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Intelligente Komponenten für smarte Roboter

Intelligente Komponenten für smarte Roboter
So wird die Maschine Roboter zum Kollegen

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Roboterachsen selbst bei Stromausfall oder nach Not-Halt zuverlässig und sicher in ihrer Position halten – im Zusammenspiel mit Sicherheitsbremsen und intelligentem Monitoring können Roboter und Mensch eng zusammenarbeiten.

Bernd Kees
Produktmanager, Mayr Antriebstechnik, Mauerstetten

Die Roboter sind auf dem Vormarsch. In allen wichtigen Industriebranchen wird die Zusammenarbeit von Mensch und Roboter immer enger. Damit steigt das Gefährdungspotenzial. Fällt zum Beispiel während eines Arbeitsvorgangs der Strom aus, muss der Roboterarm, der den Arbeitsschritt vornimmt, sofort exakt gehalten werden. 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. 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.

Kleine Bremsen mit hoher Leistungsdichte

Es gibt Federdruckbremsen für Servomotoren, die speziell auf die hohen Anforderungen der Robotik angepasst sind. Anwender können dabei wählen zwischen klassischen Servobremsen im Motor, mit Nabe und verzahntem Rotor oder aber sogenannten Pad-Lösungen mit großem Innendurchmesser. Letztere sind speziell für die Integration in das Robotergelenk konzipiert. Aber auch die klassischen Bremsen lassen sich kundenspezifisch anpassen und und direkt in ein Gelenk integrieren.

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.

Kurze Schaltzeiten über die Lebensdauer und intelligentes Bremsenmonitoring

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 gar nicht überwachbar. 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 Ankerscheibe anzuziehen. 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. Dies 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 etwa 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.

100%-Qualitätskontrollen

Damit die Bremsen bei ihrem Einsatz in der jeweiligen Anwendung immer größtmögliche Sicherheit gewährleisten, ist es wichtig, dass statisches und dynamisches Bremsmoment den jeweiligen Kundenspezifikationen entsprechen. Dafür ist es nötig, diese beiden Einsatzbedingungen versuchstechnisch zu prüfen. Anwender sollten sich daher über das Versuchsfeld des Herstellers informieren und hinterfragen, ob die Bremsen so realitätsnah wie möglich getestet werden.

Neben den qualitätssichernden Maßnahmen während des Konstruktionsprozesses sollte ein renommierter Hersteller auch eine umfassende Endprüfung durchführen. So muss jede einzelne Sicherheitsbremse, die das Werk verlässt, nach der Komplettmontage und Einstellung eine 100%-Prüfung bestehen. Bei renommierten Herstellern werden alle ermittelten Messwerte zusammen mit der dazugehörigen Seriennummer der Bremse in einer elektronischen Datenbank archiviert. Nur so ist eine 100%ige Rückverfolgbarkeit gewährleistet.

Kontakt:

Chr. Mayr GmbH + Co. KG
Eichenstr. 1
87665 Mauerstetten

Tel. +49 8341 8040
www.mayr.com

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