Die Digitalisierung schreitet stetig voran und die Vernetzung von Personen, Dingen und Maschinen wird in Zukunft ganz neue Produktionsumgebungen hervorbringen. Die Chancen, die Industrie 4.0 mit sich bringt, nutzen deshalb heute immer mehr Unternehmen, um die Fertigungsprozesse in ihren Werken zu verbessern. Komplexe Abläufe können durch den Einsatz neuer Technologien in der Produktion heute deutlich effizienter gestaltet werden. Die Digitalisierung bietet neue Perspektiven für die Weiterentwicklung innovativer und mitarbeiterorientierter Produktionssysteme. Durch den Einsatz von Industrie-4.0-Technologien können Unternehmen ihre Instandhaltungskosten sowie die Ausfallzeiten von Maschinen drastisch reduzieren und so ihre Produktivität erhöhen. Doch dazu gilt es zunächst einmal eine aussagekräftige Datenbasis zu generieren, um Schlagworte wie „Predictive Maintenance“, also vorausschauende Wartung, mit Leben zu füllen. Die kontinuierliche Überwachung von System- bzw. Betriebszuständen ist dann der Schlüssel zu höherer Effizienz, Produktivität und Transparenz.
Bei elektromagnetischen Bremsen, die in vielen Automatisierungssystemen integriert sind, ist das einfacher als man zunächst denkt. Denn die in der Bremse integrierte Spule liefert ohne kostspielige Sensorik bereits eine Vielzahl an Informationen. Die Anzahl der Schaltzyklen, die Gesamtschaltarbeit oder der elektrische Stromverlauf beim Öffnen bzw. Schließen sind Informationen, die bei jeder elektromagnetischen Bremse erfasst, ausgewertet und entsprechend genutzt werden können. Als Komponentenlieferant unterstützt der Bremsenspezialist Kendrion die Systemanbieter bei der Umsetzung und Auswertung der in den Bremsen vorliegenden Signale und spezifiziert die festzulegenden Grenzwerte für die Applikation.
Funktionsprinzip als Daten-Basis
Die Basis dafür liefert das Funktionsprinzip. Federdruckbremsen beispielsweise nutzen die Kraftwirkung eines elektromagnetischen Feldes zum Aufheben der durch Federkraft erzeugten Bremswirkung. Die Federdruckbremse ist also im stromlosen Zustand geschlossen und öffnet beim Anlegen einer Spannung. Die Verbindung zur Welle des Motors übernimmt meist ein zentral angeordneter Mitnehmer, der auf der Motorwelle befestigt ist. Die Reibscheibe der Bremse ist axial beweglich und tangential fest mit diesem Mitnehmer verbunden.
Permanentmagnetbremsen dagegen nutzen die Kraftwirkung eines permanentmagnetischen Feldes für die Erzeugung der Bremswirkung. Zum Aufheben der Bremswirkung wird das permanentmagnetische Feld durch ein elektromagnetisches Gegenfeld überlagert. Durch eine drehsteife und axial bewegliche Verbindung des Ankers mit der Flanschnabe der Bremse ist eine spielfreie Übertragung des Bremsmoments auf die Motorwelle des Motors und ein sicheres restmomentfreies Öffnen der Bremse möglich. Für beide Bremsentypen gilt, dass sie im stromlosen Zustand geschlossen sind. Es handelt sich also um Sicherheitsbremsen; bei Stromausfall oder bei Versagen der Energieversorgung, z. B. durch Leitungsbruch wird das System sicher gehalten.
Für beide Wirkprinzipien gilt das Induktionsgesetz. Wenn sich also innerhalb der Spulenwicklung einer elektromagnetischen Bremse der magnetische Fluss (die Feldlinienkennzahl) verändert, wird in der Wicklung eine Spannung induziert, die Induktionsspannung. Auf dieser Grundlage lassen sich ohne zusätzliche Komponenten Informationen über die Bremse und ihren aktuellen Zustand generieren. Die entsprechende Auswertung kann beispielsweise der ohnehin vorhandene Umrichter oder Motion-Controller des Antriebs übernehmen.
Den Zustand der Bremse im Blick
Der Strom, der durch die Spule der Bremse fließt, kann beispielsweise mit einem Shunt-Widerstand gemessen werden. Der Stromverlauf während des Öffnens und Schließens elektromagnetischer Bremsen liefert dann wertvolle Informationen zum Verschleiß der Bremse und der weiteren Lebensdauererwartung: Wenn sich der Anker der Bremse beim Öffnen oder Schließen bewegt, entsteht infolge des zeitlich veränderlichen magnetischen Flusses und der daraus resultierenden Induktionsspannung im Stromverlauf eine markante Ausprägung. Dieser Peak gibt Aufschluss über den Schaltzustand (offen bzw. geschlossen). Die Höhe des Stroms bei beginnendem Peak, z. B. beim Öffnen einer Federdruckbremse, ist ein Indiz für den Verschleißzustand der Bremse. Dabei kann in Abhängigkeit des Öffnungsstroms über eine bremsenspezifische Kennlinie der vorliegende Betriebsluftspalt ermittelt und gegebenenfalls präventive Wartungsmaßnahmen eingeleitet werden. Die für jede Bremse typischen Kennlinien und Grenzwerte ermittelt und spezifiziert Kendrion bereits bei der Produktentwicklung.
Alternativ lassen sich für vorbeugende Wartungsmaßnahmen auch die Anzahl der Bremsvorgänge oder besser noch die Gesamtschaltarbeit nutzen, um den Verschleißzustand der Bremse zu erkennen. Die Gesamtschaltzeit kann über Drehzahl und Massenträgheitsmoment berechnet werden. Sie ist beispielsweise bei Servoantrieben in der Robotik wichtig, wenn die Bremse während einer Bewegung den Antrieb im Notfall stoppt. Zusätzlich lassen sich über die Auswertung des Stromverlaufs Aussagen über den Schaltzustand (offen, geschlossen) der Bremse treffen. Diese sind für sicherheitskritische Applikationen von besonderer Bedeutung. Weitere Informationen zum Zustand der Bremse können darüber hinaus in zukünftigen Entwicklungen zur Kosten- oder Qualitätsoptimierung einfließen: z. B. das Temperaturniveau über die Einschaltdauer, die Anzahl der Betriebsstunden (Alterungszustand) und die Anzahl der Schaltzyklen (Dauerhaltbarkeit).
Intelligente Wartungskonzepte
Die in der Bremse integrierte Spule liefert damit eine Vielzahl nützlicher Daten, die vom Umrichter oder der Steuerung ausgewertet werden. Anschließend können die Bremsendaten in der Cloud gespeichert und für intelligente Wartungskonzepte genutzt werden. Als Komponentenlieferant unterstützt der Bremsenspezialist Kendrion die Systemanbieter bei der Umsetzung und Auswertung der in den Bremsen generierten Signale und spezifiziert die festzulegenden Grenzwerte und Kennlinien für die jeweilige Applikation. Für Anwendungen ohne Umrichter oder Motion-Controller entwickelt Kendrion kundenspezifische Auswertmodule. Die Digitalisierung kann somit – wesentlich einfacher – durch die ohnehin vorhandenen „Bremsen-Sensorik“ realisiert werden.