SPS 2021 Robotik-Anwendungen mit Servobremsen zuverlässig absichern

Autor / Redakteur: Andreas Merz / Stefanie Michel

Bewegte Lasten dürfen nach Ausschalten des Stroms, bei Stromausfall oder Not-Halt nicht unkontrolliert absinken oder abstürzen. Dafür sorgen die Sicherheitsbremsen, die die Servoachsen zuverlässig und sicher in ihrer Position halten. Doch welche Kriterien sind bei der Auswahl der Bremsen zu beachten?

Firmen zum Thema

In Robotern kommen Servosysteme zum Einsatz. In Zusammenarbeit mit dem Menschen müssen Roboterarme inklusive Last im Notfall sofort gehalten werden – dank Sicherheitsbremsen.
In Robotern kommen Servosysteme zum Einsatz. In Zusammenarbeit mit dem Menschen müssen Roboterarme inklusive Last im Notfall sofort gehalten werden – dank Sicherheitsbremsen.
(Bild: Shutterstock/Nataliya Hora)

Servosysteme sind heute in Robotik-Anwendungen Standard. Der Aufbau ist dabei grundsätzlich gleich: die Regelelektronik, häufig ein Getriebe und der Motor mit einer Bremse, die für Sicherheit sorgt. Denn dort, wo die Zusammenarbeit von Mensch und Roboter enger wird, steigt auch das Gefährdungspotenzial. Fällt zum Beispiel während eines Arbeitsvorgangs der Strom aus, muss der Roboterarm, der den Arbeitsschritt vornimmt, sofort exakt gehalten werden, damit Personen in der Nähe keinen Schaden nehmen. 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.

Sicherheit durch Fail-Safe-Prinzip

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 Stahl-Gegenreibfläche erforderlich. Während dies bei Federdruckbremsen üblich ist, stoßen Permanentmagnetbremsen mit ihren Stahl-auf-Stahl-Reibkombinationen hier hingegen an ihre tribologischen Grenzen.

Sicherheitsbremsen für die Anforderungen der Robotik

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 Rotor und Verzahnung (im Bild) oder aber Bremslösungen, die direkt in das Robotergelenk eingepasst werden (Pad-Lösungen).
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 Rotor und Verzahnung (im Bild) oder aber Bremslösungen, die direkt in das Robotergelenk eingepasst werden (Pad-Lösungen).
(Bild: mayr Antriebstechnik)

Mit der Baureihe Roba-Servostop hat Mayr Antriebstechnik Federdruckbremsen für Servomotoren entwickelt, die speziell an die hohen Anforderungen der Robotik angepasst sind. Das Unternehmen kann dabei auf über 20 Jahre Erfahrung aus der Zusammenarbeit mit renommierten Forschungseinrichtungen zurückgreifen. „Unsere Leichtbaubremsen bewähren sich heute in unzähligen Robotik-Applikationen weltweit“, erklärt Bernd Kees, Produktmanager bei Mayr Antriebstechnik in Mauerstetten.

Der Standardbaukasten schafft dabei ein hohes Maß an Flexibilität für die verschiedenen Einbausituationen. Anwender profitieren vom schnellen Überblick über die verschiedenen Lösungen. „Gerade bei Servomotoren spielt die Baulänge häufig eine wichtige Rolle“, beschreibt Kees die Anforderungen an die Bremsen. „Das bedeutet, dass schlanke Bremsen hier von Vorteil sind.“ Im Bereich der Leichtbauroboter kommt es zudem auf das Gewicht der Bremsen an. Roboter, die für die verschiedenen Arbeitsschritte oftmals wechselnde Positionen einnehmen, erreichen mit leichten Bremsen eine höhere Dynamik, denn sie müssen die Bremsen auch mitbewegen. Für diesen Einsatzbereich bieten sich leichtbauende Bremsen in Hohlwellenausführung an, die speziell für die Integration in das Robotergelenk konzipiert sind.

Zuverlässige Bremsen auch bei hohen Temperaturen

Im Motor werden Servobremsen bevorzugt im A-Lagerschild eingebaut, weil hier das Festlager sitzt und Temperaturdehnungen die Bremse nicht gravierend beeinflussen können. Bremsen von Mayr Antriebstechnik 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.

Energieeffiziente Bremsen mit hoher Leistungsdichte

Die Roba-Servostop Sicherheitsbremsen sind mit ihrer extrem schlanken Bauform und dem geringen Gewicht auf die Anforderungen der Robotik zugeschnitten.
Die Roba-Servostop Sicherheitsbremsen sind mit ihrer extrem schlanken Bauform und dem geringen Gewicht auf die Anforderungen der Robotik zugeschnitten.
(Bild: mayr Antriebstechnik)

Die Bremsen Roba-Servostop sind nicht nur sehr leicht, sondern auch schnell im magnetischen Aktuieren. Gleichzeitig sind sie leistungsdicht und verschleißfest. Die Bremsen überzeugen zudem durch eine hohe zulässige Reibarbeit bei dynamischen Bremsungen. „Daneben sind die Roba-Servostop-Bremsen so ausgelegt, dass der Bauraum optimal ausgenutzt und möglichst viel Energie eingespart wird“, erläutert Kees. Ein weitaus größeres Einsparpotenzial bietet sich aber im Betrieb durch die intelligente Ansteuerung der Bremsen mit einem Roba-Switch-Gleichrichter: Denn nur beim Einschalten wird die Bremse kurzzeitig mit einer hohen Spannung bestromt. In dieser Phase ist eine hohe Magnetkraft erforderlich, um die Ankerscheibe über den Luftspalt anzuziehen. Liegt die Ankerscheibe dann allerdings am Spulenträger an, reicht eine wesentlich kleinere Magnetkraft aus, um die Bremse offen zu halten. Deshalb kann in dieser Phase die Spannung deutlich abgesenkt werden. Senkt der Gleichrichter die Spannung nach dem Lüften der Bremse auf ein Drittel des Wertes ab, sinkt die Spulenleistung und damit auch der Energieverbrauch auf lediglich ein Neuntel.

Sensorloses Monitoring für integrierte, kleine Bremsen

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 Monitoringsysteme wichtig. Bislang war es gar nicht möglich, Servobremsen aufgrund der kleinen Luftspalte oder aber ihrer Einbausituation zu überwachen.

Mit dem Roba-brake-checker steht ein sensorloses, vernetztes Bremsenmonitoring für eine effiziente und vorausschauende Maschinenwartung zur Verfügung.
Mit dem Roba-brake-checker steht ein sensorloses, vernetztes Bremsenmonitoring für eine effiziente und vorausschauende Maschinenwartung zur Verfügung.
(Bild: mayr Antriebstechnik)

Mayr Antriebstechnik bietet jetzt allerdings eine intelligente Lösung für ein sensorloses Bremsenmonitoring. Das nachrüstbare Modul Roba-Brake-Checker erkennt durch eine erweiterte Analyse von Strom und Spannung die Bewegung der Ankerscheibe und weiß, in welchem Zustand sich die Bremse befindet. Das Modul leistet neben der Überwachung von Schaltzustand und kritischer Spulentemperatur auch eine präventive Funktionsüberwachung auf Verschleiß, Funktionsreserve und Fehler.

Daten für eine vorausschauende Wartung

In einer erweiterten Ausführung ist das Modul Roba-Brake-Checker mit einer zusätzlichen Platine mit kundenspezifischer Schnittstelle (z. B. optisch, W-Lan, IO-Link oder Profibus) ausgestattet. Über diese Schnittstelle kann es Daten zu Schaltzeit, Strom, Spannung, Widerstand, Leistung und relativem Anzugsstrom liefern. Damit sind auch Verläufe auswertbar, Auffälligkeiten im Prozess lassen sich schnell erkennen und somit Schlüsse aus komplexen Zusammenhängen ziehen – ein Vorteil nicht nur für die vorausschauende Wartung, sondern auch beim Zusammenspiel von Robotern. Darüber hinaus ist auch die Integration in Fernwartungssysteme möglich.

Mayr Antriebstechnik auf der SPS 2021: Halle 4, Stand 278

* Andreas Merz ist Produktmanager bei der Chr. Mayr GmbH + Co. KG in 87665 Mauerstetten, Tel. +49 8341 804-0, public.mayr@mayr.de

(ID:47711861)