Sicherheitsbremsen als leistungsfähige Industrie 4.0-Komponenten in der modernen Antriebstechnik
Servosysteme sind heute Standard in einer Vielzahl von Antrieben. Sicherheitsbremsen zum Halten einer bestimmten Position und für Not-Halt-Situationen sind ein wichtiger Bestandteil. Neben der korrekten Auslegung ist die Überwachung von Servobremsen ein brisantes Thema, besonders wenn die Bremsen in die Systeme integriert oder sehr klein sind. Bislang gelten sie in diesen Fällen als nicht überwachbar – in Zeiten von Industrie 4.0 und einem wachsenden Bedarf an Daten aus der Maschine ein echtes Problem. Mit einer Kombination aus technisch führender Bremsentechnologie und innovativen Monitoring-Lösungen lassen sich die Hürden meistern, Servosysteme optimal absichern und wertvolle Daten aus den Bremsen gewinnen.
Ob in Industrie-Robotern, vertikalen Achsen in Werkzeugmaschinen oder in Servoachsen in der Medizintechnik – Servoantriebe sind heute weit verbreitet. Zum üblichen Aufbau von Servosystemen gehören Sicherheitsbremsen, die im Stillstand die Position des Antriebs sicher halten und ihn im Notfall, etwa bei Stromausfall, sicher zum Stillstand bringen. Entscheidend für die zuverlässige Funktion sind die richtige Auswahl der Sicherheitsbremsen sowie deren korrekte Integration in das Gesamtsystem. Sicherheitsbremsen nach dem Fail-Safe-Prinzip sind dabei 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.
Servobremsen nicht immer integriert
In der Industrie sind dabei Systeme üblich, bei denen die Bremse bereits integriert ist, also zusammen mit den anderen Komponenten in einem Gehäuse verbaut wird. Anwender können dabei wählen zwischen klassischen Servobremsen im Motor, mit Nabe und verzahntem Rotor oder aber sogenannten Pad-Lösungen mit großem Innendurchmesser. Diese Einbausituation bringt spezifische Herausforderungen mit sich. Zum einen die Temperatur: In einem Servomotor kann die Temperatur bis zu 120° C erreichen. Um auch in diesem hohen Temperaturbereich sicher und zuverlässig zu funktionieren, müssen alle Komponenten der Bremse für solche Temperaturen ausgelegt sein. Im Motor werden Servobremsen bevorzugt im A-Lagerschild eingebaut, weil hier das Festlager sitzt und Temperaturdehnungen die Bremse nicht gravierend beeinflussen können. Bremsen renommierter Hersteller 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.
Hochwertige Servobremsen zeichnen sich außerdem durch kompakte Abmessungen aus. Sie 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: Normalerweise werden bei Servoantrieben zugunsten guter Regeleigenschaften und hoher Dynamik Lastmassenverhältnisse (Last/Motor) von 3:1 oder kleiner gewählt. Bei den Bremsen renommierter Hersteller sind durch hohe zulässige Reibarbeiten und Reibleistungen Lastmassenverhältnisse von 30:1 und mehr möglich.
Bei diesen außen angebauten Bremsen ist meist auch eine Zustandsüberwachung per Mikro- oder Näherungsschalter möglich, wie bisher üblich.
Integrierte Servobremsen – wirklich nicht überwachbar?
Anders sieht es in diesem Bereich bei den integrierten Bremsen aus. Sie galten bisher als nicht überwachbar, da durch die Einbausituation, die Betriebstemperaturen und die extrem kleinen Luftspalte keinerlei Schalter oder Sensoren verwendet werden können. Das ist im Hinblick auf die immer stärkere Vernetzung von Maschinen – Stichwort Industrie 4.0 – ein Problem. Natürlich liefert die Steuer- und Regelelektronik des Servosystems Daten, die auch Rückschlüsse auf den Zustand des Gesamtsystems erlauben. Die Sicherheitsbremse selbst bleibt dabei aber stumm. Dabei wären auch bei geschlossenen Systemen Daten aus der Bremse sehr hilfreich und ermöglichen beispielsweise vorausschauende Wartung. Erreicht etwa der Reibbelag das Ende seiner Lebensdauer, dann könnte ein intelligentes Monitoring darauf rechtzeitig hinweisen. Der Wartungstermin kann dann langfristig für ein Zeitfenster eingeplant werden, in dem es günstig im Sinne des gesamten Betriebsablaufs ist. Überwachung ist also auch für solche, in Servoantrieben integrierte Sicherheitsbremsen sehr sinnvoll.
Sensorloses Monitoring: Sicher und zuverlässig
Genau diese Möglichkeiten bietet mayr® Antriebstechnik mit seinem intelligenten Modul ROBA®-brake-checker. Es arbeitet ohne Sensoren. Stattdessen erkennt es durch die Analyse von Strom und Spannung die Bewegung der Ankerscheibe und weiß, in welchem Zustand sich die Bremse befindet. Das Ganze vom Schaltschrank aus. Es überwacht neben Schaltzustand, Temperatur und Verschleiß auch auf Zugweg- oder Zugkraftreserve, also ob der Magnet noch in der Lage ist, die Bremse zu lüften. Bei Erreichen der Zugkraftreserve sendet der ROBA®-brake-checker so frühzeitig ein Warnsignal, dass noch eine bestimmte Betriebszeit der Bremse möglich ist. In dieser Zeit ist die Wartung gezielt möglich, abgestimmt auf den Arbeitsprozess. Das sorgt für eine höhere Anlagenverfügbarkeit. Bei einer weiteren Ausbaustufe ist das Modul über eine entsprechende Schnittstelle auch in ein Fernwartungssystem integrierbar. Das verringert die Servicezeiten und -kosten noch einmal.
Sollte es dennoch zu einem Schaden kommen, haben Anwender mit dem ROBA®-brake-checker deutlich bessere Analysemöglichkeiten. Mit bisherigen Lösungen wie beispielsweise der berührungslosen Lüftüberwachung sehen sie nur den Ausfall und das Zerstörungsbild. Sie wissen aber nicht, wie der Fehler zustande gekommen ist. Mit dem ROBA®-brake-checker dagegen, werden Verläufe sichtbar und Fehleranalysen sind nutzbar. Sie lassen sich auch auf andere Anlagen eines Anwenders übertragen. All diese Daten aus Störung und Normalbetrieb liefern damit wertvollen Input für zukünftige Verbesserungen und Optimierungen.
Fazit
Die Wahl der richtigen Bremse für Servosysteme ist von mehreren Faktoren abhängig. Idealerweise berücksichtigt das Bremsenkonzept alle Faktoren, die für Sicherheit und Zuverlässigkeit ausschlaggebend sind. Dazu gehört zunächst eine zuverlässige Mechanik, die unabhängig von Temperaturen und äußeren Einflüssen funktioniert. Dann spielt die Auswahl des Reibbelag-Materials eine wichtige Rolle für ein gleichbleibend hohes Bremsmoment über die gesamte Lebensdauer, auch bei Not-Halt-Situationen. Neue, intelligente Monitoring-Technologie rundet das Konzept ab und macht auch integrierte oder sehr kleine Servobremsen fit für die vernetzte Maschine der Zukunft. Das ist Bremsentechnologie 4.0
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