Federdruckbremse als Sicherheitsbremse in vertikalen Achsen
Mayr Antriebstechnik präsentiert zur EMO sein umfassendes Portfolio an elektromagnetischen, pneumatischen und hydraulischen Sicherheitsbremsen für die Absicherung vertikaler Achsen in Werkzeugmaschinen (WZM). Kombiniert man diese Vertikalachsenbremsen mit Modulen für das Bremsenmonitoring werden sie Industrie 4.0 fähig. Mit einer Checkliste bietet das Unternehmen Unterstützung bei der Validierung der Bremsen. Lesen Sie, was der Entwicklungsingenieur in seiner Konstruktion beachten muss und welche Lösungen Mayr bietet.
Vertikale WZM Achsen und ihre Anforderungen
Vertikale Achsen dienen als Z-Achse in Werkzeugmaschinen, wo sie für die Werkzeugaufnahme vorgesehen sind. Sie finden zudem Anwendungen in Portalen oder anderen Szenarien. Vertikale Achsen sind grundsätzlich schwerkraftbelastet. Deshalb sind sie riskant für Mensch und Maschine und müssen ausreichend abgesichert werden.
„Bediener müssen immer wieder unter einer vertikalen Werkzeugmaschinenachse arbeiten, sei es zum Beladen mit einem neuen Werkstück oder beim Beseitigen einer Störung“, erklärt Andreas Merz, Produktmanager bei Mayr Antriebstechnik. „Durch die allseits präsente Schwerkraft bergen diese Achsen ein potenzielles Risiko zum Abstürzen der Last oder dass diese zumindest unkontrolliert absinkt.“
Die Hersteller von Werkzeugmaschinen müssen bei der Projektierung einer neuen Maschine eine Risikoanalyse für sicherheitskritische Achsen durchführen. Dabei ermitteln sie den erforderlichen Performance Level (PL) nach DIN EN ISO 13849-1. Diese Sicherheit muss einhergehen mit einer wirtschaftlichen Konstruktion. Mit einer zusätzlichen Federdruckbremse lässt sich das geforderte Performance Level erreichen. Mayr Antriebstechnik bietet hat hierür ein breites Portfolio an zuverlässigen Sicherheitsbremsen zur Absicherung schwerkraftbelasteter Achsen und ebenso Module für das Condition Monitoring an.
Der Lebenszyklus einer neuen Maschinen Generation beträgt heute 5 bis 10 Jahre und sollte entsprechend zukunftsfähig ausgeführt sein. Künftige Maschinen und Anlagen sind zudem Großteils vernetzt, was wiederum vernetzungsfähige Komponenten erfordert. Das betrifft sicherheitsrelevante sowie wartungsbedürftige Bauteile, die einen Stillstand der Maschine verursachen können. Auch die Kommunikationsfähigkeit zwischen Maschine, Transport und Roboter ist zu gewährleisten.
Wunsch nach Standardisierung
„Wir sind hier noch in einem Frühstadium, was es schwierig macht, diese Entwicklung umzusetzen. Besonders den häufig geäußerten Wunsch nach Standardisierung in der Datenkommunikation gilt es zu erfüllen“, sagt Andreas Merz. Daher engagiert sich das familiengeführte Unternehmen in Mauerstetten im VDMA Arbeitskreis Industrie 4.0 / UPC UA, der sich mit der Thematik beschäftigt.
Die Sicherheitsbremsen eignen sich bestens für eine Vernetzung, bedenkt man, wo sie überall platziert sind. Die Roba-stop M etwa befindet sich an einem Motor oder Hebezeug, die Roba-servostop im Servomotor. Eine Roba-topstop Federdruckbremse eignet sich als Zwischenflanschlösung in Vertikalachsen, während die Roba-linearstop an der Stange, die Roba-pinionstop an der Zahnstange oder die Roba-guidestop direkt an der Profilschiene funktionieren.
Bei der Absicherung von Vertikalachsen in Werkzeugmaschinen ist es meist sinnvoll, zwei verschiedene Bremsen einzusetzen. Durch ihre unterschiedlichen Anbaupositionen greifen die Bremsen an unterschiedlichen Positionen ein. Weil sie in Aufbau und Funktionsweise verschieden sind, unterscheiden sich hier auch die möglichen Ausfallszenarien. Damit sind die Sicherheitsbremsen unabhängig und bieten eine hochwertige Redundanz.
Checkliste zur Validierung der Sicherheitsbremsen
Für die Sicherheit schwerkraftbelasteter Achsen in Werkzeugmaschinen ist der Konstrukteur/die Konstrukteurin verantwortlich. Aus dem zu beurteilenden Risiko muss eine Sicherheitsfunktion definiert werden. Danach ist jeder Baustein der Kette zu validieren. Mayr Antriebstechnik erleichtert den Entwicklern die Arbeit mit einer Validierungshilfe, welche die Flut an Informationen bündelt.
Mit einer übersichtlichen nach DIN EN ISO 13849-2 strukturierten Checkliste kann die richtige Auswahl der Federdruckbremse einfach und zuverlässig kontrolliert werden. Nach der Risikobeurteilung und Validierung der einzelnen Bauteile müssen mögliche auftretende Gefahren erkannt und auf das Minimum reduziert sein.
Vielfältige Bremsen zur Absicherung der Werkzeugmaschine
Wie bereits erwähnt bietet Mayr Antriebstechnik eine Vielzahl an Möglichkeiten zur Absicherung durch Bremsen: Nachfolgend stellen wir Ihnen die wichtigsten vor:
Modul zwischen Spindel und Motor
Das modulare Bremssystem Roba-topstop eignet sich für den Anbau an Servomotoren. Mit ihren angepassten Flansch-Abmessungen kann diese Federdruckbremse in bestehende Konstruktionen zwischen Servomotor und Gegenflansch integriert werden. Als eigenständiges Modul hält sie die Vertikalachse sicher in jeder beliebigen Position.
Die Achse muss nicht mehr zusätzlich abgestützt werden, was beispielsweise den Wechsel des Antriebsmotors deutlich beschleunigt. Die Sicherheitsbremse erfüllt hohe IP-Standards und ist bis Schutzart IP66 erhältlich.
Bei Stromausfall oder in einer NOT-Halt Situation bringt die Bremse Lasten schnell und sicher zum Stillstand. Im Rahmen einer freiwilligen Baumusterprüfung durch die DGUV (Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung) wurde die Federdruckbremse als „bewährtes Bauteil“ im Sinne der Kategorie 1 nach DIN EN ISO 13849-1 bestätigt.
Linearbremsen für Rundstangen oder Führungsschienen
Mit der Roba-guidestop und der Roba-linearstop stehen zwei bewährte Sicherheitsbremsen für die Absicherung linearer Bewegungen zur Verfügung. Diese Bremsen wirken entweder auf separate Rundstangen oder auf Führungsschienen. Die Roba-linearstop (Kolbenstange) und die Roba-guidestop (Führungsschiene) eignen sich besonders für den Einsatz in schwerkraftbelasteten Achsen, da sie direkt an den Massen angebracht werden, die abgebremst bzw. gehalten werden sollen.
Mit diesen Bremsen können Antriebselemente wie Zahnriemen, Kupplungen oder Spindelmuttern, welche in anderen Bremssystemen im Kraftfluss sind und Einfluss auf die Sicherheit haben, außer Acht gelassen werden. Werden Linearbremsen zudem als zweite Bremseinheit zum Beispiel zusätzlich zu einer Motorbremse eingesetzt, sorgt ihr Wirkprinzip – auf eine Stange oder Schiene – außerdem für eine diversitäre Redundanz mit einem erhöhten Common Cause Failure Wert (CCF-Wert).
Die Roba-guidestop Sicherheitsbremse für Führungsschienen bremst sicher und zuverlässig auf der Profilschiene. Dabei klemmt sie hochsteif und spielfrei. Die Bremse wird unmittelbar an den zu haltenden Lasten angebracht.
Somit werden zusätzliche Belastungen auf den Antriebsstrang vermieden. Ein unmittelbarer Halt ist garantiert. Die spielfreie Klemmung direkt auf der Profilschiene versteift außerdem die NC-Achse.
Damit wird die Prozessgenauigkeit in den Anlagen erhöht. Das erhöht auch die Zerspanleistung und kann bei einer Schwerzerspanung noch weitere Vorteile mit sich bringen. Es gibt die Sicherheitsbremse in einer hydraulischen, pneumatischen und elektromagnetischen Version.
Die Roba-linearstop Sicherheitsbremse wurde für das Abbremsen und Halten linear bewegter Massen konzipiert. Die Klemmeinheit wirkt unabhängig vom Antrieb auf eine Kolbenstange. Sie funktioniert nach dem Fail-Safe-Prinzip und erzeugt die Bremskraft durch Druckfedern.
Die Bremse wird hydraulisch, pneumatisch oder elektromagnetisch gelüftet. Die elektromagnetische Variante ist bisher einzigartig am Markt. Es gibt die Roba-linearstop als robuste Klemmeinheit für Not-Halt Situationen und als Bremseinheit für eine hohe Anzahl an dynamischen Bremsungen. Die einbaufertigen Bremsen sind ab Werk eingestellt.
„Wir führen als einziger Hersteller elektrisch öffnende Linearbremsen, die gleichzeitig auch Sicherheitsbremsen sind“, erläutert Bernd Kees, Produktmanager bei Mayr Antriebstechnik.
Für den Anbau am freien Wellenende
Die Roba-stop-M Sicherheitsbremsen wurden für den Anbau am freien Wellenende entwickelt. Bewegte Massen oder Lasten bremsen sie aus der Bewegung heraus bis zum sicheren Halt ab.
Die Roba Stop M Bremse hält die Achse in jeder beliebigen Position, sei es bei Stromausfall, im Fehlerfall oder falls die Servobremse im Antrieb versagt. Ein unkontrolliertes Absinken oder Abstürzen wird in jedem Fall verhindert.
Bremse für Achse mit Zahnstangenantrieb
Die Roba-pinionstop wird als zusätzliches Bremssystem für eine vertikale Achse mit Zahnstangenantrieb angeboten. Eine integrierte Ritzelwelle greift an beliebiger Position direkt in die Zahnstange ein. So arbeitet sie unabhängig vom Antriebsmotor. Das einbaufertige Bremsmodul mit Ritzelwelle verfügt über eine eigenständige, elektromagnetisch gelüftete Federdruckbremse.
Vernetzte Sicherheitsbremse und Bremsenmonitoring
Zum Monitoring der Sicherheitsbremsen hat Mayr das nachrüstbare Modul Roba-brake-checker entwickelt. Damit unterzieht der Anwender seine Maschine einer permanenten Inspektion. Werkzeugmaschinen profitieren besonders davon, wenn Informationen der verschiedenen Achsen zusammenkommen.
Sensorlos erkennt der Roba-brake-checker durch eine erweiterte Analyse von Strom und Spannung die Bewegung der Ankerscheibe vom Schaltschrank aus. So ist der Anwender über den Zustand seiner Bremse informiert. Neben der Überwachung von Schaltzustand und kritischer Spulentemperatur überwacht das Modul präventiv die Funktion hinischtlich Verschleiß und Zugweg- oder Zugkraftreserve.
Sie vermitteln, ob der Magnet die Bremse noch lüftet. Das Monitoring Modul bildet bei der Überwachung deutlich mehr Parameter ab als es eine herkömmliche Schaltzustandskontrolle vermag. Damit wird die Wartung planbar. Der Roba-brake-checker lässt sich übrigens auch in Fernwartungssysteme integrieren.
Drei Optionen für das Bremsen Monitoring
„Mit unserem Roba-brake-checker bieten wir drei Optionen für alle Monitoring Wünsche“, so der Produktmanager. In der Standardausführung werden die Ausgangssignale durch die Steuerung bearbeitet. Eine bedingte vorausschauende Wartung ist damit möglich. Diese ist vergleichbar mit den Ergebnissen eines Mikroschalters oder Temperaturfühlers.
Mit einer zusätzlichen Platine und einer kundenspezifischen Kommunikations-Schnittstelle wie Ethernet, WLAN, OPC UA oder optisch können die Schaltzeiten überwacht werden. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf den Verschleiß ziehen. Fehleranalyse und Optimierung sind ebenfalls möglich, wenn andere Systemkomponenten hinsichtlich Haltestrom, Temperatur, Widerstand, Spulen Spannung, Temperatur, Widerstand oder Leistung aufeinander abgeglichen werden.
Damit können Verläufe ausgewertet, Auffälligkeiten im Bearbeitungsprozess erkannt oder Schlüsse aus komplexen Zusammenhängen gezogen werden. So können beispielsweise ein Motor oder die Linearachse mit ihrem Verhalten auf die Sicherheitsbremse abgeglichen werden. Außerdem können mehrere Maschinen oder Anlagen aufeinander abgestimmt werden.
Als dritte Option folgt die Integration einer Monitoring Funktion als Lizenz Modell in die Maschinen Steuerung des Kunden. Das umfasst die Validierung und Freigabe der Sicherheitsbremsen durch den Antriebsspezialisten. Zusätzliche Bauteile werden nicht benötigt. Der Hersteller leistet Support für Integration und Datenauswertung.
