Was umfasst die Sicherheitstechnik für Roboter?

Roboter bewegen Werkzeuge und Werkstücke häufig mit hoher Geschwindigkeit, großer Reichweite oder erheblicher Kraft. Ihre Bewegungen können für Personen schwer vorhersehbar sein, insbesondere wenn Programme wechseln, Prozesse automatisch wieder anlaufen oder sich Menschen dem Arbeitsbereich nähern.

Die Robotik-Sicherheit verfolgt deshalb das Ziel, Gefährdungen frühzeitig zu erkennen und das Robotersystem rechtzeitig in einen sicheren Zustand zu versetzen. Je nach Anwendung kann das bedeuten, den Roboter zu verlangsamen, seine Bewegungsfreiheit zu begrenzen, einen überwachten Halt auszulösen oder die Antriebsenergie sicher abzuschalten.

Ein vollständiges Sicherheitskonzept besteht in der Regel aus drei Ebenen:

Erst das abgestimmte Zusammenspiel dieser Ebenen ergibt eine wirksame Sicherheitsfunktion. Ein einzelner Sensor macht eine Roboterzelle daher noch nicht automatisch sicher.

Warum reicht eine sichere Einzelkomponente nicht aus?

Viele Sicherheitsprodukte verfügen über definierte Kennwerte, Zertifizierungen oder Sicherheitslevel. Diese Angaben beziehen sich zunächst auf die jeweilige Komponente. Ob die komplette Roboteranwendung ausreichend abgesichert ist, hängt dagegen vom Aufbau des Gesamtsystems ab.

Zur Risikobetrachtung gehören neben dem Roboter unter anderem:

• Endeffektor und Werkzeug

• transportierte oder bearbeitete Werkstücke

• Bewegungsraum und Geschwindigkeit

• Arbeitsplätze und Zugangswege

• Steuerung und Software

• Wartung, Einrichtung und Störungsbeseitigung

• weitere Maschinen innerhalb der Anlage

Ein Cobot kann beispielsweise über kraft- und leistungsbegrenzte Funktionen verfügen. Ein scharfkantiges Werkstück, ein ungeeigneter Greifer oder eine hohe Prozessgeschwindigkeit können dennoch neue Gefährdungen erzeugen. Die gesamte Anwendung muss deshalb als Einheit bewertet werden.

Das CE-Zeichen eines Laserscanners, Sicherheitsschalters oder Roboters ersetzt ebenfalls nicht die Konformitätsbewertung und Validierung des vollständigen Robotersystems.

Welche Sicherheitskomponenten gibt es?

Die richtige Komponente richtet sich danach, welche Gefahr erkannt werden soll, wie sich Personen der Gefahrenstelle nähern und welche Reaktion des Roboters erforderlich ist.

Sicherheits-Laserscanner

Sicherheits-Laserscanner überwachen frei definierbare Flächen rund um Roboter, Maschinen oder mobile Anwendungen. Sie eignen sich besonders für offene Arbeitsbereiche, in denen feste Schutzzäune den Prozess unnötig einschränken würden.

Viele Geräte unterstützen mehrere Schutz- und Warnfelder. Nähert sich eine Person, kann das System zunächst eine Warnung auslösen oder die Robotergeschwindigkeit reduzieren. Bei weiterer Annäherung wird ein sicherer Halt eingeleitet.

Laserscanner eignen sich unter anderem für:

• offene Roboterzellen

• Übergabestationen

• Palettierbereiche

• Maschinenbe- und -entladung

• mobile oder veränderbare Arbeitsplätze

• Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung

In Verbindung mit einer geeigneten Sicherheitssteuerung können unterschiedliche Feldbereiche ausgewertet und an den jeweiligen Prozesszustand angepasst werden.

Sicherheits-Lichtvorhänge und Lichtgitter

Sicherheits-Lichtvorhänge erzeugen ein unsichtbares Schutzfeld aus mehreren Lichtstrahlen. Wird dieses Feld unterbrochen, löst das Sicherheitssystem die vorgesehene Reaktion aus.

Sie eignen sich besonders für klar abgegrenzte Zugänge, Materialöffnungen oder Arbeitsstationen, an denen Personen regelmäßig ein- und ausgreifen müssen. Je nach Auflösung können Lichtvorhänge Finger, Hände oder Körper erkennen.

Typische Anwendungen sind:

• Zugangsabsicherung

• Eingriffsöffnungen

• Übergabebereiche

• Materialzuführung

• Montagearbeitsplätze

• Roboterzellen mit häufigem Teilewechsel

Im Gegensatz zu einem Laserscanner überwacht ein Lichtvorhang keine frei definierbare Fläche, sondern eine festgelegte Ebene.

Schutzzäune, Türen und Sicherheitsschalter

Trennende Schutzeinrichtungen verhindern den unmittelbaren Zugang zum Gefahrenbereich. Dazu gehören Schutzgitter, Einhausungen und Türen mit Sicherheitsverriegelung.

Ein Sicherheitsschalter überwacht, ob eine Tür geschlossen ist. Eine Zuhaltung verhindert zusätzlich, dass die Tür geöffnet wird, solange von der Anlage noch eine Gefahr ausgeht. Dies kann beispielsweise erforderlich sein, wenn der Roboter nach einem Stoppsignal nicht sofort zum Stillstand kommt.

Solche Lösungen eignen sich besonders für Anwendungen mit:

• hohen Geschwindigkeiten

• großen Traglasten

• herumfliegenden Werkstücken

• scharfen oder heißen Werkzeugen

• Prozessgefahren, die auch bei stillstehendem Roboter bestehen

Sicherheitsrelais und Sicherheitssteuerungen

Sicherheitssteuerungen verknüpfen die Signale verschiedener Schutzeinrichtungen mit den sicheren Funktionen des Roboters oder Antriebssystems.

Ein Sicherheitsrelais eignet sich häufig für überschaubare Anwendungen mit wenigen Signalen. Eine Safety-PLC bietet mehr Flexibilität, wenn mehrere Türen, Scannerfelder, Betriebsarten, Roboter oder Maschinen miteinander koordiniert werden müssen.

Die erforderliche Architektur ergibt sich aus der Risikobeurteilung und dem benötigten Performance Level beziehungsweise Safety Integrity Level.

Not-Halt- und Zustimmeinrichtungen

Ein Not-Halt ermöglicht es, eine gefährliche Bewegung in einer Notsituation schnell zu unterbrechen. Er ist eine ergänzende Schutzmaßnahme und ersetzt weder eine Schutzeinrichtung noch ein vollständiges Sicherheitskonzept.

Zustimmtaster werden häufig beim Einrichten, Programmieren oder Testen verwendet. Der Bediener muss den Taster bewusst in einer definierten Position halten. Wird er losgelassen oder vollständig durchgedrückt, wird die gefährliche Bewegung gestoppt.

Sichere Antriebs- und Bewegungsfunktionen

Moderne Roboter und Antriebe können verschiedene sichere Bewegungsfunktionen unterstützen. Dazu zählen beispielsweise:

• Safe Torque Off (STO) zur sicheren Unterbrechung des antriebsbildenden Drehmoments

• sicher begrenzte Geschwindigkeit

• sicher überwachter Stillstand

• sichere Positions- oder Arbeitsraumbegrenzung

• sicherer Stopp

• sichere Drehrichtungsüberwachung

Welche Funktionen verfügbar sind, hängt vom Roboter, der Steuerung, den installierten Optionen und der Anwendung ab. Die Bezeichnungen und technischen Möglichkeiten unterscheiden sich teilweise zwischen den Herstellern.

Welche Sicherheitslösung passt zu Ihrer Anwendung?

Die Produktauswahl sollte nicht mit einem bestimmten Sensor beginnen, sondern mit der zu beherrschenden Gefahr und dem gewünschten Prozess.

Diese Zuordnung dient als erste Orientierung. Die endgültige Auswahl muss auf der Risikobeurteilung, den Nachlaufzeiten und der konkreten Anlagenkonstruktion basieren.

Laserscanner oder Lichtvorhang?

Beide Technologien erkennen den Zugang von Personen berührungslos, erfüllen jedoch unterschiedliche Aufgaben.

Ein Scanner ist häufig sinnvoll, wenn sich Personen aus verschiedenen Richtungen einer Roboterzelle nähern können. Ein Lichtvorhang bietet Vorteile, wenn eine klar definierte Öffnung zuverlässig überwacht werden soll.

Was bedeutet funktionale Sicherheit?

Die funktionale Sicherheit bei Robotern beschreibt den Teil der Gesamtsicherheit, der von der korrekten Funktion sicherheitsbezogener Steuerungen abhängt. Eine Sicherheitsfunktion muss auch bei einem erkannten Fehler zuverlässig die vorgesehene Risikominderung erreichen.

Ein Beispiel ist die Überwachung einer Schutztür:

1. Der Sicherheitsschalter erkennt das Öffnen der Tür.

2. Die Sicherheitssteuerung wertet das Signal aus.

3. Die Robotersteuerung oder der Antrieb führt den sicheren Stopp aus.

4. Ein unerwarteter Wiederanlauf wird verhindert.

Nicht nur der Türschalter, sondern die vollständige Kette aus Sensor, Logik und Aktorik muss den erforderlichen Sicherheitslevel erreichen.

Die ISO 13849-1:2023 beschreibt eine Methodik für sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen und deren Performance Level. Je nach technischer Auslegung kann alternativ beziehungsweise ergänzend auch die IEC 62061 relevant sein.

Sicherheit bei Industrierobotern und Cobots

Klassische Industrieroboter arbeiten häufig innerhalb einer abgegrenzten Zelle. Schutzzaun, verriegelte Zugangstür und sichere Abschaltung verhindern, dass Personen während gefährlicher Bewegungen in den Arbeitsraum gelangen.

Bei kollaborativen Anwendungen sollen Mensch und Roboter dagegen zeitweise oder dauerhaft einen Arbeitsraum teilen. Das Sicherheitskonzept kann dann beispielsweise auf überwachtem Stillstand, Handführung, Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung oder Leistungs- und Kraftbegrenzung basieren.

Ein Cobot ist jedoch nicht automatisch ohne Schutzzaun einsetzbar. Entscheidend sind die vollständige Anwendung, die Geschwindigkeit, das Werkzeug, das Werkstück, mögliche Klemmstellen und die Art der Interaktion. Die Zusammenarbeit ohne trennende Schutzeinrichtung bleibt technisch anspruchsvoll und erfordert eine anwendungsspezifische Absicherung.

Risikobeurteilung vor der Produktauswahl

Eine belastbare Sicherheitslösung beginnt mit der Risikobeurteilung. Dabei werden Gefährdungen über alle relevanten Lebensphasen der Maschine betrachtet – von Installation und Einrichtung über Automatikbetrieb und Reinigung bis zu Wartung und Störungsbeseitigung.

Die ISO 12100 beschreibt Grundsätze zur Risikobeurteilung und Risikominderung. Für industrielle Roboter und Roboteranwendungen sind insbesondere die 2025 veröffentlichten Teile ISO 10218-1 und ISO 10218-2 relevant. Die Positionierung und Dimensionierung von Schutzeinrichtungen wird unter anderem durch ISO 13855:2024 behandelt.

Ein typischer Planungsablauf ist:

1. Grenzen und bestimmungsgemäße Verwendung der Anwendung definieren.

2. Gefährdungen und mögliche Zugänge identifizieren.

3. Risiken bewerten.

4. notwendige Sicherheitsfunktionen festlegen.

5. erforderlichen Performance Level oder SIL bestimmen.

6. geeignete Komponenten auswählen und verschalten.

7. Sicherheitsfunktionen verifizieren und validieren.

8. Ergebnisse dokumentieren.

Die EU-Maschinenverordnung (EU) 2023/1230 gilt weitgehend ab dem 20. Januar 2027 und löst dann die bisherige Maschinenrichtlinie ab. Bei der Planung neuer Anlagen sollte daher geprüft werden, welche gesetzlichen Anforderungen zum Zeitpunkt des Inverkehrbringens gelten.

Was sollten Sie vor dem Kauf prüfen?

Die Auswahl von Roboter-Sicherheitstechnik hängt nicht nur von der Produktart ab. Auch Reaktionszeit, Reichweite, Schnittstellen und Umgebungsbedingungen beeinflussen die Eignung.

Der günstigste Sensor ist nicht zwangsläufig die wirtschaftlichste Lösung. Entscheidend ist, ob sich die Sicherheitsfunktion zuverlässig integrieren, validieren und im laufenden Betrieb warten lässt.

Warum sind Nachlaufzeit und Sicherheitsabstand wichtig?

Eine berührungslos wirkende Schutzeinrichtung erkennt eine Person nicht direkt an der Gefahrenstelle, sondern in einem festgelegten Abstand davor. Dieser Abstand muss ausreichen, damit Erkennung, Signalverarbeitung und Stillsetzen abgeschlossen sind, bevor die Person die gefährliche Bewegung erreicht.

Für die Berechnung sind unter anderem relevant:

• Annäherungsrichtung und angenommene Annäherungsgeschwindigkeit

• Reaktionszeit des Sensors

• Verarbeitungszeit der Sicherheitssteuerung

• Stoppzeit von Roboter, Werkzeug und Prozess

• Erkennungsvermögen der Schutzeinrichtung

• möglicher Zugriff über, unter oder neben dem Schutzfeld

Ein schnellerer Sensor allein führt daher nicht automatisch zu einem kleinen Sicherheitsabstand. Die gesamte Nachlaufzeit der Anwendung muss gemessen und berücksichtigt werden. ISO 13855:2024 behandelt die Positionierung und Dimensionierung verschiedener Schutzeinrichtungen in Bezug auf die Annäherung des menschlichen Körpers.

Kompatibilität mit Roboter und Steuerung

Vor dem Kauf sollte geklärt werden, wie die Sicherheitskomponente mit der Robotersteuerung kommuniziert. Ein klassischer sicherer Ein- und Ausgang kann für einfache Stoppfunktionen ausreichen. Komplexere Anwendungen benötigen eventuell sichere Feldbusprotokolle oder herstellerspezifische Sicherheitsoptionen.

Prüfen Sie unter anderem:

• verfügbare sichere Ein- und Ausgänge

• unterstützte Sicherheitsfunktionen

• Feldbus und Kommunikationsprotokoll

• Reaktions- und Zykluszeiten

• Diagnosemöglichkeiten

• benötigte Softwarelizenzen

• zulässige Roboterversionen und Steuerungsgenerationen

Auch bei der Sicherheit von KUKA Robotern oder Systemen anderer Hersteller entscheidet nicht allein die Marke. Maßgeblich sind die konkrete Steuerung, die aktivierten Sicherheitsfunktionen, das verwendete Werkzeug und die vollständige Anwendung.

Welche Informationen helfen bei der Beratung?

Je genauer die Anwendung beschrieben ist, desto schneller können geeignete Komponenten und ein sinnvolles Sicherheitskonzept eingegrenzt werden.

Fotos oder ein Layout der Anlage helfen zusätzlich, Zugangswege, tote Winkel und mögliche Montagepositionen zu beurteilen.

Häufige Fehler bei der Planung

Viele Probleme entstehen nicht durch ungeeignete Produkte, sondern durch eine zu frühe Produktauswahl oder eine unvollständige Betrachtung der Anwendung.

Typische Fehler sind:

• Sicherheitskomponenten vor der Risikobeurteilung auswählen

• einen Cobot grundsätzlich als ungefährlich bewerten

• nur die Roboterbewegung, nicht aber Werkzeug und Werkstück berücksichtigen

• Sicherheitsabstände schätzen statt berechnen und messen

• Öffnungen neben oder unter dem Schutzfeld übersehen

• Not-Halt als Ersatz für reguläre Schutzeinrichtungen betrachten

• sichere Funktionen mit normalen Steuerungsfunktionen verwechseln

• herstellerspezifische Schnittstellen nicht prüfen

• Wartung und Störungsbeseitigung nicht berücksichtigen

• Validierung und Dokumentation erst am Projektende einplanen

Eine frühzeitige Abstimmung zwischen Konstruktion, Elektrotechnik, Integration, Arbeitssicherheit und späterem Betreiber verhindert kostspielige Umbauten.

Was kostet die Absicherung einer Roboteranwendung?

Die Kosten hängen weniger von einem einzelnen Sicherheitsprodukt als vom gesamten Schutzkonzept ab. Eine einfache Türüberwachung kann mit wenigen Komponenten umgesetzt werden. Eine offene Roboterzelle mit mehreren Scannerfeldern, sicherer Geschwindigkeitsüberwachung und komplexer Steuerungslogik erfordert deutlich mehr Engineering.

Einfluss auf die Gesamtkosten haben unter anderem:

• Anzahl und Art der Zugänge

• Größe des Gefahrenbereichs

• Stoppzeit und benötigte Sicherheitsabstände

• erforderlicher Performance Level oder SIL

• vorhandene sichere Roboterfunktionen

• Steuerungs- und Feldbusarchitektur

• Montage und Verkabelung

• Programmierung

• Verifikation und Validierung

• Dokumentation und spätere Prüfungen

Wirtschaftlich ist nicht zwangsläufig die Lösung mit den geringsten Anschaffungskosten. Ein gut geplantes Konzept kann unnötige Stillstände vermeiden, einen schnelleren Wiederanlauf ermöglichen und den Platzbedarf der Anlage reduzieren.

Häufig gestellte Fragen zur Robotersicherheit

Ist ein Cobot ohne Schutzzaun automatisch sicher?

Nein. Ob ein Cobot ohne trennende Schutzeinrichtung betrieben werden kann, hängt von der vollständigen Anwendung ab. Geschwindigkeit, Kraft, Greifer, Werkstück, Klemmstellen und mögliche Kontakte müssen in der Risikobeurteilung berücksichtigt werden.

Was ist der Unterschied zwischen Sicherheitsrelais und Safety-PLC?

Ein Sicherheitsrelais eignet sich für einfache Sicherheitsfunktionen mit wenigen Signalen. Eine Safety-PLC ist programmierbar, besser skalierbar und häufig für komplexe Roboterzellen mit mehreren Betriebsarten oder Schutzbereichen geeignet.

Kann ein Laserscanner den Roboter nur stoppen?

Nein. In Verbindung mit geeigneten sicheren Steuerungs- und Bewegungsfunktionen kann ein Scanner unterschiedliche Zonen überwachen. Je nach Abstand kann der Roboter beispielsweise zunächst verlangsamt und bei weiterer Annäherung sicher gestoppt werden.

Welche Sicherheitstechnik benötigen KUKA Roboter?

Das hängt von Robotermodell, Steuerung, vorhandenen Sicherheitsoptionen und der Anwendung ab. Externe Scanner, Lichtvorhänge, Türschalter oder Sicherheitssteuerungen müssen über geeignete sichere Schnittstellen mit dem Robotersystem verbunden werden.

Macht eine CE-gekennzeichnete Komponente die Roboterzelle CE-konform?

Nein. Die Konformität einzelner Komponenten ersetzt nicht die Risikobeurteilung, Integration und Validierung der vollständigen Maschine oder Roboteranlage.

Kann eine bestehende Roboterzelle nachgerüstet werden?

Grundsätzlich können viele Anlagen mit moderner Sensorik, Sicherheitssteuerungen oder zusätzlichen Schutzeinrichtungen nachgerüstet werden. Vorher müssen jedoch die vorhandene Steuerung, Schnittstellen, Stoppzeiten und ursprüngliche Dokumentation geprüft werden.

Was bedeutet Performance Level?

Der Performance Level beschreibt die Fähigkeit eines sicherheitsbezogenen Steuerungsteils, eine Sicherheitsfunktion unter vorhersehbaren Bedingungen zuverlässig auszuführen. Der erforderliche Performance Level wird aus der Risikobeurteilung abgeleitet.

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Eine wirksame Absicherung beginnt mit der Risikobeurteilung und endet nicht bei der Auswahl eines einzelnen Sensors. Schutzfeld, Reaktionszeit, Steuerungsarchitektur, sichere Roboterfunktionen und Integration müssen gemeinsam zur Anwendung passen.

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