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Antriebssystem geht auf Nummer sicher

01 Durch einen Werkzeugbruch oder zu hohe Drehzahlen an Schleifmaschinen entstehen für den Bediener bzw.  Servicetechniker Gefahren, die sich mit den Sicherheitsfunktionen des Antriebssystems SD2 vermeiden lassen (Bild: L. Kellenberger)

01 Durch einen Werkzeugbruch oder zu hohe Drehzahlen an Schleifmaschinen entstehen für den Bediener bzw. Servicetechniker Gefahren, die sich mit den Sicherheitsfunktionen des Antriebssystems SD2 vermeiden lassen (Bild: L. Kellenberger)

02 Mit dem Lastindikator, der in die Frequenzumrichter und Servoverstärker integriert ist, kann man erkennen, wenn ein Werkzeugbruch oder -verschleiß vorliegt

02 Mit dem Lastindikator, der in die Frequenzumrichter und Servoverstärker integriert ist, kann man erkennen, wenn ein Werkzeugbruch oder -verschleiß vorliegt

03 Die Serie SD2X umfasst Frequenzumrichter und Servoverstärker in unterschiedlichen Ausführungen, mit verschiedenen Technologiefunktionen für sichere Hochgeschwindigkeitsanwendungen

03 Die Serie SD2X umfasst Frequenzumrichter und Servoverstärker in unterschiedlichen Ausführungen, mit verschiedenen Technologiefunktionen für sichere Hochgeschwindigkeitsanwendungen

Wenn ein Werkzeugbruch in Bearbeitungsmaschinen nicht sofort erkannt wird, kann dies Gefahren für Mensch und Maschine nach sich ziehen. Der in den Frequenzumrichtern und Servoverstärkern der Serie SD2 integrierte Lastindikator hilft mit ausgeklügelter Technik, dieses Szenario zu vermeiden. Zudem ergänzen zwei geberlose Funktionen das Sicherheitskonzept des Antriebssystems.
Das Antriebssystem SD2 von Sieb & Meyer ermöglicht eine sensorbehaftete und sensorlose Regelung für Synchron- sowie Asynchronmotoren und ist für jeden Einsatzfall schnell und flexibel anpassbar. Die integrierte Funktion Lastindikator ermöglicht es, Belastungsveränderungen des angeschlossenen Motors sicher zu erkennen. Dafür wird ausschließlich der Drehmoment bildende Anteil im Motorstrom gemessen, was eine hochdynamische und genaue Funktionsweise gewährleistet. Außerdem sind zwei geberlose Sicherheitsfunktionen verfügbar, die speziell für rotierende Motoren ohne Drehzahlgeber konzipiert sind. Somit wird es für Hersteller von Bearbeitungs- und Werkzeugmaschinen leichter, die steigenden Anforderungen bezüglich Produktivität und Personensicherheit zu erfüllen (Bild 1).
Hinweis auf Verschleiß und Werkzeugbruch
Der Lastindikator (Bild 2) basiert nicht auf akustischen Sensoren. Vielmehr wird der tatsächliche Drehmoment bildende Strom des Motors ausgewertet, sodass sich Laständerungen des Motors mit großer Genauigkeit feststellen lassen. Daraus lassen sich wiederum Rückschlüsse auf den Zustand der jeweiligen Maschine ziehen: Tritt zum Beispiel eine beim Bearbeitungsvorgang zu erwartende Stromveränderung nicht ein, ist ein Werkzeugbruch wahrscheinlich. Der Anwender kann dann die Maschine sofort stoppen.
Dank des Lastindikators lässt sich aber auch ein Verschleiß der Werkzeuge erkennen, da diese im abgenutzten Zustand mehr Leistung aufnehmen. Ist eine vorab eingelesene Belastungsschwelle erreicht, erfolgt eine Mitteilung und das betreffende Werkzeug kann kurzfristig ausgetauscht werden – so lässt sich eine kontinuierliche Bearbeitungsqualität gewährleisten.
Der Lastindikator in den Frequenzumrichtern und Servoverstärkern der Serie SD2X (Bild 3) kann aber auch das Berühren von Werkzeug mit dem Werkstück („Anfunken“) erkennen – ein Prozess, der zum Beispiel beim Schleifvorgang notwendig ist und meist durch teure Körperschallsensoren abgedeckt wird. Nicht zuletzt lassen sich mithilfe des Ausgangssignals des Lastindikators Bearbeitungsvorschübe flexibel anpassen. Das ist immer dann hilfreich, wenn Werkstücke mit unterschiedlichen Materialdichten (z. B. Holz) bearbeitet werden sollen.
Geberlose Sicherheitsfunktionen
Bei Bearbeitungs- bzw. Werkzeugmaschinen ergeben sich aber nicht nur Gefahren durch einen möglichen Werkzeugbruch. Auch Werkzeuge, die noch bzw. mit zu hoher Drehzahl rotieren, stellen für den Bediener bzw. Servicetechniker ein Risiko dar. Die Herausforderung für den Maschinenhersteller besteht darin, die Aspekte Personensicherheit und Produktivität gleichzeitig optimal bzw. normkonform umzusetzen. Bei klassischen Sicherheitslösungen müssen die Motoren bzw. Spindeln mit sicheren Drehzahlgebern ausgestattet sein, um gefährliche Betriebszustände erfassen bzw. vermeiden zu können. Ist dieser Sachverhalt nicht gegeben, müssen Maschinenhersteller Abstriche bei der Produktivität hinnehmen oder durch aufwendige Sicherheitskonzepte für unterschiedliche Anwendungsfälle entsprechende Sicherheits-Integritätslevels gewährleisten.
Um das zu vermeiden, hat Sieb & Meyer das Antriebssystem der Serie SD2 um die geberlosen Funktionen „Sicherer Stillstandsmonitor“ (SFM – Safe Frequency Monitor) und „Sicher begrenztes Drehfeld“ (SLOF – Safe Limited Output Frequency) ergänzt. Sie sind vom TÜV Nord nach EN61508:2010 geprüft und erfüllen die Anforderungen eines Sicherheits-Integritätslevels von SIL3. Die Funktionen bauen auf der in allen SD2-Geräten serienmäßig integrierten Funktion „Safe Torque Off“ (STO) auf. Das Ergebnis ist eine funktionale und kostengünstige Lösung für Maschinenhersteller, die sich für sensorlose Systeme eignet. Spindeln und Motoren müssen also nicht mit Drehzahlgebern ausgestattet werden – das ist besonders relevant für Einsatzbereiche wie dem Hochgeschwindigkeitsfräsen oder -schleifen, bei denen eine Integration von Drehzahlgebern in Spindeln/ Motoren aus technischen oder finanziellen Gründen nur bedingt möglich ist.
Sichere Stillstandsüberwachung
Mit der Sicherheitsfunktion SFM kann der Bediener sicher erkennen, ob eine geberlose Spindel nach dem Ausschalten den Stillstand erreicht bzw. eine sichere Drehzahlfrequenz unterschritten hat. Solange dies nicht geschehen ist, wird beispielsweise eine Schutztür nicht freigegeben. Diese SFM erkennt das elektrische Drehfeld des Motors. Unter Berücksichtigung der Polzahl des Motors lässt sich somit eine genaue Aussage über das mechanische Drehfeld machen. Beispielsweise ergibt sich bei Verwendung eines vierpoligen Motors und einer parametrierten elektrischen Grenzfrequenz von 10 Hz ein mechanisches Drehfeld von 300 min-1. Bei rotierenden Werkzeugen mit geringer Drehzahl ist das Verletzungsrisiko als klein einzustufen bzw. der Bediener kann die Rotation des Werkzeugs visuell wahrnehmen. Somit wird das Betreten des Schutzraums als „sicher“ definiert.
Die SFM-Funktion basiert auf einer frequenzabhängigen, vom Motor induzierten Spannung bzw. 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. Liegt die Drehfeldfrequenz unterhalb der parametrierten Grenzfrequenz, generiert der Antrieb das Statussignal „Standstill“. Das Stillstandssignal lässt sich nur bei deaktivierter Endstufe und abgeschalteter Hauptspannung generieren.
Maximale Drehfeldbegrenzung
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. Liegt die Drehfeldfrequenz im parametrierten Bereich, generiert der Antrieb das Statussignal „frequency in limits“. Bei einer Überschreitung des Grenzwerts wird die Endstufe mittels STO freigeschaltet, das System erzeugt kein weiteres Drehmoment und somit keine weitere Beschleunigung. Dies entspricht dem Status „frequency out of limits“.
Die Funktion SLOF ermöglicht somit die sichere Begrenzung des Drehfelds einer Spindel. Sie verhindert, dass die angeschlossene Spindel aktiv durch den Antrieb auf eine zu hohe Frequenz beschleunigt wird. Bei einer Überschreitung der sicher parametrierten maximalen Drehfeldfrequenz durch eine Fehleingabe bzw. durch eine Fehlfunktion des Antriebsverstärkers wird die Endstufe mittels der Funktion STO freigeschaltet. (no)

Rolf Gerhardt ist Vertriebsleiter Antriebselektronik bei der Sieb & Meyer AG in Lüneburg. rolf.gerhardt@sieb-meyer.de

Rolf Gerhardt ist Vertriebsleiter Antriebselektronik bei der Sieb & Meyer AG in Lüneburg. rolf.gerhardt@sieb-meyer.de