Wo ein Lichtvorhang stehen muss: die Rechnung hinter dem Sicherheitsabstand

Ein Lichtvorhang hält keine Maschine an. Er löst einen Halt aus, und die Maschine bewegt sich weiter, während dieser Halt läuft. Der Abstand zwischen Schutzfeld und Gefahrstelle ist der gesamte Schutz — und er stammt aus einer Rechnung, die zehn Minuten dauert und häufiger übersprungen wird als jeder andere Schritt im Maschinenbau.

An einer Zelle, die wir letztes Jahr begutachten sollten, war der Lichtvorhang vor einer Servopresse 300 mm vom Werkzeug entfernt montiert. Es war ein Typ-4-Vorhang, korrekt auf ein zweikanaliges Sicherheitsrelais verdrahtet, bei der Übergabe geprüft, und jedes Dokument in der Akte sagte, die Zelle sei sicher. Der Vorhang arbeitete genau wie spezifiziert: Er erkannte eine Hand, öffnete beide Kanäle und forderte innerhalb von 20 ms einen Halt an. Die Presse brauchte danach weitere 190 ms bis zum Stillstand. In diesen 190 ms legt eine Hand mit gewöhnlicher Geschwindigkeit knapp 400 mm zurück, und das Werkzeug war 300 mm entfernt. An dieser Zelle stimmte alles außer der einen Zahl, die niemand gerechnet hatte.

Das ist der häufigste ernste Befund, den wir an Maschinen erheben, die zum Retrofit oder zum Nachbau zu uns kommen, und er gehört klar aufgeschrieben. Eine Schutzeinrichtung hält keine Maschine an. Sie löst einen Halt aus, und die Maschine bewegt sich weiter, während dieser Halt läuft. Der Sicherheitsabstand kauft die Zeit dafür. Ist der Abstand falsch, ist jeder andere Teil der Sicherheitstechnik Dekoration.

Die Formel, und was jeder Term wirklich bedeutet

Die ISO 13855 gibt die Berechnung des Mindestabstands S in Millimetern an: S = K x T + C. Sie sieht trivial aus, und die Gefahr steckt im Detail der drei Terme.

K ist die angenommene Annäherungsgeschwindigkeit des Körperteils in Millimetern pro Sekunde. Für eine Hand oder einen Arm, die sich senkrecht auf eine vertikale Schutzfeldebene zubewegen, verwendet die Norm 2000 mm/s. Ergibt die Rechnung mehr als 500 mm, darf sie mit 1600 mm/s wiederholt werden, das Ergebnis darf dann aber nie unter 500 mm liegen. Das ist keine Schätzung, wie schnell ein umsichtiger Bediener sich bewegt. Es ist ein konservativer Wert, der den Fall abdeckt, dass jemand schnell nach einem verklemmten Teil greift — also genau den Moment, in dem Hände dorthin gehen, wo sie nicht hingehören.

T ist die Gesamtzeit zwischen dem Unterbrechen des Strahls und dem Stillstand der gefahrbringenden Bewegung. Sie ist die Summe aus mindestens zwei Teilen: der Ansprechzeit der Schutzeinrichtung samt Logik, die in den Datenblättern steht, und dem Nachlaufverhalten der Maschine selbst, das dort nicht steht. Der Maschinenanteil umfasst die Reaktion des Sicherheitsrelais oder der Sicherheitssteuerung, die Abfallzeit des Schützes oder die Reaktion des Antriebs, die Reaktion eines Ventils und die physikalische Verzögerung der bewegten Masse. An einer mechanischen Presse oder einem Hydraulikzylinder dominiert der letzte Term, und er steht in keinem Katalog.

C ist der Eindringabstand: wie weit ein Körperteil durch die Schutzfeldebene reichen kann, bevor es überhaupt erkannt wird. Für einen Vorhang mit einem Auflösungsvermögen d von 40 mm oder weniger gilt C = 8 x (d − 14) mm, und der Wert wird nie negativ. Ein Fingerschutzvorhang mit d = 14 mm addiert also nichts. Ein Vorhang mit d = 30 mm addiert 128 mm. Ein Vorhang mit d = 40 mm addiert 208 mm. Allein dieser Term ist der Grund, warum ein grober Vorhang weniger spart, als es scheint: Was am Gerät nicht ausgegeben wird, zahlt man in Stellfläche — und oft in Taktzeit, wenn der Bediener weiter laufen muss.

Ein durchgerechnetes Beispiel

Nehmen wir die Presse aus dem ersten Absatz und rechnen sauber. Der Vorhang hat ein Auflösungsvermögen von 30 mm, also C = 8 x (30 − 14) = 128 mm. Die Ansprechzeit von Vorhang und Relais beträgt 20 ms. Die gemessene Nachlaufzeit der Presse, im schlechtesten Fall bei maximaler Last und maximaler Geschwindigkeit, beträgt 180 ms. T ist damit 0,2 s.

Bei 2000 mm/s ist S = 2000 x 0,2 + 128 = 528 mm. Das übersteigt 500 mm, die Rechnung darf also mit 1600 mm/s wiederholt werden: S = 1600 x 0,2 + 128 = 448 mm, was unter der Untergrenze von 500 mm liegt — das Ergebnis lautet daher 500 mm. Der Vorhang bei 300 mm war nicht knapp. Er fehlte um 200 mm, und diese Lücke ließ sich nicht durch bessere Verdrahtung, eine schnellere SPS oder mehr Schulung schließen. Entweder der Vorhang rückt zurück, oder die Maschine hält schneller, oder das Werkzeug wird anders gesichert.

Die dritte Möglichkeit ist wichtig, weil die Rechnung auch zeigt, wohin Geld gehört. Ein Antrieb mit sicherer Stoppfunktion, der die Servoachse in 60 ms bremst, statt ein Schütz abfallen zu lassen und die Masse auslaufen zu lassen, senkt T auf 0,08 s und S auf 288 mm. Eine kürzere Nachlaufzeit kauft Stellfläche und Reichweite zurück, was an einem manuellen Beladeplatz in jedem Zyklus bares Geld ist. Die Sicherheitsrechnung und die Produktivitätsrechnung sind dieselbe Rechnung.

Waagerechte und schräge Annäherung sind eine andere Rechnung

Ein waagerecht über einen Zugangsbereich gelegter Vorhang oder ein Flächenscanner, der den Boden vor einem Roboter abdeckt, fällt nicht unter dieselben Konstanten. Hier wird die Annäherungsgeschwindigkeit mit 1600 mm/s angesetzt, und der Eindringabstand hängt von der Höhe H der Schutzfeldebene über dem Boden ab: C = 1200 − 0,4 x H, und er darf nie unter 850 mm fallen. Ein Scannerfeld 300 mm über dem Boden trägt also einen Eindringzuschlag von 1080 mm, bevor die Nachlaufzeit überhaupt betrachtet wird. Schutzfeldebenen müssen außerdem innerhalb der Höhengrenzen liegen, die die Norm zulässt, denn eine zu hoch montierte Ebene lässt sich unterschreiten und eine zu tiefe übersteigen.

Schräge Anordnungen, üblich dort, wo ein Vorhang sowohl die Öffnung als auch die Annäherung längs eines Förderers abdecken muss, werden wie der jeweils anspruchsvollere der beiden Fälle behandelt. Ist die Geometrie nicht eindeutig senkrecht oder eindeutig waagerecht, rechnen wir beides und nehmen den größeren Abstand. Das ist billiger, als während der Abnahme darüber zu streiten.

Die Zahl, die gemessen werden muss

Alles oben Gesagte hängt an der Nachlaufzeit der Maschine, und die Nachlaufzeit ist die eine Eingangsgröße, die sich verschlechtert. Bremsbeläge verschleißen, Hydraulikventile werden mit den Jahren langsamer, eine Kupplung an einer mechanischen Presse ändert sich mit der Temperatur, und eine Maschine, die neu in 180 ms stand, braucht nach zwei Jahren Dreischichtbetrieb womöglich 260 ms. Deshalb wird das Nachlaufverhalten mit einem Nachlaufzeitmessgerät gemessen statt geschätzt, im schlechtesten Fall statt in einer bequemen Einstellung, und in definiertem Abstand erneut gemessen. Wir schreiben das Messintervall in den Wartungsplan, zusammen mit dem Messwert und dem Abstand, den er rechtfertigt, damit der nächste Ingenieur auf einen Blick sieht, ob die Maschine in ihre eigene Sicherheitsreserve gewandert ist.

Zwei verwandte Fallen sind es wert, benannt zu werden. Die erste ist das Retrofit, das Masse hinzufügt: ein größeres Werkzeug, ein schwererer Greifer, ein längerer Hub. Die Masse steht in der mechanischen Rechnung, und niemand kehrt zur Sicherheitsrechnung zurück, obwohl sich die Nachlaufzeit geändert hat. Die zweite ist das eilig eingebaute Ersatzteil, bei dem ein Schütz oder ein Ventil mit anderer Ansprechzeit eingesetzt wird, weil es im Regal lag. Beides findet man durch Nachmessen — und durch nichts sonst.

Was ein Lichtvorhang nicht kann

Eine Abstandsrechnung beantwortet eine Frage: wie weit die Schutzfeldebene entfernt sein muss. Sie sagt nichts darüber, ob ein Lichtvorhang überhaupt die richtige Einrichtung ist. Kann eine Person die Ebene durchschreiten und zwischen Vorhang und Gefahrstelle stehen, startet die Maschine bereitwillig mit jemandem darin. Das ist ein Ganzkörperzutritt und verlangt entweder eine Anwesenheitserkennung in der Zelle, eine baulich begrenzte Öffnung oder einen Zaun mit verriegelter Tür und einer Schlüsseltransfer- oder Wiederanlaufdisziplin, die es unmöglich macht, drinnen zu sein, wenn die Zelle freigegeben wird. Ein Vorhang tut außerdem nichts gegen aus dem Werkzeug geschleuderte Teile, gegen heiße oder scharfe Oberflächen und gegen die Reichweiten über und um Schutzeinrichtungen, die die ISO 13857 behandelt. Reflektierende Flächen verdienen ebenfalls Erwähnung: Ein polierter Schutz oder eine glänzende Vorrichtung nahe der optischen Achse kann einen Strahl um ein Hindernis herum spiegeln — weshalb der Mindestabstand zu reflektierenden Flächen aus dem Gerätehandbuch Teil des Layouts ist und kein Nachgedanke bei der Montage.

Muting verdient einen eigenen Absatz, denn dort gehen gute Installationen am häufigsten schief. Muting existiert, damit eine Palette durch einen Vorhang passieren kann und eine Person nicht. Es funktioniert nur, wenn die Mutingsensoren so angeordnet sind, dass keine Kombination von Sensorzuständen durch einen hindurchgehenden Menschen erzeugt werden kann, wenn die Mutingzeit begrenzt ist und wenn die Mutingleuchte sichtbar ist. Eine bei der Inbetriebnahme zusammenprobierte Mutinganordnung endet meist als Vorhang, der ein Viertel jedes Zyklus abgeschaltet ist.

Wie wir das in einem Projekt handhaben

An unseren eigenen Maschinen ist der Sicherheitsabstand ein Maß auf der Layoutzeichnung, bevor der Stahl bestellt wird, und keine Notiz, die bei der Montage auffällt. Die Risikobeurteilung benennt das erforderliche Performance Level je Funktion, daraus folgt die Geräteauswahl, und die Rechnung liegt mit ihren Eingangswerten in der Akte: Auflösungsvermögen, Ansprechzeiten aus den Datenblättern, gemessene Nachlaufzeit, resultierender Abstand und der tatsächlich gebaute Abstand. Bei der Abnahme messen wir die Nachlaufzeit an der fertigen Maschine erneut und prüfen den gebauten Abstand vor den Augen des Kunden gegen die frische Zahl — denn eine Zahl in einer Akte ist wenig wert, wenn nach der Fertigstellung niemand nachgemessen hat.

Nichts davon ist kompliziert. Es ist eine Formel, drei Eingangswerte und ein Maßband, und es dauert zehn Minuten. Es ist zugleich der Unterschied zwischen einem Schutz, der einen Menschen schützt, und einem, der nur so aussieht — und es ist das Erste, was wir prüfen, wenn eine Maschine von anderswo bei uns ankommt.

— Engineering-Team GANI Engineering