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Mauerstetten, 18.11.2021

Sicherheitsbremsen für Servosysteme

Wie sich Robotik-Anwendungen mit Servobremsen zuverlässig und smart absichern lassen
Sicherheitsbremsen für Servosysteme

Sicherheitsbremsen sind ein wichtiger Bestandteil in Servosystemen. Denn bewegte Lasten dürfen nach Ausschalten des Stroms, bei Stromausfall oder Not-Halt nicht unkontrolliert absinken oder abstürzen. Dafür sorgen die Sicherheitsbremsen, die die Servoachsen zuverlässig und sicher in ihrer Position halten. Doch welche Kriterien sind bei der Auswahl der Bremsen zu beachten? Und lassen sich die Servobremsen auch dann überwachen, wenn sie in die Systeme integriert oder sehr klein sind? In Zeiten von Industrie 4.0 und Predictive Maintenance ein entscheidendes Kriterium.

Servosysteme sind heute in Robotik-Anwendungen Standard. Der Aufbau ist dabei grundsätzlich gleich: Regelelektronik, häufig ein Getriebe und der Motor mit einer Bremse, die für Sicherheit sorgt. Denn dort, wo die Zusammenarbeit von Mensch und Roboter enger wird, steigt aber auch das Gefährdungspotenzial. Fällt zum Beispiel während eines Arbeitsvorgangs der Strom aus, muss der Roboterarm, der den Arbeitsschritt vornimmt, sofort exakt gehalten werden, damit Personen in der Nähe keinen Schaden nehmen. Deshalb ist es wichtig, bereits in der Konstruktionsphase ein unbeabsichtigtes Absinken der Last sowie unzulässig lange Anhaltewege dauerhaft auszuschließen. Entscheidend dabei sind die richtige Auswahl der Sicherheitsbremsen sowie deren korrekte Integration in das Gesamtsystem.

Sicherheit durch Fail-Safe-Prinzip

Für Servomotoren sind Sicherheitsbremsen nach dem Fail-Safe-Prinzip die erste Wahl. Denn diese Bremsen sind im energielosen Zustand geschlossen. Sie bringen das geforderte Bremsmoment also auch bei Not-Stopp, Stromausfall oder bei einer zum Beispiel durch Kabelbruch verursachten Unterbrechung der Energieversorgung. Damit die Sicherheitsbremsen auch in Not-Stopp-Situationen ausreichend Reibarbeit leisten und Bewegungen mit definiertem Bremsmoment abbremsen, ist ein dafür entwickelter Reibbelag mit dazugehöriger Stahlgegenreibfläche erforderlich. Während dies bei Federdruckbremsen üblich ist, stoßen Permanentmagnetbremsen mit ihren Stahl-auf-Stahl-Reibkombinationen hier hingegen an ihre tribologischen Grenzen.

Von Vorteil: Schlanke, leichtbauende Bremsen

Mit der ROBA®-servostop® Baureihe hat mayr® Antriebstechnik Federdruckbremsen für Servomotoren entwickelt, die speziell an die hohen Anforderungen der Robotik angepasst sind. Das Unternehmen kann dabei auf über 20 Jahre Erfahrung aus der Zusammenarbeit mit renommierten Forschungseinrichtungen zurückgreifen. „Unsere Leichtbaubremsen bewähren sich heute in unzähligen Robotik-Applikationen weltweit“, erklärt Bernd Kees, Produktmanager bei mayr® Antriebstechnik in Mauerstetten. Der Standardbaukasten schafft dabei ein hohes Maß an Flexibilität für die verschiedenen Einbausituationen. Anwender profitieren vom schnellen Überblick über die verschiedenen Lösungen. „Gerade bei Servomotoren spielt die Baulänge häufig eine wichtige Rolle“, beschreibt Bernd Kees die Anforderungen an die Bremsen. „Das bedeutet, schlanke Bremsen sind hier von Vorteil.“ Im Bereich der Leichtbauroboter kommt es zudem auf das Gewicht der Bremsen an. Roboter, die für die verschiedenen Arbeitsschritte oftmals wechselnde Positionen einnehmen, erreichen mit leichten Bremsen eine höhere Dynamik, schließlich müssen sie die Bremsen auch mitbewegen. Für diesen Einsatzbereich bieten sich leichtbauende Bremsen in Hohlwellen-Ausführung an, die speziell für die Integration in das Robotergelenk konzipiert sind. 

Zuverlässige Bremsen auch bei hohen Temperaturen

Im Motor werden Servobremsen bevorzugt im A-Lagerschild eingebaut, weil hier das Festlager sitzt und Temperaturdehnungen die Bremse nicht gravierend beeinflussen können. Bremsen von mayr® Antriebstechnik können aber ohne Einschränkung auch in der B-Lagerseite des Motors integriert werden. Denn Temperaturdehnungen und Lagerspiel haben hier keinen negativen Einfluss auf die Funktion und Zuverlässigkeit der Bremsen. Alternativ können Anwender auch auf Anbaubremsen zurückgreifen, die modular an den Motor angefügt werden.

Energieeffiziente Bremsen mit hoher Leistungsdichte

Die ROBA®-servostop® Bremsen sind nicht nur sehr leicht, sondern auch im magnetischen Aktuieren extrem schnell. Gleichzeitig sind sie leistungsdicht und verschleißfest. Die Bremsen überzeugen zudem durch 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 Bremsen 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.  

Sensorloses Monitoring für integrierte, kleine Bremsen

Für die Sicherheit von Mensch und Maschine sind kurze Anhaltewege wichtig. Entscheidend für den Bremsweg sind dabei die Schaltzeiten der Bremse. Denn in der Zeit des freien Falls bis die Bremse schließt und die Verzögerung einsetzt, beschleunigt sich die Masse zusätzlich – unter Umständen so extrem, dass die zulässigen Werte der Bremse überschritten werden. Anwender sollten daher bei der Auswahl der Sicherheitsbremsen auf möglichst kurze, verifizierte Schaltzeiten achten – und auch darauf, dass diese Schaltzeiten über die gesamte Lebensdauer der Bremse eingehalten werden. Hier sind Monitoring-Lösungen wichtig. Bislang waren Servobremsen aufgrund der kleinen Luftspalte oder aber ihrer Einbausituation gar nicht überwachbar. mayr® Antriebstechnik bietet jetzt allerdings eine intelligente Lösung für sensorloses Bremsenmonitoring. Das nachrüstbare Modul ROBA®-brake-checker erkennt durch eine erweiterte Analyse von Strom und Spannung die Bewegung der Ankerscheibe und weiß, in welchem Zustand sich die Bremse befindet. Das Modul arbeitet sensorlos und leistet neben der Überwachung von Schaltzustand und kritischer Spulentemperatur auch eine präventive Funktionsüberwachung auf Verschleiß, Funktionsreserve und Fehler.

Daten für eine vorausschauende Wartung

In einer erweiterten Ausführung ist das Modul ROBA®-brake-checker mit einer zusätzlichen Platine mit kundenspezifischer Schnittstelle (z. B. optisch, W-Lan, IO Link, Profibus, etc.) ausgestattet. Über diese Schnittstelle kann es Daten zu Schaltzeit, Strom, Spannung, Widerstand, Leistung und relativem Anzugsstrom liefern. Damit sind auch Verläufe auswertbar, Auffälligkeiten im Prozess lassen sich schnell erkennen und somit Schlüsse aus komplexen Zusammenhängen ziehen – ein Vorteil nicht nur für die vorausschauende Wartung, sondern auch beim Zusammenspiel von Robotern. Darüber hinaus ist auch die Integration in Fernwartungssysteme möglich.

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