Servobremse | Richtig auswählen und überwachen

Die Sicherheitsbremse zum Halten einer bestimmten Position und für Not-Halt-Situationen ist ein wichtiger Bestandteil im Servoantrieb. Neben der korrekten Auslegung ist die Überwachung der Servo Bremse gefragt, besonders wenn sie in die Systeme integriert oder sehr klein sind. Bislang gelten sie in diesen Fällen als nicht überwachbar. Mayr Antriebstechnik hat mit der Roba-servostop eine Servo Sicherheitsbremse im Baukastensystem entwickelt, die besonders in der Robotik eine Lösung bietet. Intelligentes Bremsenmonitoring stellt die Überwachung sicher. 

Sicherheitsbremse im Servoantrieb

Servoantriebe sind heute weit verbreitet. Sie finden Einsatz in Industrierobotern, vertikalen Achsen von Werkzeugmaschinen oder Servoachsen in der Medizintechnik. Zum üblichen Aufbau von Servoantrieben gehören Sicherheitsbremsen, die im Stillstand die Position des Antriebs sicher halten und ihn im Notfall wie bei Stromausfall sicher zum Stillstand bringen.

Roboter waren schon vor der Covid-19 Pandemie auf dem Vormarsch, doch wird diese Entwicklung im Bereich der Medizintechnik in dieser außergewöhnlichen Zeit noch einmal begünstigt. Der Einsatz von Servicerobotern wird vierorts diskutiert wie für Corona Teststationen oder zur Desinfektion von Räumen. Die Roboter sollen hier helfen, Kontakte zu vermeiden und die Übertragung von Krankheiten zu minimieren.

Dort wo die Zusammenarbeit von Menschen und Robotern intensiviert wird, steigt aber auch das Gefahrenpotential. Bei Stromausfall beispielsweise muss ein im Einsatz befindlicher Roboterarm sofort exakt gehalten werden, um in der Nähe befindliche Personen nicht zu gefährden. Deshalb sollten Entwickler schon in der Konstruktionsphase das unbeabsichtigte Absinken einer Last und unzulässig lange Anhaltewege dauerhaft ausschließen. Entscheidend dabei sind die richtige Auswahl der Sicherheitsbremsen sowie deren korrekte Integration in das Gesamtsystem.

Sicherheit dank Fail-Safe Prinzip

Die richtige Auswahl der Sicherheitsbremsen und deren korrekte Integration in das Gesamtsystem sind entscheidend für die zuverlässige Funktion des Servosystems. Sicherheitsbremsen nach dem Fail-Safe-Prinzip sind dabei die erste Wahl. Sie sind im energielosen Zustand geschlossen und liefern das geforderte Bremsmoment auch bei Stromausfall, Not-Stopp oder bei einer zum Beispiel durch Kabelbruch verursachten Unterbrechung der Energieversorgung.

Damit die elektromagnetische Sicherheitsbremse auch in Anwendungen für Not-Stopp-Situationen ausreichend Reibarbeit leistet und Bewegungen mit definiertem Bremsmoment abbremst, benötigt sie einen spezifischen Reibbelag mit dazugehöriger Stahlgegenreibfläche. Während dies bei Federdruckbremsen üblich ist, stoßen Permanentmagnetbremsen mit ihren Stahl-auf-Stahl-Reibkombinationen hier an ihre tribologischen Grenzen.

Sicherheitsbremse aus dem Baukasten

Mit der Roba-servostop Sicherheitsbremse hat Mayr eine Federdruckbremse für Servomotoren entwickelt, die speziell für die hohen Anforderungen der Robotik konzipiert ist. Die Entwicklung basiert dabei auf rund 20 Jahren Erfahrung aus der Zusammenarbeit mit renommierten Forschungsinstituten. „Unsere Leichtbaubremsen bewähren sich heute in unzähligen Robotik Applikationen weltweit“, erklärt Bernd Kees, Produktmanager bei Mayr Antriebstechnik in Mauerstetten.

„Aktuell haben wir eine neue Standardbaureihe etabliert. Das erlaubt uns, die unterschiedlichsten Einbausituationen durch ein sinnvolles Baukastenprinzip effektiv zu bedienen. Kunden profitieren vom schnellen Überblick über die verschiedenen Lösungen. Die Baulänge ist bei Servomotoren häufig ein Thema, das bedeutet, schlanke Bremsen sind hier von Vorteil. Auch diesem Trend trägt die neue Standardbaureihe Rechnung,“ erläutert Bernd Kees weiter. Aus dem neuen Baukasten können Anwender zwischen klassischer Servobremse im Motor, Nabe und verzahntem Rotor in  klassischer oder schlanker Bauform auswählen.

Es gibt noch eine weitere schlanke und leichtbauende Variante: die sogenannte Pad-Lösung mit großem Innendurchmesser. Die Servobremse mit Hohlwelle wurde speziell für die Integration in das Robotergelenk konzipiert. Diese Sicherheitsbremse ist besonders kompakt, leicht und bietet sehr gute dynamische Eigenschaften. Aber auch die klassischen Bremsen mit Nabe und verzahntem Rotor können kundenspezifisch angepasst werden und sind direkt in ein Gelenk integrierbar. Eine axiale Positionierung zur Welle ist hier nicht notwendig.

Roba-servostop Bremsen sind sehr leicht und im magnetischen Aktuieren extrem schnell. Zudem verfügen sie über eine hohe Leistungsdichte und Verschleißfestigkeit. Die Sicherheitsbremsen bieten eine hohe zulässige Reibarbeit bei dynamischen Bremsungen. „Daneben sind die Roba-servostop Bremsen so ausgelegt, dass der Bauraum optimal ausgenutzt und möglichst viel Energie eingespart wird“, erläutert Bernd Kees.

„Ein weitaus größeres Einsparpotenzial bietet sich aber im Betrieb durch die intelligente Ansteuerung der Sicherheitsbremse mit einem Roba-switch Gleichrichter: Denn nur beim Einschalten wird die Bremse kurzzeitig mit einer hohen Spannung bestromt. In dieser Phase ist eine hohe Magnetkraft erforderlich, um die Ankerscheibe über den Luftspalt anzuziehen.

Liegt die Ankerscheibe dann allerdings am Spulenträger an, reicht eine wesentlich kleinere Magnetkraft aus, um die Bremse offen zu halten. Deshalb kann in dieser Phase die Spannung deutlich abgesenkt werden. Senkt der Gleichrichter die Spannung nach dem Lüften der Bremse auf ein Drittel des Wertes ab, sinkt die Spulenleistung und damit auch der Energieverbrauch auf nur mehr ein Neuntel.  

Servobremsen nicht immer integriert

In Anwendungen der Industrie sind Servosysteme üblich, in denen die Bremse integriert ist. Anwender haben wie schon erwähnt, die Wahl zwischen klassischen Servobremsen im Motor, mit Nabe und verzahntem Rotor oder der Pad-Lösung mit Hohlwelle. Diese Einbausituation birgt spezifische Herausforderungen. So kann die Temperatur in einem Servomotor bis zu 120° C erreichen.

Also müssen alle Komponenten der Bremse für solche Temperaturen ausgelegt sein. Zudem werden Servobremsen im Motor bevorzugt in der A-Lagerseite eingebaut. Hier befindet sich das Festlager und Temperaturdehnungen können die Bremse nicht gravierend beeinflussen. Bremsen von Mayr lassen sich aber problemlos auch im B-Lagerschild des Motors integrieren. Denn das Zusammenspiel von Lagerspiel und Temperaturdehnung in der Konstruktion wirkt sich hier nicht negativ auf die Funktion und Zuverlässigkeit der Bremsen aus. Alternativ können Anwender Anbaubremsen einsetzen, die modular an den Motor angefügt werden.

Die Elektromagnetische Sicherheitsbremse bietet zudem eine hohe zulässige Reibarbeit bei dynamischen Bremsungen. Normalerweise wählt man bei Servoantrieben zugunsten guter Regeleigenschaften und hoher Dynamik Lasten / Massenverhältnisse (Last / Motor) von 3:1 oder kleiner. Bei den Bremsen renommierter Hersteller sind durch hohe zulässige Reibarbeiten und Reibleistungen Lasten / Massenverhältnisse von 30:1 und mehr möglich. Bei diesen außen angebauten Bremsen ist üblicherweise eine Zustandsüberwachung per Mikro- oder Näherungsschalter möglich.

Bei den integrierten Bremsen sieht das Ganze anders aus. Sie galten bisher als nicht überwachbar, weil durch Einbausituation, Betriebstemperatur und die extrem kleinen Luftspalte keine Schalter oder Sensoren verwendet werden können. Das ist im Hinblick auf die immer stärkere Vernetzung von Maschinen im Industrie 4.0 Zeitalter ein Problem.

Natürlich liefert die Steuer- und Regelelektronik des Servoantriebs Daten, die auch Rückschlüsse auf den Zustand des Gesamtsystems erlauben. Die Sicherheitsbremse selbst bleibt aber stumm. Dabei wären auch bei geschlossenen Systemen Daten aus der Bremse sehr hilfreich zum Beispiel zur vorausschauenden Wartung.

Ein intelligentes Monitoring könnte zum Beispiel auf das Ende der Lebensdauer vom Reibbelag hinweisen. Der Wartungstermin ließe sich mit Rücksicht auf den gesamten Betriebsablaufs planen. Eine Überwachung wäre also auch für die in Servoantrieben integrierte Sicherheitsbremsen sehr sinnvoll.