Cobots (kollaborative Roboter) können mehrere Gelenke und Bewegungsfreiheitsgrade haben, um eine breite Palette von Aufgaben zu erledigen. (Bild: Robco)
Leichtbauroboter, die häufig ohne trennende Schutzeinrichtungen mit Menschen zusammenarbeiten, müssen bei Not- oder Sicherheitshalt schnellstmöglich zum Stillstand kommen und dürfen sich nach Abschalten des Stroms oder bei Stromausfall nicht unkontrolliert weiterbewegen. Sicherheitsbremsen eignen sich im Emergency Case am besten zum Abbremsen und Stillsetzen von Robotern. Doch welche Kriterien sind bei der Auswahl solcher Bremsen grundsätzlich zu beachten?
Leichtbauroboter, insbesondere kollaborative Roboter (Cobots) sind dafür konzipiert, Seite an Seite mit menschlichen Arbeitskräften zu arbeiten, um Effizienz, Flexibilität und Sicherheit zu verbessern. Um jedoch eine sichere Zusammenarbeit zu gewährleisten, müssen entsprechende Sicherheitsstandards und -richtlinien eingehalten werden. Anwendungsabhängig, das heißt je nachdem wie die Mensch-Roboter-Kollaboration erfolgt, sind deshalb Leichtbauroboter mit Sensoren – zum Beispiel für Kräfte und Drehmomente – oder mit Bildverarbeitungssystemen ausgestattet, die es ihnen ermöglichen, menschliche Bewegungen zu erkennen und darauf zu reagieren.
Zuverlässigkeit muss gewährleistet sein
Wesentlicher Bestandteil des Sicherheitskonzeptes sind aber auch Komponenten, die bei Stromausfall oder Not-Stopp die Bewegungen des Roboters schnell und sicher zum Stillstand bringen. Denn Sicherheit duldet keine Kompromisse. Zuverlässige Sicherheits-bremsen sind hier die erste Wahl und bewähren sich schon seit mehr als 20 Jahren in Leichtbaurobotern.
Solche ruhestrombetätigten, elektromagnetischen Federdruckbremsen, die nach dem Fail-Safe-Prinzip arbeiten, verhindern dauerhaft und zuverlässig bei Not-Stopp, Stromausfall oder bei einer zum Beispiel durch Kabelbruch verursachten Unterbrechung der Energieversorgung ein unbeabsichtigtes Absinken der Last sowie unzulässig lange Anhaltewege. Diese Bremsen sind im energielosen Zustand geschlossen und bringen immer zuverlässig das geforderte Bremsmoment.
Anwender sollten darauf achten, ob sich die Roboterbremsen ihres Lieferanten auch für den Einsatz als sicherheitsbezogene Komponente eignen. Dann erfüllen sie die Anforderungen der Kategorie 1 nach EN ISO 13849-1 als bewährtes Bauteil. In solchen Bremsen drücken im stromlosen Zustand mehrere im Spulenträger geführte Druckfedern gegen eine Ankerscheibe. Die Federn mit einem Windungsabstand kleiner als der Drahtdurchmesser sind im dynamischen Dauerfestigkeitsbereich ausgelegt. Durch die sichere Federkraft wird der Rotor beziehungsweise eine Mitnehmerscheibe mit Reibbelägen zwischen Ankerscheibe und Reibflansch gehalten und gebremst. Beim Anlegen von Spannung an die Bremsenspule der Bremse baut sich ein Magnetfeld auf, das die Ankerscheibe gegen den Federdruck an den Spulenträger zieht. Die Bremse ist gelüftet, die Welle kann sich frei drehen.
Moderne Sicherheitsbremsen, die speziell auf die Bedürfnisse von Leichtbaurobotern zugeschnitten sind, zeichnen sich durch äußerst kompakte Bauform, geringes Gewicht, kleine Massenträgheitsmomente und optimierte Leistungswerte aus. Aufgrund ihrer guten Leerlaufeigenschaften und ihrer hohen Leistungsdichte sind sie die technisch perfekte und wirtschaftliche Lösung für alle Bauformen von Leichtbaurobotern. Darüber hinaus bieten sie einen weiteren Vorteil: Sie sind einbaufertig und lassen sich einfach und flexibel in die Antriebe von Robotergelenken integrieren.
Kurze Schaltzeiten in Not-Situationen
Ein weiteres wichtiges Auswahlkriterium sind die Schaltzeiten der Bremse. Hat der Bremsenhersteller bei der Entwicklung auf möglichst kurze Schaltzeiten geachtet? Nur dann wird bei Stromausfall beziehungsweise Not-Stopp der Bremsweg auf ein Minimum reduziert. Damit die Sicherheitsbremsen auch in Not-Stopp-Situationen ausreichend Reibarbeit leisten und Bewegungen mit definiertem Bremsmoment abbremsen, ist ein dafür entwickelter Reibbelag mit dazugehöriger Gegenreibfläche erforderlich. Bei bewährten Sicherheitsbremsen wird das Bremsmoment von organischen Reibbelägen erzeugt, die speziell für diese Anwendung nach umfangreichen Tests ausgewählt wurden.
Diese temperaturfesten Beläge sind selbst bei hohen Umgebungstemperaturen bis zu 120 °C einsetzbar und bestechen durch einen hohen, gleichmäßigen Reibungskoeffizienten. Sie sorgen für ein stabiles statisches und dynamisches Bremsmoment mit geringen Toleranzen. Bremsen mit diesen Spezialbelägen überzeugen zudem durch eine hohe zulässige Reibarbeit bei dynamischen Bremsungen. Normalerweise werden bei Servoantrieben zugunsten guter Regeleigenschaften und hoher Dynamik Lastmassenverhältnisse (Last/Motor) von 3:1 oder kleiner gewählt. Bei anwendungsoptimierten Bremsen für Leichtbauroboter sind durch hohe zulässige Reibarbeiten und Reibleistungen Lastmassenverhältnisse von 30:1 und mehr möglich.
Moderne Roboterbremsen zeichnen sich durch kompakte Abmessungen aus. Sie sind sehr leicht und extrem schnell im magnetischen Aktuieren. Vorteilhalft ist auch eine einfache und robuste Konstruktion. Sie erlaubt eine sichere und zuverlässige Montage. Wenn der Betriebsluftspalt ab Werk unveränderlich vorgegeben ist, arbeiten die Bremsen immer exakt und zuverlässig. Der magnetische Luftspalt wird weder von der mechanischen Einbausituation, noch von Lagerspiel oder Temperaturausdehnungen beeinflusst.
Bremsen für Leichtbauroboter sind eine wichtige Sicherheitskomponente.
- Sicherheitsbremsen sollten deshalb im Werk des Lieferanten vor der Auslieferung eine 100%-ige Ausgangsprüfung durchlaufen.
- Alle wichtigen technischen Eigenschaften wie Federkraft, Luftspalt, Anzugs- und Abfallspannung müssen aufgenommen, dokumentiert und der Seriennummer eindeutig und dauerhaft zugeordnet werden. Zudem sollte eine Hochspannungsprüfung durchgeführt werden. Der Auslieferzustand jeder einzelnen Bremse ist dadurch jederzeit nachvollziehbar.
Wenn Bremsen für den Einsatz in sehr anspruchsvollen Anwendungen vorgesehen sind, sollte der Lieferant auch in der Lage sein, weiterführende Prüfungen durchzuführen, zum Beispiel Bremsmoment- und Schaltzeitmessungen. Es gibt keine Sicherheitsbremse, die sich für alle Bauformen von Leichtbaurobotern gleichermaßen eignet. Deshalb ist es von Vorteil, wenn Hersteller von Roboterbremsen variable Lösungen aus dem Baukasten für die unterschiedlichsten Einbausituationen anbieten können.
Servobremsen sind besonders verschleißfest
Servobremsen mit Nabe und verzahntem Rotor finden ihre Haupt-Anwendungsfelder im Bereich der üblichen Servomotoren. Sie werden bevorzugt im A-Lagerschild verbaut, weil hier das Festlager sitzt und Temperaturdehnungen die Bremse nicht gravierend beeinflussen können. Solche Bremsen können aber auch ohne Einschränkung in der B-Lagerseite des Motors integriert werden, wenn der Arbeitsluftspalt unabhängig von äußeren Einflüssen unveränderlich vorgegeben ist.
Klassische Servobremsen haben hohe Bremsmomente bis zu 100 Nm und sind besonders verschleißfest. Eine große Anzahl von dynamischen Bremsungen, verursacht beispielsweise durch Not-Stopps, ist zulässig. Diese Servobremsen haben einen Metallrotor mit Reibbelägen und eine verzahnte Nabe. Das Bremsmoment wird über die Innenverzahnung des Rotors auf die Nabe und über eine Passfederverbindung von der Nabe auf die Welle übertragen. Diese Bauformen mit Nabe und verzahntem Rotor sind aber auch kundenspezifisch anpassbar und direkt in Robotergelenke integrierbar.
Allerdings wird bei Leichtbaurobotern meistens eine Hohlwellenkonstruktion zur Leitungsdurchführung im Innenraum bevorzugt, damit keine außenliegenden Leitungen stören und die Sicherheit beeinträchtigen. Für solche Roboter gibt es optimierte, schlanke und leichtbauende Bremsenvarianten. Sie wurden speziell für den Einsatz in Leichtbau-Robotern entwickelt und lassen sich aufgrund ihres Aufbaus perfekt in solche Konstruktionen integrieren.
Diese sogenannten Pad-Lösungen haben einen sehr großen Innendurchmesser und sind bestens geeignet für die Anbindung von Hohlwellen. Zudem erleichtern der geringe Platzbedarf, das reduzierte Gewicht und ein kleines Massenträgheitsmoment die Integration. Durch das geringe Eigengewicht der Reibbelag-Pads punkten diese Servobremsen auch durch sehr gute Leerlaufeigenschaften. Die speziell für Leichtbauroboter entwickelte Variante hat an Stelle von Rotor und Nabe eine Mitnehmerscheibe mit Aussparungen, in denen die Reibbelag-Pads geführt sind. Diese Mitnehmerscheibe ist stirnseitig mit der Welle beziehungsweise der Hohlwelle verschraubt.
Auswahl- und Dimensionierungshilfen
Bewährte Roboterbremsen-Baureihen sind einbaufertige, geprüfte Komplettsysteme. Bei der Montage über die Spulenträger-Frontseite wird die Bremse über Durchgangsbohrungen im Spulenträger und Gewindebohrungen im kundenseitigen Anbauteil angeschraubt – beispielsweise dem Lagerflansch. Bei der Montage über die Spulenträger-Rückseite hat das kundenseitige Anbauteil die Durchgangsbohrungen, im Spulenträger der Bremse sind die Gewindebohrungen.
Für die Sicherheit von Mensch und Maschine sind zuverlässige Monitoring-Lösungen wichtig. Bislang waren Servobremsen aufgrund der kleinen Luftspalte oder aber ihrer Einbausituation nur sehr schwer oder gar nicht überwachbar. Renommierte Bremsenhersteller bieten jetzt aber auch intelligente Module an, die Servobremsen sensorlos überwachen und gleichzeitig mit Energie versorgen können.
Zudem sind Anwender gut beraten, auf Bremsenspezialisten mit langjähriger Erfahrung bei Entwicklung, Fertigung und Applikation von Sicherheitsbremsen zu setzen. Diese sind am besten in der Lage, kompetent und umfassend bei der Auswahl und Dimensionierung anwendungsoptimierter Servobremsen zu unterstützen. Außerdem bieten Produktkonfiguratoren auf den Websites renommierter Lieferanten komfortable Auswahl- und Dimensionierungshilfen bis hin zur Ausgabe von Approval Drawings und CAD-Files für die Konstruktion. ki
Checkliste: Einkauf von Sicherheitsbremsen für Leichtbauroboter
- Definieren Sie aus den technischen Daten Ihres Antriebs und der Antriebskonstellation möglichst exakt die Anforderungen an die Sicherheitsbremsen. Führen Sie eine Applikationsprüfung durch und vergewissern Sie sich, dass die ausgewählte Bremse zu den Umgebungsbedingungen passt, die in der Praxis tatsächlich vorherrschen.
- Achten Sie darauf, dass die Sicherheitsbremsen auch für dynamische Bremsungen geeignet sind und unter realistischen Bedingungen getestet wurden. Erkundigen Sie sich hier auch nach den Prüfmöglichkeiten des Herstellers.
- Vergewissern Sie sich, dass der Lieferant eine 100 %-Endprüfung durchführt, inklusive der automatischen Speicherung aller Testdaten. Für eine lückenlose Rückverfolgbarkeit müssen die Bremsen zudem mit eindeutigen Seriennummern gekennzeichnet sein.
- Prüfen Sie die Ansprechzeiten der Bremse (Anzug/Abfall). Nur mit einer schnellen Bremse und konstanten Schaltzeiten über die Lebensdauer erreichen Sie kurze, sichere Anhaltewege. Achten Sie darauf, dass der Lieferant Sicherheitskennwerte für seine Bremsen bereitstellt. Diese benötigen Sie für Ihre Sicherheitsbetrachtung.
- Setzen Sie auf Hersteller mit Erfahrung bei der Entwicklung von Leichtbaubremsen. Fordern Sie Beratung ein, um so die Unterschiede feststellen zu können.
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Quelle: Chr. Mayr GmbH + Co. KG