Suchen

Maschinensicherheit Sicher spannen fürs Vertikal-Drehen

| Redakteur: Jan Vollmuth

An der TU Chemnitz wird eine neue Beurteilungsmethode der Ursache-Wirkung-Beziehungen beim möglichen Versagen der Werkstückspannung für das sicherheitstechnisch besonders kritische Vertikal-Drehen entwickelt.

Firmen zum Thema

Bei der Drehbearbeitung werden Werkstücke meist über Dreibackenfutter gespannt. Gegenüber der vertikalen Einspannung ist bei horizontaler Einspannung ein unkorrekt gespanntes Werkstück besser erkennbar.
Bei der Drehbearbeitung werden Werkstücke meist über Dreibackenfutter gespannt. Gegenüber der vertikalen Einspannung ist bei horizontaler Einspannung ein unkorrekt gespanntes Werkstück besser erkennbar.
(Bild: Schunk)

Eine Herausforderung für die Sicherheit: Die Verfahrensintegration Vertikal-Drehen ist arbeitssicherheitstechnisch besonders kritisch, weil dafür Werkzeugmaschinen mit vollwertigen Drehachsen für das Werkstück ausgerüstet werden. Mit der hohen Drehzahl der Werkstücke steigt auch die kinetische Energie gegenüber der reinen Fräsbearbeitung stark an.

Erhöhtes Risiko beim Vertikal-Drehen

Bei der Drehbearbeitung werden Werkstücke meist über Dreibackenfutter gespannt. Gegenüber der vertikalen Einspannung ist bei horizontaler Einspannung ein unkorrekt gespanntes Werkstück besser erkennbar. Das Gefährdungsrisiko des Bedieners ist jedoch beim Vertikal-Drehen deutlich höher, weil infolge einer versagenden Werkstückspannung das freigesetzte Werkstück radial aus dem Arbeitsraum geschleudert wird. Wird das Werkstück außerdem manuell gespannt, entstehen trotz ausreichender technischer Zuverlässigkeit Unwägbarkeiten, die rein auf das menschliche Handeln zurückzuführen sind.

Bildergalerie

Die Sicherheitstechnik bietet verschiedene Lösungsansätze und Sicherheitsmaßnahmen, um das Gefährdungsrisiko für Maschinenbediener durch freigesetzte Werkstücke zu minimieren. Eine Möglichkeit besteht darin, die instruktive Sicherheit zu verbessern, indem z. B. die Bearbeitung bestimmter kritischer Werkstückgeometrien nicht oder nur eingeschränkt zulässig ist.

Gefährliche Spannsituationen werden oft nicht erkannt

Heutzutage beschränken lediglich der Arbeitsraum der Maschine und die maximal zulässige Belademasse die Werkstückgeometrie, sodass oftmals gefährliche Spannsituationen nicht erkannt werden. Löst sich beim Vertikal-Drehen ein Werkstück, kann die Flugbahn des freigesetzten Werkstücks mit Hilfe der physikalischen Flugparabel beschrieben werden. Für die Gefährdungsexposition des Bedieners ist vor allem die Aufprallhöhe entscheidend.

Eine Möglichkeit, die maximale Aufprallhöhe zu begrenzen, besteht in der Reduzierung der Drehzahl in Abhängigkeit der Werkstückgeometrie. Mit der Verringerung der Geschwindigkeit nimmt die Gefährdung ab. In Abhängigkeit von variablen sicherheitsrelevanten Parametern, wie z. B. der Höhe des Drehtisches oder der Bedienerposition während der Bearbeitung, können weitere Instruktionen definiert werden (siehe Grafik in der Bildergalerie).

Zusatzmaßnahme aktive Überwachung

Eine andere Möglichkeit ist die Erweiterung der funktionalen Sicherheit, indem die Werkzeugmaschine als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme mit einer aktiven Überwachung ausgestattet wird. Ein Beispiel dafür ist die Stopp-Sicherheitsfunktion von Drehtischen, bei der die Werkzeugmaschine im Falle eines gelösten Werkstücks durch Anhalten des Drehtisches reagiert.

Ziel der Stopp-Sicherheitsfunktion bei der vertikalen Drehbearbeitung ist eine konsequente und vollständige Energiedissipation ohne Werkstückfreisetzung. Deshalb müssen die bewegten Massen und die Wechselwirkung mit dem Spannsystem unbedingt berücksichtigt werden. In bestimmten Fällen kann ein schnelles und ruckartiges Abbremsen eine zusätzliche Stoßenergie auf die gelösten Werkstücke verursachen und damit die Werkstückfrei­setzung begünstigen.

Unterschiedliche Bremsfunktionen untersucht

In einer Studie mit dem VDW wurde mittels Mehrkörpersimulation die Auswirkung unterschiedlicher Bremsfunktionen für gelöste Werkstücke untersucht. Dabei zeigte sich die schrittweise Abbremsung des Drehtisches aufgrund der vollständigen Energiedissipation ohne Werkstückfreisetzung als wirksamer Bremsvorgang. Außerdem ist das erforderliche Bremsmoment deutlich geringer als beim ruckartigen Bremsvorgang. Beispielhaft wurde der effektive Bremsvorgang eines scheibenförmigen und zylinderförmigen Werkstück untersucht. Im Gegensatz zum Bremsvorgang des scheibenförmigen Werkstücks wurde beim zylinderförmigen eine engere zeitliche Verteilung zwischen den Bremsstufen gewählt. Grund dafür ist, dass ein zylindrisches Werkstück ein geringeres Standmoment besitzt und leichter zum Umkippen neigt. Es ist außerdem keine Translationsenergie feststellbar, sodass das Werkstück den Spannraum zu keinem Zeitpunkt verlässt (siehe Grafik in der Bildergalerie).

Voraussetzung für die Entwicklung wirksamer Sicherheitsmaßnahmen sind fundierte Kenntnisse über die Ursache-Wirkungs-Beziehung eines freigesetzten Werkstücks. Deshalb stellt der Lösungsansatz des Projektes nicht nur die Betrachtung der technischen, sondern besonders der menschlichen Zuverlässigkeit in den Mittelpunkt. Dafür werden reale statistische Daten gewonnen, die in empirischen Nutzertests zum Spannvorgang von Werkstücken ermittelt werden. Erkannte Schwächen bzw. gefährliche Situationen der Werkstückspannung können einerseits gemindert oder abgestellt werden. Wichtiger ist jedoch vor allem die Instruktion für die manuelle Tätigkeit zu verbessern und notwendige Maßnahmen dem Maschinenbediener zu begründen und erklären.

Freisetzungsphase untersuchen

Es stellt sich zudem die Frage, wann diese Toleranzen zur Freisetzung von Werkstücken führen können und auf welche Art und Weise die Freisetzungsphase beginnt. Dazu werden statische und dynamische Versuche an einem Versuchsstand mit Sensoren und einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgebaut, mit dem wiederum statistische Auswertungen möglich sind. Die geplanten Nutzertests und die experimentellen Arbeiten werden zeigen, für welche Bediener(fehl)-handlungen die Instruktionen zu verbessern sind. Dazu werden Vorschläge unterbreitet, die auch den Einsatz neuer Medien und Interaktionsformen berücksichtigen.

Aktuell werden Beobachtungsstudien vorbereitet und sollen in unterschiedlichen Firmen stattfinden, die die vertikale Drehbearbeitung einsetzen. Für die darauf folgenden Nutzertests bedarf es ebenfalls ausgebildeter Maschinenbediener von Bearbeitungszentren aus Fertigungsunternehmen mit hohem Anteil manueller Spannvorgänge. Die Durchführung der Nutzertests soll im Versuchsfeld der TU Chemnitz erfolgen, wobei diese auch ortunabhängig durchgeführt werden können. Die teilnehmenden Firmen profitieren von neuartigen Möglichkeiten zur Schulung des eigenen Bedienpersonals durch direkten Zugriff auf Projektergebnisse. Im Fokus stehen dabei die Erhöhung der Spannsicherheit beim manuellen Werkstückspannen sowie die Reduktion der Bedienergefährdung in der eigenen Fertigung.

Beitrag zur Verbesserung der instruktiven Sicherheit

Die teilnehmenden Firmen leisten einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der instruktiven Sicherheit sowie zum Arbeitsschutz und der Gesundheit ihrer eigenen Mitarbeiter. Bezieht man unfallbedingte Ausfallzeiten in der Fertigung in die Betrachtung mit ein, so tragen die Firmen auch zur Senkung des wirtschaftlichen Risikos ihres Unternehmens bei.

Am Thema interessierten Unternehmen bietet sich derzeit die Chance, sich an den bevorstehenden Untersuchungen aktiv zu beteiligen. Insbesondere zu den Beobachtungsstudien an Bearbeitungszentren mit vertikaler Drehbearbeitung sind Beiträge aus der Praxis willkommen. (jv)

(ID:46755169)