Der Trend hin zu Cobots zeichnet sich auch in den Marktzahlen ab: 2022 stieg der weltweite Umsatz mit Cobots um 17,2 Prozent auf 954 Millionen US-Dollar. Mit 37.780 Einheiten sind 22 Prozent mehr kollaborative Roboter im Einsatz als im Vorjahr 2021. Ein Ende dieses Aufwärtstrends ist nicht in Sicht, für die nächsten 5 Jahre prognostizieren Marktforscher wie Interact Analysis („Global Collaborative Robot Market – 2023“) sogar eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate des globalen Cobot-Marktes von 27 Prozent.
Entscheidend für dieses Wachstum und die Akzeptanz der Technologie ist die Integration von Sicherheitsfunktionen in die Roboter. Für das Plus an Safety können Drehmomentsensoren sorgen, die die Drehmomente in den zahlreichen Gelenken der Cobots überwachen. Dank ihrer schnelleren Reaktionszeit und ihrer höheren Genauigkeit, sind diese Sensoren anderen Lösungen überlegen. Das Ergebnis sind sicherere und zuverlässigere Robotersysteme, die gleichzeitig mehr Sicherheit für den Bediener bieten.
Die richtigen Sensoren für Cobots finden
Drehmomentsensoren basieren auf einer integrierten MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)-Kraftmessdose, die das Drehmoment in ein digitales Ausgangssignal umwandelt. Dieses ist proportional zum vorherrschenden Drehmoment. Die Sensoren im Roboter erkennen, ob ein Drehmoment groß genug ist, um den Bediener zu verletzen oder den Cobot zu beschädigen. Noch bevor es zu Verletzungen oder Schäden kommen kann, schaltet das Steuerungssystem den Roboter sofort ab und stoppt die gefahrbringende Bewegung.
Der Drehmomentsensor wird in der Regel in jedes Gelenk integriert und erfasst direkt die von außen einwirkende Kraft beziehungsweise das Drehmoment. Das ermöglicht ein schnelleres Anhalten der Bewegung bei einem Kontakt mit dem Bediener als bei anderen, in der Regel komplexeren Lösungen. Diese berechnen beispielsweise anhand der Stromstärken in den Antrieben des Cobots die jeweils vorhandene Belastung, was zu zeitaufwändig ist für eine schnelle Abschaltung des gesamten Systems.
Befindet sich der Roboter im „aktiven“ Modus, kann der Bediener den Roboterarm manuell führen (Lead-Through-Programmierung), um dem Roboter einfach neue Aufgaben beizubringen. Während der Programmierung bewegt der Bediener also physisch den Arm durch die Wegpunkte einer gewünschten Aufgabe. Die direkte Erfassung des Drehmoments in den Gelenken durch den Sensor ermöglicht hierbei eine reibungslose und präzise Führung der Armbewegung.
Drehmomentsensoren für robuste Cobot-Designs
Ein Maximum an funktionaler Sicherheit, hohe Belastbarkeit, höhere Bewegungsgeschwindigkeit des Roboterarms, leichte Bauweise – der Anforderungskatalog eines namhaften Roboterherstellers an seine neue Cobot-Serie war lang. Damit nicht genug: Der Cobot sollte auf kleinem Raum und gleichzeitig auch bei hohen Drehmomenten, zum Beispiel hervorgerufen durch eine extreme axiale Belastung und starke Kippbewegung – und großen thermischen Schwankungen zuverlässig funktionieren. Und nicht zuletzt sollten sich die eingesetzten Drehmomentsensoren durch besondere Langlebigkeit auszeichnen.
Microfused-Technologie mit Innovationspotenzial
Um die Lebensdauer zu erhöhen, entschied sich das Team von TE Connectivity (TE), Sicherheitssensoren mit der sog. Microfused-Sensortechnologie einzusetzen. Hierbei misst der Sensor die Verformung einer Membran unter äußerem Druck mit hochempfindlichen Silizium-Dehnungsmessstreifen in einer Brückenkonfiguration. Der piezoresistive MEMS-Silizium-Dehnungsmessstreifen wird mit Glas auf Edelstahl aufgeschmolzen. Dadurch entsteht eine stabile, zuverlässige Verbindung, die genauere Drehmomentmessungen bei guter Thermoregulierung ermöglicht. Durch diese Verbindung wird die Dehnung im Stahl so auf die Silizium-Dehnungsmessstreifen übertragen, sodass genaue Drehmomentmessungen über einen langen Zeitraum möglich sind.
Darüber hinaus erfüllt die Microfused-Sensortechnologie aufgrund ihrer Überlastfähigkeit die Anforderungen der OEMs nach hoher Belastbarkeit in den Roboter-Gelenken. Praktische Ergebnisse zeigen, dass auch Lastspitzen mit doppelter Nennlast als unkritisch eingeschätzt werden können und es erst ab einer 5-fachen Nennlast zu Ausfällen kommen kann.
Fazit: Alle Möglichkeiten von Industrie 4.0 ausschöpfen
Da der Einsatz von Cobots immer mehr zunimmt, ist zu erwarten, dass es zukünftig zu weiteren Innovationen und Fortschritten bei den Sicherheitsfunktionen kommen wird. Langlebige Drehmomentsensoren, zuverlässige Steckverbinder und eine weltweite, funktionsübergreifende Fachkompetenz spielen hierbei und bei der zukünftigen Entwicklung der Industrie 4.0 eine wichtige Rolle. Das Unternehmen TE Connectivity hat deshalb ein Team aufgebaut, das verschiedene Funktionen und Bereiche abdeckt, um für Cobot-Hersteller maßgeschneiderte Lösungen zu entwickeln.
