Aktive Sicherheit aus der CNC heraus spart Zeit und Kosten

Wolfgang Klingauf ist Fachjournalist in Augsburg

Werkzeugmaschinen können mit ihrer Kraft und Schnelligkeit ein erhebliches Gefahrenpotenzial darstellen. Denn Spindeln und Achsen kennen keine Vorsicht. Sie überfahren alles, was sich ihnen in den Weg stellt. Schutzabdeckungen und Zäune um die Maschinen herum können nicht jede Gefahr abweisen. Denn bei vielen Tätigkeiten ist es unumgänglich, in den Maschinenraum einzugreifen – sei es zum Laden oder Einrichten, um die Maschine zu warten oder sie zu reparieren. Die Maschine während dieses Zeitraums komplett stillzulegen, ist häufig nicht möglich, weil bei manchen Arbeiten sich die Achsen zumindest langsam verfahren lassen müssen.

Daher sind weitere Schutzvorkehrungen notwendig. Was sie zu leisten haben, ist für schnell laufende Maschinen zum Fräsen, Drehen, Schleifen und Lasern in Sicherheitskategorie 3 festgeschrieben. Um diese Sicherheitskategorie zu erreichen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Man unterscheidet zwischen Mechanismen aktiver und passiver Sicherheit. Unter den Begriff „passiv“ fallen Schutztüren, Sicherheitsschalter und andere mechanische Teile. Sie verhindern, dass der Bediener in Gefahrenbereiche gelangt, dass er von verfahrenden Achsen getroffen werden oder sich mit Ölen und Chemikalien bespritzen und verätzen kann. Diese Sicherheits-Hardwareteile sind in der Regel mit elektronischen Bauteilen versehen. Sie sind mit Endschaltern, Bewegungsmeldern oder Lichtschranken gekoppelt und reichen die entsprechenden Signale an die CNC-Steuerung weiter. Die begrenzt schließlich die Geschwindigkeiten oder stoppt die Maschine ganz. So garantiert sie gefahrloses Arbeiten im Maschinenraum.

Doch eine CNC-Steuerung kann wesentlich mehr zur Sicherheit beitragen. Eine spezielle integrierte Funktion – bei CNC-Steuerungen von GE Fanuc heißt sie Dual Check Safety – unterstützt die Sicherheit aktiv. Sie überwacht mit Sensoren sowohl den Zugang zur Maschine wie auch alle Bewegungen der Maschine. Sie vergleicht die aktuellen Ist-Geschwindigkeiten und Ist-Positionen der sich bewegenden Maschinen-Teile (Achsen und Spindeln) mit den Geschwindigkeits- und Positions-Daten, die in geschützten Sicherheits-Parametern gespeichert sind. Bei Bedarf und im Notfall setzt sie die Maschine still. Der Unterschied: Passive Sicherheitsmechanismen sind angebaute mechanisch-elektronische Bauteile, während aktive Mechanismen in das Steuerungssystem der Maschine eingebaut sind.

Um die Sicherheit 100-prozentig zu gewährleisten, muss die Steuerung gewisse Voraussetzungen erfüllen. Josef Laicht, Manager HQ CNC Application & Drives Engineering bei GE Fanuc Automation in Echternach, erklärt: „Der Trick dabei ist, dass die Steuerung die Maschine zweikanalig überwacht. Sie kontrolliert die Position der beweglichen Teile, die Bewegung der Achsen, in welche Richtung und wie schnell sie sich bewegen und vergleicht die Daten mit den erlaubten Vorgaben.“

Zweikanalig, sprich redundant, ist das Zauberwort, das die Sicherheit garantiert. Dafür sind grundsätzlich zwei unabhängige Prozessoren notwendig. „Bei unseren Steuerungen bedeutet das jedoch keinen zusätzlichen Aufwand, weil eine CNC-CPU und eine Monitor-CPU vorhanden sind“, sagt Sicherheitsexperte Laicht. Beide, die Monitor-CPU und die CNC-CPU, überwachen die Motoren sowie die sicherheitsrelevanten E/A-Signale. Die CNC-CPU, das Herz des Gesamtsystems, stellt zudem die Algorhithmen und CNC-Programmiertechnik bereit. Beide empfangen von der Maschine über separate Kanäle die Signale, die den Status der Maschine angeben. Beide haben ihre eigenen RAM-Daten und wissen von der anderen CPU, wie deren Datenaustausch mit Motoren und Verstärkern aussehen soll. So kontrollieren sie sich gegenseitig. Jeder Prozessor prüft seine Daten gegen die des anderen.

Josef Laicht konkretisiert: „Im eigentlichen CNC-System haben wir die Prozessoren auf zwei Platinen mit all ihren Zu- und Ableitungen, um die Signale einzulesen. Bei geöffneter Türe zum Beispiel sorgen sie dafür, dass die Achsen nicht schneller als mit einer bestimmten Geschwindigkeit fahren, die laut Standard vorgegeben ist. Wenn ein Motor aus irgendeinem Fehlverhalten schneller fahren würde, merkt das eine CPU und schaltet sofort ab. Not-Aus wird generiert, und der Bediener ist außer Gefahr.“

Die beiden Prozessoren überwachen Ein- und Ausgangssignale (I/O). Bei den Servo- und Spindelmotoren werden permanent die Werte für Position, Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung kontrolliert und quergecheckt. Die Motoren verfügen über entsprechende Feedback-Systeme, rotatorische und – falls an der Maschine erforderlich – auch lineare Geber, die der CNC- und der Monitor-CPU sagen, wie schnell und in welche Richtung sich die Motoren drehen. Daraus berechnet die Steuerung die Geschwindigkeit, deren Sollwert aufgrund von Parametern vorgegeben ist.

Sicherheitsrelevante Türen werden in beide CPU hinein verdrahtet, damit der Öffnungszustand gegenseitig überwacht werden kann. Bei offener Tür schaltet die Steuerung auf einen Sicherheitsmodus, der Bewegungen nur in vorgegebenen Bereichen und Geschwindigkeiten zulässt. Sollten die Ist-Daten mit den Soll-Daten nicht übereinstimmen, aktiviert eine CPU den Hauptabschalter, der die Hauptstromzuleitung abschaltet.

Die doppelte Verdrahtung in die beiden Prozessoren hinein bedarf eines gewissen Aufwands, der aber geringer ist als bei der bisher üblichen passiven Methode. Der Vorteil von aktiven Sicherheitsvorkehrungen wie Dual Check Safety ist, dass man auf viele Anbauteile wie zum Beispiel Achs-Endschalter verzichten kann, und auch auf deren Verdrahtung und Programmierung. Das spart Platz, Ärger und Arbeit im Schaltschrank. Die CNC muss ohnehin die Geschwindigkeit der Motoren steuern, und so bekommt sie mittels Software noch ein paar Zusatzaufgaben. Damit spart sich der Werkzeugmaschinenhersteller Kosten, was sich auch für den Endanwender bemerkbar machen dürfte.

Josef Laicht weiß um weitere Vorteile des Systems, die besonders den Endanwendern zugute kommen: „Unser Dual Check Safety ist leicht zu verstehen und einzurichten, um es in Betrieb zu setzen, braucht man in der Regel keinen zertifizierten externen Spezialisten. Ein Maschinenbau-Ingenieur, der sich mit SPS und CNC auskennt, kann das System ohne weiteres starten.“

Dual Check Safety wird inzwischen sehr häufig nachgefragt, und es kommen immer mehr Funktionen dazu, die dem Anwender die gewünschte Sicherheit bieten. In der jüngsten Version ist zum Beispiel die doppelte Überwachung der Bremsen realisiert. Sie überwacht vertikale Achsen, sogenannte Gravitationsachsen, die bei Stromausfall abzustürzen drohen. Um das zu verhindern, wird neben der integrierten Motorbremse noch eine zweite Bremse installiert, und beide werden jetzt redundant überwacht.

Neu ist auch der Safe Position Switch, der gerade bei Hängeladern von großem Vorteil ist. Beim Beladen von oben dürfen die Greifer beim Überfahren bestimmter Bereiche auf keinen Fall öffnen. Früher wurde das mit mechanischen Nocken und Stahlgittern gesichert. Heute genügt es, Parameter und Positionen in Dual Check Safety einzugeben, dann wird über sichere Signale dafür gesorgt, dass der Lader auf keinen Fall seine Last fallen lässt. Ebenso wird die Be- und Entladestelle definiert, wo das Öffnen vorgesehen ist und meist ein Schild „Aufenthalt unter hängenden Lasten verboten!“ die Mitarbeiter warnt.

Außerdem stehen sogenannte Multiple Safe Zones zur Verfügung. Diese Funktion ist für große Maschinen gedacht, die mehrere Arbeitsbereiche haben. Während die Maschine im vorderen Bereich fräst, wird im hinteren Maschinenbereich das Magazin mit Werkzeugen bestückt. Sollte dort manuelles Eingreifen notwendig sein, muss nicht die gesamte Maschine auf Sicherheit fahren. Oft genügt es, den Beladeroboter zu bremsen.

Motoren und Verstärker kontrollieren sich gegenseitig