Stets auf Nummer sicher

Beim Betrieb von Maschinen und Anlagen müssen Personen immer wieder im Bearbeitungsraum arbeiten, sei es zum Einrichten, Fehlerbeheben oder Prozessoptimieren. Eine besondere Gefahr stellen dabei Schwerkraft belastete Achsen dar, weil sie auch im energielosen Zustand herabfallen können. Ursachen können verschmutzte, verschlissene oder verölte Haltebremsen sein, die ihre Nennhaltemomente verloren haben. Das sichere Brems- und Haltesystem von Rexroth nutzt drei unabhängige Kanäle: Die Antriebsregelung im IndraDrive sowie zwei mechanische Bremsen. Diese beiden externen Bremsen kommen im Normalfall nur zum Einsatz, wenn die Leistung zum Motor abgeschaltet wird. Sie werden von den redundanten diversitären Kanälen im Antrieb getrennt angesteuert und überwacht. Das Konzept ist für jede elektrisch lösende Bremsenart offen. Damit dies auch funktioniert, stellt eine Eskalationsstrategie sicher, dass der „sicher gebremste Halt“ unter minimaler Belastung der Mechanik herbeigeführt wird. In der ersten Stufe versucht zunächst der Antrieb die Vertikalachse über eine Sollwert-Null-Schaltung zum Stillstand zu bringen. Gelingt dies nicht, können die beiden mechanischen Bremsen nacheinander oder in kritischen Fällen auch gleichzeitig zugeschaltet werden.

Als Bremsentypen können auch hydraulisch oder pneumatisch betätigte Stangen- oder Führungsschienenbremsen eingebunden werden, wenn das entsprechende Steuerventil mit dem zur Verfügung stehenden elektrischen 24-V-Signal angesteuert werden kann. Bei den Gehäusemotoren kommt in der Regel als erste Bremse die motorintegrierte Haltebremse zum Einsatz. Als zweite Bremse kann eine direkt auf den Motorflansch montierte Einheit mit Reibflächenbremse verwendet werden oder eine getriebeabgangsseitig oder auch lastseitig montierte Bremse. Die Bremsenansteuerung vom zweiten Kanal erfolgt über eine externe Ansteuereinheit. Bei Direktmotoren kommen prinzipbedingt nur lastseitige Bremsen zum Einsatz. Lastseitig montierte Bremsen haben den Vorteil, dass sie durch ihre direkte Bremswirkung auch mögliche Fehler in den Übertragungselemente wie beispielsweise Riemen mit berücksichtigen.

Zum Aufdecken von schlafenden Fehlern müssen die Bremsen zyklisch getestet werden. Ein Durchgehen der Achse aufgrund von Verölung der Bremse wird sicher erkannt und abgefangen. Ist das Haltemoment der Bremse nicht mehr gegeben, kann bei den motorintegrierten Reibflächenbremsen ein Einschleif-Prozess gestartet werden, um eine mögliche Flugrostbildung auf den Reibflächen der Bremse abzureiben. Nach dem Einschleifen wird erneut überprüft, ob das geforderte Moment gehalten werden kann. Haben beide Haltesysteme den Bremsentest bestanden, wird ein interner Bremsenstatus für eine parametrierbare Zeit auf „Okay“ gesetzt. Innerhalb dieser Zeit ist ein weiterer Zutritt mit Aufenthalt unter der Vertikalachse ohne erneuten Bremsentest möglich.

Das sichere Bremssystem ist offen für die Bauart der anzusteuernden Bremsen. Als zweite Bremse kann daher auch ein diversitäres formschlüssiges Bremssystem verwendet werden, wie es mit der verzahnten Haltebremse BAM zur Verfügung steht. Die verzahnte Haltebremse wird direkt an die Synchron-Servomotoren der Baureihe MSK montiert. Durch die Formschlüssigkeit der verzahnten Haltebremse kann auf eine separate Arretiervorrichtung verzichtet werden..

Das Ansteuern der verzahnten Haltebremse erfolgt im Normalfall nur im Stillstand der Vertikalachse. Dabei ist das Schließen in jeder Position möglich, auch wenn die Zähne der gegenüberliegenden Zahnkränze Zahn auf Zahn stehen sollten. Im Fehlerfall der ersten Bremse rastet die verzahnte Haltebremse beim Absacken der Achse in die nächstmögliche Stellung ein und übernimmt das alleinige Halten der Vertikalachse mit einem Restrisiko im mm-Bereich. Das sichere Brems- und Haltesystem ist unabhängig von der Art des Motors: Synchron-Servomotoren, Asynchronmotoren, Linearmotoren, Bausatzmotoren, Torquemotoren oder Ex-Schutz-Motoren können zum Einsatz kommen. Auch Produkte von Fremdherstellern können eingebunden werden.

Der Vorteile für den Anwender ist, dass er um ein sicheres Brems- und Haltesystem gemäß EN 954-1, Kategorie 3, selbstständig aufzubauen kein umfangreiches Know-how vorhalten müsste. Denn ein Fehler darf nicht zum Ausfall der Sicherheitsfunktion führen und der Fehler muss auch aufgedeckt werden. Das und auch eigene Zertifizierungsaufwendungen erspart ihm das System. Aufgrund des antriebsinternen Überwachens ist eine schnelle Fehlerreaktion möglich, was für die Absturzsicherung von Vertikalachsen absolut wichtig ist. Die Baureihe IndraDrive bietet eine durchgängige elektrische Antriebslösung über den gesamten Leistungsbereich von 1,5 bis 120 kW. Die im IndraDrive integrierten Sicherheitsfunktionen sind von einer akkreditierten Stelle für Maschinensicherheit, der Zertifizierungsstelle Sibe Schweiz, bezüglich der Konformität zur europäischen Maschinenrichtlinie geprüft und zertifiziert.

Gerhard Kobs Produktmanager Sicherheitstechnik bei Bosch Rexroth

Fehler müssen immer aufgedeckt werden

Welchen Vorteil haben Anwender?

Die antriebsintegrierte Kategorie-3-Lösung erspart dem Maschinenbauer eigenen Aufwand. Für Kategorie 3 genügt es, nicht nur zwei Bremsen zu verwenden, sondern auch deren Ansteuerung muss über unterschiedliche Kanäle erfolgen. Das Aufdecken sämtlicher möglicher Fehler muss durch eine Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) nachgewiesen werden. Dies alles wird dem Maschinenbauer durch die antriebsintegrierte Lösung abgenommen.

Was schätzen Sie, wie viel Achsen noch ungesichert betrieben werden?

Ganz ungesichert geht es bei Vertikalachsen nicht. Minimallösung ist die Verwendung von nur einer Bremse ohne zyklischen Test. Eine Kategorie-2-Lösung entspräche schon der Verwendung von nur einer Bremse, deren Funktionsfähigkeit aber in regelmäßigen Abständen getestet wird. Bei der Kategorie-3-Lösung sind in der Regel redundante Brems- und Haltesysteme zu verwenden. Gemäß Maschinenrichtlinie legt der Maschinenbauer aufgrund seiner Gefahrenanalyse fest, welche Sicherheitskategorie erfüllt werden muss.

Lassen sich Lösungen aus dem Baukasten aufbauen?

Das sichere Brems- und Haltesystem besteht aus den Komponenten „IndraDrive Antriebsregler mit Safety on Board“, einer „Ansteuereinheit“ für die zweite Bremse und den zwei externen Bremsen selbst. Die Aufbau und die einfache Verdrahtung der einzelnen Komponenten untereinander sind in der Dokumentation beschrieben.

Antriebsintegrierte Sicherheit bei Vertikalachsen, widerspricht sich das nicht?

Ich denke nicht. Mit dem sicheren Brems- und Haltesystem hat Rexroth eine Lösung präsentiert, die auch nach dem Abschalten der Energie zum Antrieb die Vertikalachse über zwei auf Funktion geprüfte Bremsen hält.