Servoantriebe sind in vielen Bereichen, wie beispielsweise in Werkzeugmaschinen oder Robotern, heute bereits Standard. In anderen Branchen wie der Windkraft werden sie immer häufiger eingesetzt und verdrängen auch dort bisher übliche Antriebsvarianten. Der Aufbau der Servosysteme ist dabei grundsätzlich gleich: Regelelektronik, häufig ein Getriebe und der Motor mit Sicherheitsbremse. Die Bremse sorgt dabei einerseits dafür, dass die Position des Antriebs im Stillstand zuverlässig gehalten wird. Andererseits fällt die Bremse im Notfall ein, etwa wenn die Stromzufuhr unterbrochen wird, und bringt den Antrieb zum Stillstand.
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.
Federdruckbetätigte Elektromagnetbremsen wie zum Beispiel die ROBA- servostop haben sich in diesem Bereich bewährt. Durch sinnvolle Auswahl der Reibbelag-Werkstoffe und die rein mechanische Betätigung im energielosen Zustand sind sie für den Einsatz bis 120° C ohne Einschränkungen geeignet. Die ROBA-servostop kann A- ooder B-seitig im Motor verbaut werden und ermöglicht hohe zulässige Reibarbeiten und Reibleistungen. Normalerweise werden bei Servoantrieben zugunsten guter Regeleigenschaften und hoher Dynamik Lastmassenverhältnisse (Last/ Motor) von 3:1 oder kleiner gewählt. Bei der ROBA-servostop sind durch hohe zulässige Reibarbeiten und Reibleistungen Lastmassenverhältnisse von 30:1 und mehr möglich, ohne dass die Reibpaarung Schaden nimmt.
Servobremsen nicht immer integriert
In einigen Fällen ist eine direkte Integration der Bremse nicht vorgesehen. Das ist zum Beispiel bei speziellen Konstruktionen der Fall. Die Bremsen sind dabei zumeist auch speziell für den jeweiligen Anwendungsfall konstruierte Sonderlösungen. Oder aber das Servosystem wird für kleinere Serien aus Standardkomponenten zusammengesetzt. Dann sind Sicherheitsbremsen gefragt, die ohne weitere Schwierigkeiten außen an die Motoren angebaut werden können. Dafür bietet Mayr Antriebstechnik zuverlässige Lösungen an.
Etwa die ROBA-stop-M, die sich schon seit Jahrzehnten als B-seitig angebaute Motorbremse bewährt hat. Sollte der Anbau von Encoder oder Resolver nur eine A-seitige Lösung zulassen, ist der Einsatz einer ROBA-topstop möglich. Sie ist besonders für schwerkraftbelastete Achsen geeignet und hält die Last auch bei abgebautem Motor sicher und zuverlässig. Das modulare Bremssystem ist mit passgenauen Montageflanschen erhältlich und lässt sich damit flexibel in vorhandene Antriebe integrieren. Aufwändige Sonderkonstruktionen entfallen dadurch. Die noch kompakter bauende ROBA-alphastop ist, wie die ROBA-topstop, ebenfalls für den Anbau zwischen Motor und Anbauflansch vorgesehen. Zu beachten ist bei dieser Baureihe, dass der Motor über eine verlängerte Welle verfügen muss, oder aber, dass das Bremssystem mit integrierter Welle konstruiert ist. 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 Servo-Antrieben 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. 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.
Die Überwachung der integrierten Servobremse hat aber weitere Vorteile über die vorausschauende Wartung hinaus. Etwa bei der Maschinensicherheit. Die Norm EN ISO 13849-1 sieht bestimmte benötigte Performance-Level (PL) vor, die bei der Betrachtung von Sicherheitsrisiken ermittelt werden und die dann entsprechend von der Maschine erreicht werden müssen.
Ein wichtiger Faktor beim Berechnen des Performance-Levels ist der Diagnosedeckungsgrad oder DC-Wert. Fällt er unter 60 Prozent, dann sind die hohen Performance-Levels d und e im Grunde nicht mehr erreichbar – die Maschine wäre damit für bestimmte Einsatzbereiche mit hohen Gefahren für folgenschwere Personenschäden nicht geeignet. Mit Hilfe einer zweiten, externen Bremse lässt sich das Performance-Level anheben. Ist das nicht möglich oder gewünscht, kann auch durch zyklische Bremsentests oder eben durch Überwachung ein höherer DC-Wert erreicht werden. Das ist jetzt mit dem ROBA-brake-checker auch bei integrierten Servo-Bremsen möglich.
Für die Sicherheitsbetrachtung ist darüber hinaus auch der Sicherheitskennwert der Bremse nötig. Nicht alle Hersteller können diese Sicherheitskennwerte für ihre Bremsen liefern, so dass in der Folge die Performance-Level nicht oder nicht in der nötigen Höhe ermittelt werden können. Das ist bei der Auswahl geeigneter Sicherheitsbremsen generell zu beachten.
Ein zusätzlicher Vorteil der sensorlosen Überwachung ist das Fehlen mechanischer Komponenten. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Schaltern kann nichts verstellt werden oder durch äußere physische Einflüsse Schaden nehmen. Auch Toleranzen durch Abweichungen bei der Fertigung von Komponenten, schwankende Temperaturen im Betrieb oder fehlerhafte Montage haben auf das Monitoring und die gelieferten Daten keinen Einfluss. Der ROBA-brake-checker detektiert Verläufe und Charakteristiken statt exakter Auslösepunkte. Das macht das Monitoring mit dem Modul äußerst zuverlässig und stellt wesentlich aufschlussreichere Daten zur Verfügung. In der Variante „plus“ übernimmt das Modul gleichzeitig auch die Versorgung der Bremse und ersetzt damit einen Gleichrichter. Versorgung und Überwachung der Bremsen sind also in einem Gerät kombiniert. Das Modul ist eine Plug-and-play-Lösung, wird also einbaufertig mit komplett getesteten Werten geliefert.
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 ReibbelagMaterials 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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