Hallo Bremse, was machst du heute?

Die vertikalen Achsen in Werkzeugmaschinen bzw. Bearbeitungszentren benötigen eine zuverlässige redundante Absicherung wie für den Fall, dass Arbeiten unter ihnen stattfinden müssen. Hierfür bietet Mayr Antriebstechnik ein umfassendes Portfolio an Sicherheitsbremsen. Kombiniert mit Modulen für das Bremsenmonitoring werden diese nicht nur Industrie 4.0 fähig, sondern sparen zudem unnötigen Wartungsaufwand. Was der Konstrukteur beachten muss und welche Lösungen der Antriebsspezialist dafür bietet, erfahren Sie in diesem Beitrag.

Vertikale Achsen in Werkzeugmaschinen sind immer ein heikles Thema: Sie sind grundsätzlich schwerkraftbelastet und stellen damit ein besonderes Risiko dar, wenn sie unzureichend abgesichert werden. Trotzdem sind sie in Maschinen unabdingbar, sei es als Z-Achse zur Werkzeugaufnahme, in Portalanwendungen oder anderen Szenarien.

„Bediener müssen immer wieder unter einer vertikalen Werkzeugmaschinenachse arbeiten, sei es zum Beladen mit einem neuen Werkstück oder um eine Störung zu beseitigen“, beschreibt Andreas Merz, Produktmanager bei Mayr Antriebstechnik die potentielle Gefahr. „Gerade schwerkraftbelastete Achsen bergen hier ein potenzielles Risiko zum Abstürzen der Last oder dass diese zumindest unkontrolliert absinkt.“

Was der Konstrukteur beachten muss

Die Hersteller müssen daher bei der Projektierung einer Werkzeugmaschine eine Risikoanalyse für sicherheitskritische Achsen durchführen. Dabei ermitteln sie den erforderlichen Performance Level (PL) nach DIN EN ISO 13849-1. Dazu gesellt sich die Herausforderung, diese Sicherheit mit einer wirtschaftlichen Konstruktion zu gewährleisten. Eine mögliche Lösung, um das geforderte Performance Level zu erreichen, ist der Einbau von zusätzlichen Sicherheitsbremsen. Das familiengeführte Unternehmen Mayr Antriebstechnik in Mauerstetten im Allgäu bietet dafür ein breites Spektrum an zuverlässigen Sicherheitsbremsen für die Absicherung schwerkraftbelasteter Achsen mit Modulen für das Condition Monitoring an.

Weil heute der Lebenszyklus einer neuen Maschinengeneration durchaus 5 bis 10 Jahre betragen kann muss diese umso mehr zukunftsfähig ausgeführt sein. Hier ist das Thema Vernetzungsfähigkeit aktuell ganz hoch angesiedelt. Künftige Maschinen werden also Großteils vernetzt sein. Dafür müssen sie über vernetzungsfähige Komponenten verfügen. Das betrifft sicherheitsrelevante Bauteile, wartungsbedürftige Komponenten und Elemente, die einen Maschinenstillstand verursachen können. Auch die Kommunikationsfähigkeit zwischen Maschine, Transport und Roboter ist bereitzustellen. „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 Mayr auch im VDMA Arbeitskreis Industrie 4.0 / UPC UA, der sich mit der Thematik beschäftigt.

Die Sicherheitsbremse ist eine solche Komponente. Sie ist prädestiniert für die Vernetzung, wenn man bedenkt, wo sie überall platziert ist. So befindet sich die Roba-stop M zum Beispiel am Motor oder in einem Hebezeug, die Roba-servostop im Servomotor, die Roba-topstop als Zwischenflanschlösung in Vertikalachsen, die Roba-linearstop an einer Stange und die Roba-pinionstop an der Zahnstange oder auch die Roba-guidestop direkt an der Profilschiene Beim Absichern von Vertikalachsen ist es oft sinnvoll, zwei verschiedene Bremsen zu verwenden. Die Vorteile dabei: Durch die unterschiedlichen Anbaupositionen greifen die Bremsen an verschiedenen Stellen ein. Außerdem sind Aufbau und Funktionsweise unterschiedlich und damit auch die möglichen Ausfallszenarien. Dadurch sind die Sicherungskomponenten wirklich unabhängig und bieten eine hochwertige Redundanz.

Werfen wir einen Blick hinter die jeweiligen Features der einzelnen Sicherheitsbremsen von Mayr: Bremsenvielfalt für die Werkzeugmaschine

Modulare Sicherheitsbremse für den Servomotor

Für den Anbau an Servomotoren eignet sich das modulare Bremssystem ROBA-topstop. Dank der angepassten Flanschabmessungen lässt sich diese Bremse einfach auch in bestehende Konstruktionen zwischen Servomotor und Gegenflansch integrieren. Als eigenständiges Modul halten sie die Vertikalachse sicher in jeder X-beliebigen Position, selbst bei demontiertem Motor oder Transport. In NOT-HALT Situationen oder bei Stromausfall wird die Last schnell und sicher zum Stillstand gebracht. Mayr hat die ROBA-topstop freiwillig einer Baumusterprüfung durch die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung (DGUV) unterzogen. Diese bestätigt die Bremseinrichtung als „bewährtes Bauteil“ im Sinne der Kategorie 1 nach DIN EN ISO 13849-1.

Spielfreie Bremse für die Profilschiene

Zuverlässig und sicher auf der Profilschiene abbremsen und dabei hochsteif und spielfrei klemmen, das kann die ROBA-guidestop Sicherheitsbremse. Sie wird unmittelbar an den zu haltenden Massen angebracht – – das vermeidet zusätzliche Belastungen auf den Antriebsstrang und sorgt für unmittelbaren Halt. Die spielfreie Klemmung der ROBA-guidestop direkt auf der Profilschiene versteift zudem zusätzlich die NC-Achse. Das erhöht die Prozessgenauigkeit, steigert die Zerspanleistung und kann bei der Schwerzerspanung noch weitere technologische Vorteile bringen. Die Profilschienenbremse gibt es in hydraulischer und pneumatischer Ausführung, eine elektromagnetisch öffnende Lösung steht kurz vor der Marktreife.

Sicherheitsbremse für die linear bewegte Achse

Zum Abbremsen und Halten linear bewegter Massen eignet sich die ROBA-linearstop Sicherheitsbremse. Die Klemmeinheit wirkt unabhängig vom Antrieb auf eine Kolbenstange. Dabei arbeitet sie nach dem Fail-Safe-Prinzip und erzeugt die Bremskraft durch Druckfedern. Die Bremse wird hydraulisch, pneumatisch, oder elektromagnetisch gelüftet. Die elektromagnetische Bauform ist bisher die einzige auf dem Markt erhältliche und ist bald in einer überarbeiteten Variante verfügbar. Es gibt sie als robuste Klemmeinheit mit Eignung für Not-Halt sowie als Bremseinheit für eine hohe Anzahl an dynamischen Bremsungen. Das Produkt wird ab Werk komplett eingestellt und einbaufertig geliefert.

Der kostengünstige Klassiker

Für den Anbau am freien Wellenende wurde die ROBA-stop-M Sicherheitsbremse konzipiert. Sie kann eine bewegte Massen oder Last aus der Bewegung heraus abbremsen und sorgt für einen sicheren Halt. Bei Stromausfall, im Fehlerfall oder wenn die Servobremse im Antriebsmotor versagt, hält die ROBA-stop-M die Achse in jeder beliebigen Position und verhindert das unkontrollierte Absinken oder Abstürzen.

Die sichere Zahnstangenbremse

Für eine vertikale Achse mit Zahnstangenantrieb eignet sich die ROBA-pinionstop als zusätzliches Bremssystem. In dieser Bremse ist eine Ritzelwelle integriert. Sie greift an beliebiger Position direkt in die Zahnstange ein und arbeitet so unabhängig vom Antriebsmotor. Das einbaufertige Bremsmodul mit Ritzelwelle verfügt über ein eigenständiges, elektromagnetisch gelüftetes Federdruckbremssystem.

Die vernetzte Sicherheitsbremse

Nun stellt sich die Frage: Welche Informationen bekommt der Anwender überhaupt über die Vernetzung und womit können diese bereitgestellt werden? Bei Mayr übernimmt das Bremsenmonitoring der Sicherheitsbremsen der ROBA-brake-checker. Mit dem nachrüstbaren Modul unterzieht der Anwender seine Maschine einer permanenten Inspektion. Werkzeugmaschinen profitieren besonders davon, wenn Informationen aus verschiedenen Achsen zusammenfließen.

Der ROBA-brake-checker erkennt sensorlos durch eine erweiterte Analyse von Strom und Spannung die Bewegung der Ankerscheibe vom Schaltschrank aus. Damit weiß er, in welchem Zustand sich die Bremse befindet. Neben der Überwachung von Schaltzustand und kritischer Spulentemperatur übernimmt das Modul die präventive Funktionsüberwachung auf Verschleiß sowie Zugweg- oder Zugkraftreserve. Diese vermitteln, ob der Magnet die Bremse noch zu lüften vermag. Mit dem Modul werden bei der Überwachung deutlich mehr Parameter abgebildet als mit einer herkömmlichen Schaltzustandskontrolle.

Sicherheit und Zuverlässigkeit werden somit sichtbar und die Wartung planbar. Der Roba-brake-checker lässt sich natürlich auch in Fernwartungssysteme integrieren.

Drei Checker Versionen für alle Fälle

„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. Damit ist eine bedingte vorausschauende Wartung möglich, die sich mit dem Resultat eines Mikroschalters oder Temperaturfühlers vergleichen lässt.

In der zweiten Version lassen sich mit einer zusätzlichen Platine und einer kundenspezifischen Schnittstelle wie Ethernet, WLAN, OPC UA oder optisch die Schaltzeiten überwachen. Daraus können Rückschlüsse auf den Verschleiß gezogen werden. Auch eine Fehleranalyse und Optimierung sind möglich, wenn andere Komponenten im System miteinander hinsichtlich Informationen wie Haltestrom, Spulenspannung oder Temperatur Widerstand oder Leistung abgeglichen werden. Damit lassen sich auch Verläufe auswerten, Auffälligkeiten im Bearbeitungsprozess erkennen oder Schlüsse aus komplexen Zusammenhängen ziehen. So kann zum Beispiel der Motor oder die Linearachse mit ihrem Verhalten auf die Bremse abgeglichen werden. Zudem lassen sich mehrere Maschinen miteinander abgleichen.

Die dritte Option ist die Integration einer Monitoring-Funktion in die Maschinensteuerung des Kunden als Lizenz Modell. Das umfasst die Validierung und Freigabe der Sicherheitsbremsen durch Mayr. Es werden hierzu keine zusätzlichen Bauteile benötigt. Der Hersteller leistet den Support für Integration und Datenauswertung.  

Autorin

Angela Struck ist freie Journalistin und Geschäftsführerin der Presse Service Büro GbR in Ried.