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Magnetsensor mit Safety-Zertifizierung

01  Der Stand-Alone-Nutzentrenner SAR-1300-BD 2-Uni, mit Einfach- oder Doppelshuttle-System, zeichnet sich besonders durch seine Nachrüstbarkeit und seine hohe Taktzeit aus

01  Der Stand-Alone-Nutzentrenner SAR-1300-BD 2-Uni, mit Einfach- oder Doppelshuttle-System, zeichnet sich besonders durch seine Nachrüstbarkeit und seine hohe Taktzeit aus

02  Die magnetischen Sensoren dienen zur hochgenauen Motorfeedbackerfassung an ­linearen Direktantrieben oder an Torquemotoren

02  Die magnetischen Sensoren dienen zur hochgenauen Motorfeedbackerfassung an ­linearen Direktantrieben oder an Torquemotoren

03  Dank der SIL2-Zertifizierung kann der Encoder ohne ­Mehraufwand in Sicherheitsanwendungen eingesetzt werden

03  Dank der SIL2-Zertifizierung kann der Encoder ohne ­Mehraufwand in Sicherheitsanwendungen eingesetzt werden

04  Safety-zertifizierte magnetische Sensorik für das Motorfeedback an einem Linearmotor

04  Safety-zertifizierte magnetische Sensorik für das Motorfeedback an einem Linearmotor

Durch die Maschinenrichtlinie 2006/42/EG hat die Realisierung sicherheits­relevanter Funktionen im Maschinenbau an Bedeutung gewonnen. Um sowohl die Bediener zu schützen als auch die Unversehrtheit der Maschine an sich zu bewahren, sind die Sicherheitsfunktionen in der gesamten Maschine oder Anlage zu gewährleisten. Der Prozess des Sicherheitsnachweises vereinfacht sich, wenn bereits einzelne Komponenten der Maschine sicherheitszertifiziert sind und in der Sicherheitsbetrachtung nicht mehr berücksichtigt werden müssen. Dies war bei der Nutzentrennmaschine für Leiterplatten von Schunk Electronic Solutions der Fall, in der der SIL2-zertifizierte Magnetsensor MSA111C mit Drive-Cliq-Schnittstelle der Siko GmbH zum Einsatz kommt.

Schunk Electronic Solutions ist sowohl Hersteller von Lineareinheiten als auch Maschinenbauer für diverse Anwendungen, in denen Linearmotoren zum Einsatz kommen. Bei den Nutzentrennern (Bild 1) kommt es auf hohe Präzision und Prozesssicherheit beim Fräsen und Sägen der teils winzigen Leiterplattenelemente an. Die Positionierung von Werkstück und Fräser muss absolut exakt sein. Dafür sorgen die absoluten magnetischen Messsysteme Magline (Bild 2) von Siko. Stefan Weiner, Entwicklung Antriebstechnik bei Schunk Electronic Solutions, beschreibt die bisherige Fertigungssituation folgendermaßen: „In unseren Nutzen­trennmaschinen arbeiten wir mit einer Siemens-Steuerung, die auf der Siemens-eigenen Drive-Cliq-Schnittstelle basiert. Das bisherige absolute magnetische Siko-Messsystem, das wir verwendeten, war jedoch damit nicht kompatibel, da es auf SSI-Technik ausgelegt war. Wir mussten mit Umsetzern arbeiten, die das Signal dann für Drive-Cliq aufbereiteten. Das bedeutete einen hohen Verdrahtungsaufwand in der Maschine, da die Verbindungsboxen maximal 3 m von der Achse entfernt sitzen dürfen – und dementsprechend wurden zusätzliche Kosten verursacht.“

Sensorlösung mit Drive-Cliq
Schunk suchte nach einer kostengünstigeren und einfacheren Lösung. Mit Siko als Partner wurde die Sensorlösung auf Basis der Siemens-Schnittstelle Drive-Cliq entwickelt. Das Besondere an dieser Technologie ist die SIL-Fähigkeit. Die Schnittstelle erlaubt also, geforderte Sicherheitsfunktionen zu realisieren. Das Ergebnis der Weiterentwicklung ist der SIL2-zertifizierte Magnetsensor MSA111C mit Drive-Cliq-Funktion (Bild 3). „Ein Alleinstellungsmerkmal“, so Andreas Wiessler, Leiter der Business Unit Magline (magnetische Messtechnik) der Siko GmbH. „Wir haben den ersten absolut messenden Magnetsensor in offener Bauweise, also bei dem Maßstab und Elektronik mechanisch komplett entkoppelt sind, entwickelt, der über eine Sicherheitszertifizierung verfügt.“
Der Einsatz hat für Schunk den gewünschten Effekt: Zum einen konnte so eine deutliche Kostenersparnis erzielt werden. Zum anderen erleichtert die integrierte Drive-Cliq-Funktion die Inbetriebnahme und die Kommunikation. Auf Umsetzer kann man komplett verzichten. Das Messsystem wird direkt an den Regler als Plug-and-play-Lösung angekoppelt. Der Umrichter erkennt alle Drive-Cliq-Teilnehmer und legt sie automatisch im System an, während die SSI-Schnittstelle zuvor von Hand konfiguriert werden musste, um zu funktionieren.

Sicherheitsrelevante Positions- und Geschwindigkeitsüberwachung
Der Magnetsensor übernimmt mit der Überwachung von Position und Geschwindigkeit wichtige sicherheitsrelevante Funktionen in der Anwendung. Dabei kommt er an verschiedenen Stellen der Nutzentrennmaschine zum Einsatz, zunächst zur Positionsbestimmung der Werkstückträger. Die Maschine besteht aus zwei Schubladen (die Shuttlesysteme), in denen die Werkstückträger auf jeweils einer Linearachse befestigt sind. Diese Achse besteht aus einem X-Profil, auf denen die Führungsschlitten für die Werkstückträger laufen. Die Nutzenleiterplatten mit den maximalen Abmessungen von 350 mm Breite und 430 mm Länge werden manuell auf die Werkstückträger aufgelegt. Die Linearachse befördert den Werkstückträger mit dem Nutzen unter den Fräskopf. Dort übernimmt die Achse die Bearbeitungsbewegungen des CNC-Programms in Y-Richtung. Der Fräskopf ist auf einem weiteren Linearmotor befestigt, der die X-Richtung des CNC-Programms übernimmt. In beiden Achsen befindet sich zur Positionsbestimmung des Laufschlittens an der Seite des X-Profils eine Nut mit dem eingeklebten absolut codierten Magnetband. Der Sensorkopf selbst sitzt im Laufschlitten, der über die Laufführung mit dem Band fährt, die Positionen abtastet und das Signal an die übergeordnete Steuerung weitergibt.
A. Wiessler erläutert die Wahl eines Absolutsensors: „Für diese Anwendung kam aufgrund der Sicherheitsanforderung ausschließlich ein absolut messender Sensor infrage, der zu jeder Zeit an jeder Position den Ist-Wert erfassen kann – auch im stromlosen Zustand. Beim Einschalten der Maschine wird die Ist-Position sofort erkannt. So erspart man sich Referenzfahrten, wie sie bei herkömmlichen inkrementalen Systemen zwingend sind.“

Sicherheit mit Zertifikat
Die Sicherheitsbestimmungen gelten in erster Linie dem Schutz des Bedieners. Es können Situationen entstehen, in denen der Bediener in den Prozess eingreifen muss und dadurch Gefahr besteht, dass er verletzt wird. Hierfür müssen Sicherheitslevels definiert werden, wie eine sicher reduzierte Geschwindigkeit oder eine sichere Position, zum Beispiel bei geöffneter Schutztür. Dank der Positionsbestimmung des Sensors lässt sich die Geschwindigkeit ­sicher ableiten. Wenn der Sensor einen Fehler detek­tiert, zum Beispiel durch einen Kabelbruch, den Ausfall elektronischer Komponenten oder eine Überhitzung des Motors, muss dieser an die Steuerung weitergemeldet und eine sofortige Abschaltung veranlasst werden. Der SIL2-zertifizierte Siko-Sensor gewährleistet stets eine sichere ­Signalübermittelung. Wenn eine solche Komponente einer Maschine für sich genommen bereits sicherheitszertifiziert ist, erleichtert dies die Sicherheitsbetrachtung für das Gesamtsystem erheblich. S. Weiner dazu: „Wir nutzen den Drive-Cliq-Sensor als Sicherheitsgeber, integrieren diesen in unsere Achsen und können dessen Sicherheitskenndaten als gegeben annehmen. Nachdem wir dann unsererseits für den sicheren Geberanbau des Messsystems sorgen, können wir unsere Achsen ebenfalls als sicher definieren. Somit sind auch unsere Endkunden in der Lage, wenn sie einzelne Komponenten wie die Linearachsen erwerben, ­Sicherheitstechnik unkompliziert in ihren Anwendungen zu installieren.“
Neben der Sicherheitszertifizierung zeichnet sich der MSA111C durch seine Präzision mit einer Systemgenauigkeit von ±10 µm und einer Reproduzierbarkeit von ≤2 µm aus. Die Fräsmechanismen für die Leiterplatten müssen sehr präzise ausgelegt sein, um die filigranen Strukturen zu gewährleisten. Neben der Position kann der Sensor auch die Motortemperatur erfassen. Dazu verfügt er über einen Sensoreingang, der mit einem Temperaturfühler direkt am Motor gekoppelt ist. So kann der Sensor die Temperatur über die Schnittstelle direkt an die Steuerung weitergeben. S. Weiner lobt zudem die kleine und kompakte Bauweise des Sensors: „Ein großer Vorteil ist, dass der Sensorkopf nicht schon fertig gekapselt auf der Führung sitzt. Statt­dessen können wir den Kopf in unser Drive-Ciq-Standardgehäuse einbauen und den Sensor so perfekt in unsere Achse inte­grieren. Gekapselte Sensoren müsste man seitlich anschrauben, was zu Störkonturen führt, die später immer zu berücksichtigen wären. In dieser Variante ist alles aus einem Guss.“ Die maximale Auflösung von 1 µm ist für die Anforderungen von Schunk mehr als ausreichend. Ein optisches Messsystem wäre viel genauer und hochauflösender, jedoch auch wesentlich teurer und empfindlicher in Bezug auf die Umgebungsbedingungen. Das magnetische System von Siko ist dagegen robust und unempfindlich gegen Verschmutzungen wie Staub, der beim Fräsen und Sägen der Leiterplatten trotz Absaugmechanismen anfallen kann.

Kundenspezifische Sonderlösungen
In der langjährigen Zusammenarbeit zwischen Siko und Schunk sind bereits zahlreiche erfolgreiche Projekte und Sonderentwicklungen realisiert worden. Auch der Drive-Cliq-Sensor war eine solche kundenspezifische Entwicklung, die jedoch nicht nur exklusiv für Schunk zur Verfügung steht. Der Sensor mit SIL2-Zertifikat und Drive-Cliq-Funktion ist frei am Markt erhältlich und kann in vielfältigen Anwendungen mit Motorfeedback, wie in der Holzbearbeitung oder der Verpackungstechnik, Verwendung finden.
Für A. Wiessler ist die Safety-Version des Magnetsensors die folgerichtige Weiterentwicklung im Bereich der Motorfeedback-Lösungen, speziell für Direktantriebe (wie bei dem Applikationsbeispiel eines Linearmotors (Bild 4)): „Angesichts des steigenden Bewusstseins für Sicherheitsanwendungen und der immer konsequenteren Umsetzung der Maschinenrichtlinie sind wir mit sicherheitszertifizierten Einzelkomponenten auf dem richtigen Weg. So erleichtern wir unseren Kunden die Realisierung von notwendigen ­Sicherheitsfunktionen.“ (no)

Michaela Wassenberg ist freie Journalistin in Nürnberg. m.wassenberg@wassenberg-pr.de

Michaela Wassenberg ist freie Journalistin in Nürnberg. m.wassenberg@wassenberg-pr.de