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Sicherheitsschaltgerät

Sensorlose Stillstandswächter

| Autor/ Redakteur: Udo Tappe / Sandra Häuslein

Stillstandswächter überwachen hochdynamische Antriebe ohne zusätzliche Bewegungssensorik. In Hochgeschwindigkeits-Fräsmaschinen von Röders Tec sind sie im Einsatz und senken dort Inbetriebnahmeaufwand und Kosten.

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Die Hauptspindeln einer Hochgeschwindigkeits-Fräsmaschine von Röders Tec erlauben Drehzahlen von bis zu 90.000 min–1.
Die Hauptspindeln einer Hochgeschwindigkeits-Fräsmaschine von Röders Tec erlauben Drehzahlen von bis zu 90.000 min–1.
(Bild: Phoenix Contact)

Überall dort, wo hohe Anforderungen an die Zerspanleistung und Oberflächenqualität gestellt werden, kommen Hochgeschwindigkeits-Fräsmaschinen zum Einsatz. Als einer der führenden Hersteller im Bereich High Speed Cutting (HCS) nutzt die Röders Tec GmbH Stillstandswächter von Phoenix Contact, um die Bewegung der hochdynamischen Antriebe zu überwachen. Da keine zusätzliche Bewegungssensorik benötigt wird, senken die Module den Inbetriebnahmeaufwand und die Kosten.

Die HSC-Maschinen des Unternehmens, von denen mehr als 2500 in über 50 Ländern installiert sind, werden unter anderem zur Fertigung komplexer Geometrien mit besonderen Oberflächen für die Medizintechnik sowie von Mikroformen oder Münzprägestempeln eingesetzt.

Die Anforderung: verzögertes Entriegeln

Die Hauptspindel einer Hochgeschwindigkeits-Fräsmaschine bewegt sich mit bis zu 90.000 min–1. Zum Schutz des Be-­dienpersonals vor den sich daraus ergebenden Gefahren wird der Arbeitsraum – wie bei Bearbeitungszentren üblich – durch eine beweglich trennende Schutzeinrichtung abgesichert. Die für die Sicherheit von Werkzeugmaschinen und Bearbeitungszentren anwendbare Produktnorm EN 12417 fordert zudem, dass das Öffnen der Schutzeinrichtung bis zum Stillstand der gefahrbringenden Bewegung zu verhindern ist. Zu diesem Zweck muss der Maschinenbetreiber eine Schutzeinrichtung mit Zuhaltung nutzen, wobei eine Zeitsteuerung oder eine Stillstandsüberwachung für ein verzögertes Entriegeln sorgen soll. Im Vergleich zur Zeitsteuerung bietet die Stillstandsüberwachung den Vorteil, dass tatsächlich die gefahrbringende Bewegung kontrolliert wird. Denn erst nach dem Abschalten und Austrudeln des Antriebs wird ein sicheres Stillstands- oder Freigabesignal erzeugt. Bei einer Zeitsteuerung lässt sich die Schutztür nach einer vorab definierten Zeitspanne öffnen, die Spindel könnte sich theoretisch also noch bewegen.

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Vor diesem Hintergrund stellt Phoenix Contact mit dem Sicherheitsschaltgerät PSR-MM25 aus der Produktfamilie PSR-motion einen sensorlosen Stillstandswächter zur Verfügung, der ein- und dreiphasige Wechselstrommotoren sowie Gleichstrommotoren überwacht.

Die Lösung: sensorlose Überwachung

Die Messeingänge des 12,5 mm schmale Moduls werden direkt über die Motoranschlussleitungen angebunden. Die ansonsten üblichen Sensoren – wie Encoder oder Näherungsschalter –, die zusätzlich an der Bewegung angebracht werden müssen, entfallen somit bei dieser Art der Überwachung. „Im Gegensatz zur Auswertung externer Sensoren lässt sich die sensorlose Überwachung einfach in unser Maschinenkonzept integrieren“, bestätigt Olaf Hartmann, der bei Röders Tec für die Elektrokonstruktion der HSC-Maschinen verantwortlich ist. „Außerdem erweist sich die Lösung von Phoenix Contact als sehr robust gegenüber äußeren Einflüssen“.

Statt der Verarbeitung der Signale der Bewegungssensoren analysiert das PSR-MM25 die in den Motorwicklungen generierte Remanenzspannung. Befindet sich die durch Restmagnetisierung induzierte Spannung unterhalb einer variablen Schwelle, signalisiert das Modul den Motorstillstand, indem es den sicheren Relaisausgang aktiviert. Da die Spannungsschwelle im Bereich von 50 mV bis 500 mV eingestellt werden kann, lässt sich der Stillstandswächter an unterschiedliche Motorvarianten anpassen. Über eine extra konfigurierbare Verzögerung schalten sich die Ausgänge des PSR-MM25 erst nach dem Unterschreiten der Spannungsschwelle und dem anschließenden Ablauf der Verzögerungszeit ein.

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„Je nach Produktionsaufgabe der HSC-Maschine gibt es verschiedene Handlingslösungen und damit auch ein großes Spektrum an Hauptspindeln. Weil die Überwachungsfunktion des Stillstandswächters unabhängig vom verwendeten Spindeltyp funktioniert, ist das PSR-MM25 für uns universell einsetzbar“, erläutert Olaf Hartmann.

Zur Verarbeitung innerhalb der HSC-Maschine wird das sichere Stillstandsignal des PSR-MM25 mit dem Freigabesignal eines Schlüsselschalters verknüpft. Das daraus resultierende Signal steuert dann den Zuhaltemagnet einer Verriegelungs-Einrichtung an, sodass der Bediener die Schutztür öffnen kann. Um einen unerwarteten Anlauf bei geöffneter Schutzeinrichtung zu verhindern, werden die Motorschütze der Spindel mit dem Entriegeln der Schutztür abgeschaltet.

Normative Anforderungen

Das Messprinzip des PSR-MM25 eignet sich für den Anschluss an geregelte und ungeregelte Elektromotoren. Somit lassen sich Antriebe überwachen, deren Ansteuerung entweder über Frequenzumrichter, Motorschütze oder Halbleiterschütze erfolgt. Im Rahmen der Funktionalen Sicherheit werden entsprechende normative Anforderungen an die Verriegelungseinrichtung und folglich ebenso an das Entsperren der Zuhaltung gestellt. Der sichere Stillstandswächter PSR-MM25 ist für Applikationen bis Kategorie 3 und PL e gemäß EN ISO 13849-1 sowie SIL 3 nach EN/IEC 62061 nutzbar.

Aufgrund der problemlosen Integration in das Antriebskonzept der Applikation bietet sich die beschriebene Technologie insbesondere für die Stillstandsüberwachung an Werkzeug- und Holzbearbeitungsmaschinen sowie Walzantrieben und Zentrifugen an. Durch seine geringe Baubreite von 12,5 mm lässt sich das PSR-MM25 auch bei beengten Platzverhältnissen im Schaltschrank sowie für Nachrüstungen im Rahmen von Retrofit-Maßnahmen verwenden. (sh)

Hannover Messe 2018: Halle 9, Stand F40

* Udo Tappe ist im Produktmarketing Safety bei der Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont tätig.

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