Immer gut gebürstet

Titelstory

Safe Motion – Durch die Beratung und die Produkte von Pilz entstanden sichere, robuste und energieeffiziente Antriebslösungen für die Herstellung von Kohlebürsten, denen auch die raue Umgebung in der Produktion nichts ausmacht.

19. Mai 2016

Schunk Hoffmann Carbon Technology im österreichischen Bad Goisern ist einer der führenden Hersteller im Bereich Starter- und Kraftstoffpumpen-Kohlen für die Automobilindustrie. Beeindruckende rund 500 Millionen qualitativ hochwertige Kohlebürsten werden hier jährlich auf vorwiegend im eigenen Haus konstruierten und gebauten Anlagen hergestellt.

Das oberösterreichische Unternehmen wurde im Jahr 1946 in Bad Goisern gegründet, die Kohleproduktion war immer schon Kern des Geschäfts. Seit Ende 1999 ist Hoffmann Mitglied der internationalen Schunk Group, einem weltweit in den Bereichen Kohlenstofftechnik und Keramik, Umweltsimulation und Klimatechnik, Sintermetalltechnik sowie Ultraschallschweißtechnik agierenden Technologiekonzern. Schunk Hoffmann Carbon Technology deckt als Serienlieferant den gesamten Prozess von der Ideen- und Konzeptfindung über die Entwicklung, Serienüberleitung, Prozessreife bis hin zur Produktion ab. Ein weiterer wesentlicher Punkt des Erfolgsrezepts liegt in der Kombination aus eigener Materialentwicklung, eigener Produktionsprozessdefinition und eigenem Maschinenbau.

Die neuesten Produktionseinrichtungen aus dem Hause Hoffmann sind die elektrisch betriebenen Pressen SSP 260. Die SSP 260 – das Kürzel SSP steht für Servo-Spindel-Presse kann sehr geringe Presskräfte bis zu 260 Kilonewton bearbeiten. Universell einsetzbar ermöglicht die Presse es, den Großteil des umfangreichen Kohlenportfolios mit nur einem einzigen Maschinentyp abzudecken. Idee der Neuentwicklung war es, eine flexibel umrüstbare Standardpresse zu konstruieren, mit der sich rund neunzig Prozent des Produktspektrums – immerhin aktuell rund 200 Varianten – herstellen lassen. Die Herausforderungen lagen im Bereich »sicheres Antreiben«. Bereits im Zuge des Probebetriebs kam es zu Störungen, es gab immer wieder Kurzschlüsse auf der Platine des eingesetzten Antriebsreglers, die offensichtlich dem Kohlestaub nicht standhielt. Das Gerät war einfach nicht robust genug für die Anwendung.

Versierten Partner gesucht

Hierfür holte sich Schunk Hoffmann den Automatisierungsexperten Pilz ins Boot, dessen Portfolio auch den Bereich sichere Antriebstechnik umfasst. Pilz kannte man bei Schunk Hoffmann bereits von Steuerungsseite: »Die klassischen Pilz-Produkte, wie die Sicherheitsrelais PNOZ und die konfigurierbaren Steuerungssysteme PNOZmulti, hatten wir auch schon in der Vergangenheit zahlreich im Einsatz und kannten daher Pilz als verlässlichen Partner«, sagt Alfred Stüger, technischer Leiter der Fertigung bei Schunk Hoffmann Carbon Technology. In der neuen Servo-Spindel-Presse von Hoffmann kommt deshalb Safe Motion von Pilz zum Einsatz. »Mit der elektrischen und ›sauberen‹ Antriebslösung konnten wir unsere Presse zur Serienreife bringen, weil diese auf die speziellen Anforderungen – unter anderem die sehr raue Umgebung – unserer Presse optimal abgestimmt ist«, freut sich Stüger.

Die moderne Kohlebürste für Anwendungen im Automotive-Bereich ist kein einfaches Produkt. In den heutigen Kraftfahrzeugen sind bis zu 100 Elektromotoren verbaut – davon die meisten mit Kohlebürsten betrieben –, vom Starter über die Treibstoffpumpe bis hin zum Fensterheber und Spiegelversteller. Für jeden Motortyp entwickelt Schunk Hoffmann gemeinsam mit seinen Kunden eine hinsichtlich Werkstoffzusammensetzung und Geometrie maßgeschneiderte Kohlebürste. »Die Anforderungen sind dabei grundsätzlich sehr unterschiedlich. Neben den elektrischen gibt es eine ganze Reihe weiterer, je nach Anwendung sehr unterschiedlicher Eigenschaften, die eine qualitativ hochwertige Kohlebürste heutzutage aufweisen muss.«

Deshalb entwickelt Schunk Hoffmann für einen neuen Motor häufig eine spezifische Kohlerezeptur bestehend aus Grafit und Kupfer sowie verschiedenen Binde-, Schmier- und Reinigungsmitteln. Mittels ausgeklügelten, teilweise mehrschichtigen Füllverfahren werden die jeweiligen Materialien in die Pressformen eingebracht, um danach bei hundertprozentiger Überwachung von Presskraft und Pressweg zu Kohlebürsten gepresst.

Die sehr raue – sprich staubige – Industrieumgebung war nur ein kritischer Aspekt, den Pilz durch seine robuste Antriebslösung lösen konnte: Die passende Lackierung zum Schutz der Platine vor dem leitenden Kohlestaub des Servoverstärkers PMCprotego D war schnell gefunden. »Wir bieten unsere Steuerungssysteme ebenso wie einfachere Not-Aus-Geräte schon seit Langem optional in beschichteten Ausführungen an«, erklärt Karl Haderer, Motion Control-Spezialist bei Pilz Österreich.

Eine noch größere Herausforderung war es schließlich, eine Lösung für die Nutzung der Bremsenergie zu finden. Eine weitere Anforderung, die die neue Presse mit Blick auf ihre Energieeffizienz erfüllen sollte. Das bringt dem Anwender Vorteile: Die im Zwischenstromkreis installierten Energiespeicher reduzieren den Spitzenstrombedarf der Maschine deutlich und bringen zudem eine höhere Dynamik.

Sicherheit im Verbund

All diese Anforderungen erfüllt der Servoverstärker PMCprotego D in Verbindung mit der Sicherheitskarte PMCprotego S. Diese Kombination – Safe Motion von Pilz – gewährleistet im Verbund von Antrieb und Sicherheit mit Bewegungs-, Stopp- und Bremsenfunktionen die Sicherheit des Werkers bei Bedienung, Rüsten, Formatwechsel oder Wartung. Gleichzeitig erhöht Safe Motion die Produktivität. Anwender profitieren von hochdynamischen, kurzen Reaktionszeiten, Sicherheit unabhängig vom Gebersystem sowie einfache und schnelle Inbetriebnahme und Bedienung. Dabei ist die Safe-Motion-Lösung offen ausgelegt: Zu allen gängigen Feldbussen stehen passende Schnittstellen zur Verfügung.

Mit dem Servoverstärker PMCprotego D sowie der Sicherheitskarte PMCprotego S sind Sicherheitsfunktionen wie zum Beispiel »Sicher begrenzte Geschwindigkeit« – Safely-Limited Speed (SLS), »Sicherer Betriebshalt« – Safe Operating Stop (SOS) oder »Sicherer Stopp 2« – Safe Stop 2 (SS2) einfach umsetzbar. Der Antrieb wird hierbei geregelt heruntergefahren und dann ein »Sicherer Betriebshalt« eingeleitet.

Alle Regelfunktionen bleiben erhalten, die Stopp-Position wird überwacht. Während marktübliche Lösungen für SS2 die Bremrampe nur für eine bestimmte Zeit überwachen, überwacht die Sicherheitskarte PMCprotego S neben der Bremsrampe auch die Achse in Bezug auf mögliche Fehlfunktionen des Antriebssystems.

Bei der SSP 260 lassen sich über die Sicherheitskarte PMCprotego S sämtliche relevanten Sicherheitsfunktionen nach IEC 61800-5-2:2007 nahtlos und unabhängig vom Gebertyp in den Servoverstärker PMCprotego D integrieren – die Funktion STO (Sicher abgeschaltetes Moment) ist bereits standardmäßig in der Grundausstattung enthalten. Weitere, für die Presse konkret umgesetzte Sicherheitsfunktionen sind SS1 (Sicherer Stopp 1), SS2, SOS und SLS.

Zudem entwickelte Pilz speziell für diese Applikation eine Not-Halt-Rampe, die es ermöglicht, den Motor selbst bei der maximalen Drehzahl von 1.400 Umdrehungen pro Minute innerhalb von 50 Millisekunden auf null zu bremsen. Damit wurde erfolgreich der Wunsch seitens Schunk Hoffmann erfüllt, die Presse, die sehr hohe Taktzahlen aufweist, schnellstmöglich aber sicher stoppen zu können. Damit auch beim Not-Halt die gesamte Mechanik sicher verzögert wird, wurde zusätzlich eine Kurzschlussbremsung mit Öffnerschutz installiert.

Sofort startbereit

Die Einbindung von Fremdmotoren ist für die Safe-Motion-Lösung kein Problem, denn die Servoverstärker können mit praktisch jedem marktüblichen Geber arbeiten. Auch die Umrüstung der ersten Presse auf den neuen Antriebsregler erfolgte reibungslos. »In kürzester Zeit war der Motor eingestellt, die Pilz-Experten waren darin augenscheinlich sehr geübt«, sagt Alfred Stüger. Strom- und Drehzahlregler sind onboard des Servoverstärkers, mit dem Lageregler in der übergeordneten Maschinensteuerung – eine PC-basierte Soft-SPS – kommuniziert PMCprotego D via Ethercat unter Nutzung von CANopen. Die Übertragung der Sicherheitssignale erfolgt hartverdrahtet.

Bei Schunk Hoffmann ist man generell sehr zufrieden mit der sicheren Antriebslösung von Pilz. »Während der gesamten Inbetriebnahme- und Testphase wurden wir sehr kompetent unterstützt. Neben dem gezeigten Engagement ist bei Pilz das Detailwissen in Sachen Sicherheitstechnik ein großer Vorteil«, blickt Alfred Stüger zurück. Die positive Zusammenarbeit wurde bereits fortgesetzt: Bei zwei Modernisierungsprojekten, bei denen ältere Drehstromantriebe durch Servoantriebseinheiten auf Basis von PMCprotego D ersetzt wurden, war Pilz wieder mit im Boot.

Auf einen Blick

Safe Motion im Einzelnen

• Servoverstärker PMCprotego D.

• Sicherheitskarte PMCprotego S.

• Bewegungs-, Stopp- und Bremsenfunktionen.

• Sicherheitsfunktionen wie »Sicher begrenzte Geschwindigkeit« , »Sicherer Betriebshalt« oder »Sicherer Stopp 2« .

• Einleitung eines »Sicheren Betriebshalts«.

Erschienen in Ausgabe: 04/2016