Dosierte Energie

Sicherheitsbremsen - Elektromagnetische federdruckbetätigte Sicherheitsbremsen sind ausfallsicher. Einen kleinen Nachteil gibt es: Im störungsfreien Betrieb müssen die Bremsen ständig bestromt sein, damit sie offen bleiben. Eine Spannungsanpassung hilft hier weiter.

09. August 2007

Sicherheitsbremsen bringen Maschinen und Anlagen innerhalb kürzester Zeit zum Stillstand. Sie schützen Mensch und Maschine vor Schäden. Nur ausfallsichere (fail-safe) Bremsen erfüllen diesen Anspruch. Ausfallsicher heißt: die Bremswirkung ist auch unter ungünstigen Bedingungen, Betriebsstörungen, Not-Aus und Stromausfall immer sichergestellt.

Im stromlosen Zustand sind ›Roba-stop‹-Bremsen geschlossen. Sie entsprechen damit den geforderten Sicherheitsaspekten. Selbst bei einer beschädigten Bremse, zum Beispiel durch Kabelbruch oder Ausfall der Magnetspule, bleibt das Bremsmoment erhalten. Fail-Safe-Bremsen eignen sich für Einsatzbereiche mit höchsten Sicherheitsanforderungen. Sie werden in Vertikalachsen von Werkzeugmaschinen, Handlinggeräten und Montageeinrichtungen integriert und halten die Achse im stromlosen Zustand immer sicher.

Elektrisch angesteuerte Bremse

Diese Sicherheitsbremsen sind federdruckbetätigt und werden in der Regel elektromagnetisch gelüftet. Bei normalem ungestörten Betrieb sind die Bremsen andauernd bestromt und werden erst bei Betriebsende wieder ausgeschaltet. Häufig wird dabei unnötig viel Energie aufgewendet, um die Bremsen offen zu halten. Durch optimale elektrische Ansteuerung, zum Beispiel mit dem neuen ›Roba-switch 24 V‹, kann der Energieverbrauch minimiert werden.

Schon bei der Entwicklung von elektromagnetischen Sicherheitsbremsen wird bei Mayr Antriebstechnik der magnetische Fluss durch konstruktive Gestaltung und Werkstoffwahl so optimiert, dass die geforderte Magnetzugkraft mit möglichst geringer Spulenleistung erreicht wird. Die Auslegung der Magnetspulen und magnetflussgerechte Konstruktion sparen Energie. Ein weitaus größeres Einsparpotenzial bietet sich aber im Betrieb.

Wird Spannung an die Spule der Bremse gelegt, baut sich ein Magnetfeld auf, das eine Ankerscheibe gegen die Federkraft anzieht und die Bremse lüftet. Bremsen sind oft so ausgelegt, dass sie auch bei maximal zulässigem Verschleiß der Reibbeläge mit Spulen-Nennspannung lüften. Nach dem Lüften reicht eine deutlich niedrigere Spannung aus, um die Bremse zuverlässig offen zu halten. Dieser physikalische Effekt wird bei Roba-stop-Bremsen durch Ansteuerung mit einem Switch konsequent genutzt. Durch die Absenkung auf 50 % der Spulen-Nennspannung sinkt die elektrische Leistung und damit auch der Energiebedarf auf 25 %.

Die Leistung einer Bremse ist größenbedingt. Bei Werkzeugmaschinen-Anwendungen liegt sie typischerweise zwischen 50 und 100 Watt. Eine 100-Watt-Bremse, die im Normalfall 16 Stunden pro Tag und 7 Tage in der Woche mit Nennspannung bestromt ist, hat einen jährlichen Energieverbrauch von 580 kWh. Davon könnten 435 kWh eingespart werden. Bei einem angenommenen Strompreis von 0,20 € pro kWh liegt die Kosteneinsparung bei 87 € pro Jahr. Die Anschaffungskosten für den Roba-switch 24 V amortisieren sich im ersten Betriebsjahr. Eine Leistungsabsenkung durch geringere Spulenspannung im Betrieb bringt weitere Vorteile: Die verminderte Spannung beeinflusst die Temperatur der Bremse stark. Bei Dauerbetrieb mit Spulen-Nennspannung erwärmt sich die Bremsen­oberfläche auf 60 bis 70 °C. Bei Betrieb mit halbierter Spannung hingegen bleibt die Temperatur unter 40 °C. Damit ist der Einfluss auf den Temperaturgang der Vorschubachse viel geringer zugunsten einer hohen und gleichbleibenden Bearbeitungsgenauigkeit. Ferner minimiert die niedrige Bremsentemperatur das Risiko vorzeitiger Spulenschäden durch temperaturbedingte Alterung. Wird die Spannung eingeschaltet, baut sich ein Magnetfeld auf, das die Bremse lüftet und offen hält. Die Stärke des Magnetfeldes ist proportional zur Spannungshöhe. Schaltet man die Spannung ab, fällt die Bremse nach kurzer Verzögerungszeit ein, nachdem sich das Magnetfeld abgebaut hat. Je stärker das Magnetfeld, umso länger ist diese Verzögerungszeit bis zur Bremsung. Spannung, Magnetfeld und Schaltzeit hängen eng zusammen. Reduziert man im Betrieb die Bremsenspannung auf halbe Nennspannung, verkürzen sich die Schaltzeiten. Bei Vertikalachsen ist es aus Sicherheitsgründen wichtig, dass die Achse bei Betriebsstörungen, Not-Aus oder Stromausfall sofort stillsteht und sicher gehalten wird. Je schneller die Bremse schließt, umso weniger weit sinkt der Schlitten ab. Durch den eigenen Steuereingang und integrierte gleichstromseitige Abschaltung übernimmt der Roba-switch 24 V die komplette Ansteuerung der Bremsenspule ohne mechanische Schütz- oder Relaiskontakte direkt aus dem SPS-Steuersignal. Geht das Steuersignal auf null oder wird die Versorgungsspannung abgeschaltet, wird die Spule durch einen elektronischen Schalter gleichstromseitig abgeschaltet.

Hermann Bestle, Mayr Antriebstechnik/ps

Erschienen in Ausgabe: 05/2007