Geberlose Sicherheit  Werkzeugmaschinen sicher betreiben ohne Drehzahlgeber

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SIEB & MEYER AG

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Bei Werkzeugmaschinen mit drehenden Achsen besteht Verletzungsgefahr durch rotierende Werkzeuge. Die Maschinenrichtlinie schreibt daher verbindliche Schutzmaßnahmen für Hersteller vor. Anwender des Antriebsverstärkers SD2 – zum Beispiel ein Hersteller von Rundtaktmaschinen – profitieren von zwei geberlosen Sicherheitsfunktionen.

Spindeln und Motoren müssen also zur sicheren Drehzahlüberwachung nicht mit Drehzahlgebern ausgestattet werden. Das ist besonders relevant für die Einsatzbereiche Hochgeschwindigkeitsfräsen oder -schleifen, bei denen häufig aus platztechnischen oder finanziellen Gründen auf Drehgeber verzichtet wird. „Die Herausforderung für den Maschinenhersteller besteht darin, die Aspekte Personensicherheit und Produktivität gleichzeitig optimal beziehungsweise normkonform umzusetzen“, erläutert Markus Finselberger, Key Account Manager Antriebselektronik bei Sieb & Meyer. „Bei klassischen Sicherheitslösungen müssen die Motoren beziehungsweise Spindeln mit sicheren Drehzahlgebern ausgestattet sein, um gefährliche Betriebszustände erfassen und vermeiden zu können.“ Diese Drehgeber werden wiederum von speziellen Sicherheitskomponenten ausgewertet. Sowohl der Drehgeber als auch die Überwachungsgeräte sind zusätzliche Bauteile in Maschine oder Schaltschrank, die Bauraum einnehmen, ein Ausfallrisiko darstellen, gewartet und installiert und nicht zuletzt auch bezahlt werden müssen. Alternativ können Maschinenhersteller auch Abstriche hinsichtlich der Performance der Maschine hinnehmen – beispielsweise indem man anstatt einer Stillstand-Messung einfach eine gewisse Zeit bis zur Türöffnung verstreichen lässt, um hier auf der sicheren Seite zu sein.

Verletzungsrisiko für Bediener verringern

Konkret stehen den Endkunden die Sicherheitsfunktionen „Sicherer Stillstandsmonitor“ (SFM – Safe Frequency Monitor) und „Sicher begrenztes Drehfeld“ (SLOF - Safe Limited Output Frequency) zur Verfügung. Beide sind vom TÜV Nord nach EN61508:2010 zertifiziert und erfüllen die Anforderungen eines Sicherheits-Integritätslevels von SIL3. Das Besondere an diesen Funktionen ist, dass diese keine zusätzlichen Drehgeber an den Spindeln benötigen.

Stillstand sicher erkennen

Mit der Sicherheitsfunktion SFM erkennt der SD2 sicher, ob eine geberlose Spindel nach dem Ausschalten den Stillstand erreicht beziehungsweise eine sichere Drehzahlfrequenz unterschritten hat. Solange dies nicht geschehen ist, wird beispielsweise eine Schutztür nicht freigegeben. Diese Sicherheitsfunktion ist für rotierende Achsen – unter anderem Schleif- oder Frässpindeln – vorgesehen. SFM misst dazu das elektrische Drehfeld des Motors, worüber sich eine genaue Aussage über das mechanische Drehfeld machen lässt. Welche Drehzahlen und Drehfeldfrequenzen als sicher definiert sind, ergibt sich aus der Risikobeurteilung der Maschine, die gemäß der Maschinenrichtlinie erfolgt.

Die SFM-Funktion basiert auf einer frequenzabhängigen, vom Motor induzierten Spannung beziehungsweise der Restmagnetisierung. Diese Spannung ist sowohl bei Synchronmotoren als auch bei Asynchronmotoren an den Motorklemmen messbar. Der Antrieb ermittelt aus dieser Spannung die aktuelle Drehfeldfrequenz und vergleicht diese mit dem parametrierten Grenzwert. Erreicht die Drehfeldfrequenz den parametrierten Bereich, generiert der Antrieb das Statussignal „Standstill“ (sicherer Stillstand).

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Jenseits von kritischen Drehzahlen 

Mit der Sicherheitsfunktion SLOF lässt sich sicherstellen, dass eine kritische Drehzahl nicht überschritten wird – zum Beispiel, weil ein Werkzeug durch eine Überdrehzahl bersten könnte und dadurch Personen gefährdet werden. Dafür ermittelt die Funktion die aktuell vom Umrichter erzeugte Drehfeldfrequenz und vergleicht sie mit dem parametrierten Grenzwert. Bei einer Überschreitung des Grenzwerts wird die Endstufe mittels internem STO freigeschaltet, das System erzeugt kein weiteres Drehmoment und somit keine weitere Beschleunigung und die Spindel trudelt aus. Die Funktion SLOF ermöglicht somit die sichere Begrenzung des Drehfeldes einer Spindel. Sie verhindert, dass die angeschlossene Spindel aktiv durch den Antrieb auf eine zu hohe Frequenz beschleunigt wird. Eine Überschreitung der Frequenz durch eine aktive, externe Beschleunigung lässt sich dabei jedoch nicht verhindern (zum Beispiel Generatorbetrieb). Bei einer Überschreitung der sicher parametrierten maximalen Drehfeldfrequenz, beispielsweise durch eine Fehleingabe, wird die Endstufe mittels der Funktion STO freigeschaltet.

Lastindikator in allen Serien inklusive

Nicht zuletzt ist in allen Frequenzumrichtern und Servoverstärkern der Serien SD2x und SD4x ein Lastindikator integriert. Dieser wertet den drehmomentbildenden Strom des Motors aus und kann so akustische Körperschallsensoren ersetzen. Laständerungen des Motors werden so mit großer Genauigkeit festgestellt. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf einen möglichen Werkzeugbruch oder den Verschleiß der Werkzeuge ziehen. Der Lastindikator kann ebenso das Berühren von Werkzeug mit Werkstück („Anfunken“) erkennen. Nicht zuletzt lassen sich mithilfe des Lastindikators Bearbeitungsvorschübe flexibel anpassen.

„Generell stellen die Sicherheitsfunktionen für Hersteller von Bearbeitungszentren Werkzeugmaschinen einen echten Mehrwert dar“, so Markus Finselberger abschließend. „Sie bewähren sich zum Beispiel in den Rundtakt- oder Schleifmaschinen vieler unserer Kunden.“ Das digitale Antriebssystem SD2, das speziell für Mehrachssysteme – also Maschinen, in denen mehrere Bearbeitungsspindeln zum Einsatz kommen – konzipiert ist, leistet dabei einen wesentlichen Beitrag – und die Bediener werden dank der sensorlosen Sicherheitsfunktionen zuverlässig geschützt.

Torsten Blankenburg ist Vorstand Technik bei Sieb & Meyer.