb selbst.

Natürlich lässt sich HelMo ebenfalls direkt vom Anwender steuern – in der smarten Fabrik beispielsweise über einen virtuellen Joystick auf dem Smartphone oder jedem anderen WLAN-fähigen Device. Außerdem wird das industriekonforme Handsteuergerät SP-2 mit 7-Zoll-Display angeboten, das den Stäubli-Anwendern von weiteren Systemen geläufig ist und in jeder Umgebung eingesetzt werden kann.

Zuverlässige Flexibilität

Mit dem Robotersystem HelMo stellt Stäubli Robotics seinen Kunden eine flexible Lösung zur Verfügung, die der Präzision und Prozessstabilität konventioneller Roboterzellen in nichts nachsteht. Funktechnik von Phoenix Contact sorgt dafür, dass die Kommunikation zwischen Leitsystem und Robotersteuerung stets zuverlässig funktioniert.

Bildergalerie

  • Das mobile Robotersystem HelMo navigiert eigenständig zu seinem Einsatzort, kann sich an Maschinen andocken und führt zuverlässig seine (Handlings-)Aufgaben aus.

    Bild: Phoenix Contact

  • Im Inneren der Dreheinheit sind die CS9-Steuerung sowie die Kommunikationsschnittstellen zum Roboterarm, dem Akku- und Lademanagement und dem Funkmodem untergebracht.

    Bild: Phoenix Contact

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