Berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen

Berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen erkennen mittels Sensoren, d.h. ohne physischen Kontakt,  das Eindringen von Körperteilen in ein Schutzfeld.

Was sind Berührungslos wirkende Schutzeinrichtung?

Einrichtungen, bei denen ein Schaltvorgang durch Veränderung optischer, elektromagnetischer, elektrostatischer oder anderer Felder ausgelöst wird und die damit eine Schutzfunktion ausüben, werden als berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen (BWS) bzw. als nicht mechanisch betätigte Schutzeinrichtungen mit Annäherungsreaktion bezeichnet (z. B. Lichtschranke, Ultraschall-Schutzeinrichtung).

Der Schaltvorgang, der beim Eindringen eines Körperteils oder Gegenstands in das von der Einrichtung gebildete Schutzfeld ausgelöst wird, verhindert die gefährliche Bewegung, z. B. einer Maschine, oder unterbricht sie. Diese Einrichtungen schützen nicht vor wegfliegenden Teilen, Spritzern u. Ä.

Welche Typen von berührungslos wirkenden Schutzeinrichtungen gibt es?

Man unterscheidet verschiedene Ausführungen von berührungslos wirkenden Schutzeinrichtungen:

• Die optoelektronische Schutzeinrichtung zur Flächenüberwachung (AOAPD = active opto-electronic area protection device) sendet radiale Lichtimpulse aus. Treffen diese im Schutzfeld (programmierter Bereich) auf einen Gegenstand, werden sie reflektiert. Über die Messung der Lichtlaufzeit wird die Position des Gegenstandes ermittelt. Dem Schutzfeld kann ein so genanntes Warnfeld vorgelagert werden. Hierdurch sind auf die Situation abgestimmte Sicherheitsreaktionen möglich. Bei mobilen Systemen kann z. B. ein Warnsignal ertönen und die Geschwindigkeit reduziert werden. Das Bremsen bis zum Stillstand erfolgt, falls eine Person oder ein Gegenstand vom Schutzfeld erfasst werden. Diese Systeme (Laserscanner) werden z. B. als Anfahrschutz bei Flurförderzeugen im Regalgang, bei fahrerlosen Transportsystemen, an Hängebahnen und Fördereinrichtungen eingesetzt. Bei stationären Anlagen können ebenfalls Warneinrichtungen (akustisch, optisch) aktiviert werden, während die Anlage weiterläuft. Falls die Person oder der Gegenstand sich dem Gefahrbereich weiter nähert und in das Schutzfeld eindringt, wird die gefährliche Bewegung oder die gesamte Anlage abgeschaltet. Diese Systeme dienen z. B. als Personenschutz an Roboteranlagen, automatisierten Fertigungssystemen, verketteten Anlagen und Bearbeitungszentren.
• Die optoelektronische Schutzeinrichtung zur Schutzfeldüberwachung (AOPD = active opto-electronic protective device) sendet geradlinige Lichtimpulse aus, die entweder als Einzelstrahl(en) als "Lichtschranke" oder "Lichtgitter" Teile des Schutzfeldes oder als Lichtbündel (ein oder mehrere) als "Lichtvorhang" das ganze Schutzfeld abtasten. Die Unterbrechung des Strahlenganges im festgelegten Schutzfeld gibt ein Stoppsignal an die Steuerung. Diese Systeme werden hauptsächlich an stationären Maschinen (z. B. an Pressen) als Zugangs- oder Bereichssicherung eingesetzt.

Wo werden berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen eingesetzt?

Berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen können bei vielen kraftbetriebenen Arbeitsmitteln eingesetzt werden; dazu gehören z. B. spanende und umformende Werkzeugmaschinen der Metallbearbeitung (Drehmaschinen, Pressen), Maschinen für die Be- und Verarbeitung von Kunststoffen, Papier, Leder, Textilien, Fleisch, Tabak, Holz und keramischen Werkstoffen, Schweiß- und Schneidemaschinen (Schweißen und Schneiden), Spritzgießmaschinen, Gießereimaschinen, Krane, Stetigförderer, Stapelautomaten, Verpackungsmaschinen, Geräte in Regalanlagen, Maschinen und Anlagen zur Herstellung von Betonsteinen und -elementen, Setzmaschinen der Ziegelindustrie.

Gefahrstellen, die durch berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen gesichert werden können, sind z. B. Quetsch- und Scherstellen zwischen sich bewegenden Teilen (z. B. sich schließendes Werkzeug), Einzugstellen (z. B. zwischen Walzen, Rollen) sowie Schnittstellen an Band- oder Kreismessern. Gefahrbereiche, die ebenfalls durch BWS gesichert werden können, sind begehbare Bereiche, in denen Personen an Gefahrstellen von kraftbetriebenen Arbeitsmitteln gelangen können.

Welche Bedingungen gibt es für den Einsatz von berührungslos wirkenden Schutzeinrichtungen?

Berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen dürfen nur an solchen kraftbetriebenen Arbeitsmitteln verwendet werden,

• deren Steuerung und Antrieb so beschaffen sind, dass die von der Schutzeinrichtung ausgehenden Schaltbefehle funktionssicher verarbeitet werden; je nach Art der Maschine erfolgt z. B. die Unterbrechung der Werkzeugschließbewegung, die Umkehr der Bewegung oder das Auseinanderfahren von Walzen
• die so beschaffen sind, dass eine gefährliche Bewegung nicht einsetzen kann, solange sich Körperteile im Schutzfeld befinden
• bei denen beim Eindringen in das Schutzfeld der Steuerbefehl die gefährliche Bewegung zu jeder Zeit unterbrechen kann
• bei denen nach dem Einschalten des Antriebs die jeweils erste gefährliche Bewegung nur durch Betätigen eines Befehlsgeräts möglich ist
• deren Steuerung nach dem Ansprechen der BWS erst nach Freigabe des Schutzfeldes und nach Betätigen eines besonderen Befehlsgeräts die gefährliche Bewegung wieder einleiten kann (Wiederanlaufsperre); das Befehlsgerät (z. B. Druckknopf) muss dabei so angeordnet sein, dass von der Auslösestelle aus die Gefahrstelle bzw. der Gefahrbereich gut eingesehen werden kann
• deren Steuerung eine Überprüfung der BWS auslösen kann
• an denen der Sicherheitsabstand und der Grenzwert für den Nachlauf angegeben sind (bei Einhaltung des Sicherheitsabstandes und des Grenzwertes unter Berücksichtigung von Greif- bzw. Annäherungsgeschwindigkeit sind Verletzungen nicht zu erwarten); hierbei sind die Betriebsverhältnisse, z. B. das Bremsverhalten des Arbeitsmittels nach längerer Einsatzzeit, zu berücksichtigen.

Die Auswahl z. B. einer optoelektronischen Schutzeinrichtung erfolgt in mehreren Schritten:

• Schutzbereich festlegen
• Schutzaufgabe bestimmen (Was ist zu erkennen bzw. zu schützen?):
  - Finger, Hand usw.
  - Person beim Eintritt in den Gefahrbereich
  - Person oder Gegenstand im Gefahrbereich

• Wahl der erforderlichen Sicherheitskategorie für Steuerung und Schutzeinrichtung
• Ermitteln des Sicherheitsabstandes.

Der Schutzbereich berücksichtigt die Zugangs- und Aufenthaltsmöglichkeiten im Gefahrbereich und auch mögliches Umgehen der Schutzeinrichtung. Die Wahl der Sicherheitskategorie nimmt der Konstrukteur in Form einer Risikobewertung bezüglich der vorhandenen Gefährdung und des möglichen Schadensausmaßes unter Berücksichtigung folgender Parameter vor:

• Schwere einer möglichen Verletzung
• Häufigkeit und Dauer des Aufenthalts im Gefahrbereich (Exposition)
• Wahrscheinlichkeit, dass es zur Gefährdung kommt
• Möglichkeit, die Schädigung zu vermeiden oder zu begrenzen (z. B. durch Wahrnehmung, Reaktion).

Eine optoelektronische Schutzeinrichtung, also ein Lichtvorhang oder eine Lichtschranke, muss so installiert werden, dass beim Eindringen in das Schutzfeld die gefährliche Bewegung zum Stillstand gekommen ist, bevor z. B. die Hand den Gefahrbereich erreicht hat (Abbildung). Der Mindestabstand der AOPD zum Gefahrbereich berechnet sich, sofern nicht in z. B. einer maschinenspezifischen Regel (C-Norm) konkrete Vorgaben gemacht sind, wie folgt: S = (K x T) + C. Dabei ist

• S der Mindestabstand in Millimetern, gemessen vom Gefahrbereich zum Erkennungspunkt, zur -linie, -ebene oder zum Schutzfeld
• K ein Parameter in Millimetern je Sekunde, abgeleitet von Daten über Annäherungsgeschwindigkeiten des Körpers bzw. von Körperteilen
• T der Nachlauf des gesamten Systems in Sekunden
• C ein zusätzlicher Abstand in Millimetern, der das Eindringen in den Gefahrbereich vor Auslösen der Schutzeinrichtung zu Grunde legt.

Für den Einbau von berührungslos wirkenden Schutzeinrichtungen müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein:

• Ausreichender Sicherheitsabstand zwischen Schutzfeld und Gefahrstelle: Beim Eindringen in das Schutzfeld darf die Gefahrstelle nicht erreicht werden können, bevor die gefährliche Bewegung unterbrochen oder beendet ist. Der Sicherheitsabstand errechnet sich aus dem Produkt von Greifgeschwindigkeit und Nachlaufzeit.
• Unter-, Über- und Umgreifen des Schutzfeldes muss verhindert sein: Die Gefahrstelle darf nur durch das Schutzfeld hindurch erreicht werden können.
• Sicherung gegen Aufenthalt zwischen Schutzfeld und Gefahrstelle: Beim Eindringen in diesen Bereich muss die BWS wirksam werden.
• Sicherung des Zugangs zum Gefahrbereich: Diese Schutzeinrichtung muss in einer Höhe zwischen 0,3 m und 1,1 m über Flur angebracht sein; empfohlene Anordnung:
  - einstrahlige BWS: 0,75 m
  - zweistrahlige BWS: 0,4 und 0,9 m
  - dreistrahlige BWS: 0,3, 0,7 und 1,1 m
  - vierstrahlige BWS: 0,3, 0,6, 0,9 und 1,2 m.
  Einstrahlige BWS, die nach dem Reflexionsprinzip wirken, sind hierfür nicht geeignet, weil sie auf einfache Weise umgangen werden können. Eine mehrfache Umlenkung des Strahls ist hingegen zulässig.

Optoelektronische Schutzeinrichtungen (AOPD) verhindern zwar, dass Personen durch das Eindringen oder Eingreifen in den Gefahrbereich von Maschinen oder Anlagen geschädigt werden, sie können aber auch den Fertigungsprozess behindern oder gefährlicher machen. Dies ist z. B. der Fall, wenn bei einem automatisierten Fertigungssystem das Werkstück auf der Fördereinrichtung automatisch durch die Öffnung der Anlage, die durch einen Lichtvorhang gesichert ist, ein- oder ausfährt. Während des Aus- oder Einfahrens des Werkstücks muss die BWS prozessbedingt ausgeschaltet sein; unmittelbar nach der Durchfahrt muss wieder eingeschaltet werden. Um die Zeit ohne Schutzwirkung so kurz wie möglich zu halten, muss der Vorgang automatisch durch die Maschine gesteuert werden. Als Signalgeber werden sowohl elektromechanische Schalter als auch optoelektronische Sensoren eingesetzt.

Dieses während einer zeitlich begrenzten Betriebsphase bestimmungsgemäße Aufheben einer Sicherheits- oder Schutzfunktion (kurzzeitiges Überbrücken) wird als Muting bezeichnet. Während des Mutings sind zwei Sicherheitsaspekte von Bedeutung:

1. Das Eindringen von Personen in den gesicherten Bereich muss verhindert sein.

2. Die Steuerung der Maschine muss die berührungslos wirkende Schutzeinrichtung zuverlässig wieder einschalten.

Außerdem ist zu beachten, dass das Muting nicht ausschließlich über Software und nicht nur durch einen einzigen Signalgeber gesteuert werden darf. Signalgeber dürfen nicht auf einfache Weise manipuliert werden können und müssen überwacht sein. Der Überbrückungszustand der BWS muss optisch angezeigt werden.

Mit der berührungslos wirkenden Schutzeinrichtung kann eine Maschine sowohl im Ein- als auch im Zweitaktbetrieb gesteuert werden. Dies ist vorteilhaft, wenn Werkstücke zyklisch von Hand oder mit Hilfsmittel, z. B. in das Maschinenwerkzeug, eingelegt bzw. entnommen werden können. Bei dieser Arbeitsweise wird nach ein- oder zweimaligem Eingreifen in das Schutzfeld und anschließender Freigabe der Maschinenzyklus (z. B. Hub) automatisch eingeleitet. Es ist darauf zu achten, dass man die Schutzeinrichtung weder hintertreten noch über- oder untergreifen kann und auch die anderen Seiten gegen unbefugtes und unbeabsichtigtes Eindringen in den Gefahrbereich gesichert sind. Außerdem muss die Auflösung der BWS auf die Arbeitsweise abgestimmt sein.

Berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen sind Sicherheitsbauteile im Sinne des Anhangs IV der Maschinenrichtlinie.