Antriebselektronik

Lastindikator bereits drin

In allen Frequenzumrichtern und Servoverstärkern der Serie SD2x hat Sieb & Meyer standardmäßig die Funktion Lastindikator integriert. Sie ermöglicht es, Belastungsveränderungen des angeschlossenen Motors sicher zu erkennen.

In den Frequenzumrichtern und Servoverstärkern der Serie SD2x sorgt ein integrierter Lastindikator für eine Zustandsüberwachung des drehmomentbildenden Stroms von Motoren. © Sieb & Meyer

Wenn ein Werkzeugbruch in Bearbeitungsmaschinen nicht sofort erkannt wird, kann das Gefahren für Mensch und Maschine nach sich ziehen. Der in den Frequenzumrichtern und Servoverstärkern der Serie SD2x integrierte Lastindikator hilft dies zu vermeiden: Er basiert nicht auf akustischen Sensoren, sondern es wird der tatsächliche, drehmomentbildende Strom des Motors ausgewertet. Laständerungen des Motors werden so mit großer Genauigkeit festgestellt. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf den Zustand der jeweiligen Maschine ziehen: Tritt zum Beispiel eine beim Bearbeitungsvorgang zu erwartende Stromveränderung nicht ein, ist ein Werkzeugbruch wahrscheinlich, und der Anwender kann die Maschine sofort stoppen.

Dank des Lastindikators lässt sich auch ein Verschleiß der Werkzeuge erkennen, denn im abgenutzten Zustand nehmen sie mehr Leistung auf. Ist eine vorab eingelesene Belastungsschwelle erreicht, erfolgt eine Mitteilung, und das betreffende Werkzeug kann kurzfristig ausgetauscht werden – so lässt sich eine kontinuierliche Bearbeitungsqualität gewährleisten.

Bei den Frequenzumrichtern und Servoverstärkern der Serie SD2x kann der Lastindikator auch das Berühren von Werkzeug mit Werkstück („Anfunken“) erkennen – ein Prozess, der zum Beispiel beim Schleifvorgang notwendig ist und meist durch teure Körperschallsensoren abgedeckt wird. Nicht zuletzt lassen sich mithilfe des Ausgangssignals des Lastindikators Bearbeitungsvorschübe flexibel anpassen. Das ist immer dann hilfreich, wenn Werkstücke mit unterschiedlichen Materialdichten, etwa Holz, bearbeitet werden sollen.

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Der Lastindikator kann das Berühren von Werkzeug mit Werkstück („Anfunken“) erkennen – ein Prozess, der zum Beispiel beim Schleifvorgang notwendig ist. © Sieb & Meyer

Bei Bearbeitungs- und Werkzeugmaschinen ergeben sich nicht nur Gefahren durch einen möglichen Werkzeugbruch. Auch Werkzeuge, die noch beziehungsweise mit zu hoher Drehzahl rotieren, sind für Bediener und Servicetechniker ein Risiko. Die Herausforderung für den Maschinenhersteller besteht darin, die Aspekte Personensicherheit und Produktivität gleichzeitig optimal und normkonform umzusetzen. Bei klassischen Sicherheitslösungen müssen die Motoren und Spindeln mit sicheren Drehzahlgebern ausgestattet sein, um gefährliche Betriebszustände erfassen und vermeiden zu können. Ist dieser Sachverhalt nicht gegeben, müssen Maschinenhersteller Abstriche bei der Produktivität hinnehmen oder durch aufwendige Sicherheitskonzepte für unterschiedliche Anwendungsfälle entsprechende Sicherheits-Integritätslevels gewährleisten. Um das zu vermeiden, hat Sieb & Meyer das Antriebssystem SD2 um die geberlosen Funktionen „Sicherer Stillstandsmonitor“ (SFM – Safe Frequency Monitor) und „Sicher begrenztes Drehfeld“ (SLOF - Safe Limited Output Frequency) ergänzt. Sie sind vom TÜV Nord geprüft und erfüllen die Anforderungen eines Sicherheits-Integritätslevels von SIL3.

Für die Umsetzung der Sicherheitsfunktionen hat der Hersteller Hard- und Software in die Antriebsverstärker der SD2-Serie integriert. Die Funktionen bauen auf der in allen SD2x-Geräten serienmäßig integrierten Funktion „Safe Torque Off“ (STO) auf. Ergebnis ist eine funktionale Lösung für Maschinenhersteller, die sich für sensorlose Systeme eignet.

Mit der Sicherheitsfunktion SFM kann der Bediener erkennen, ob eine geberlose Spindel nach dem Ausschalten den Stillstand erreicht oder eine sichere Drehzahlfrequenz unterschritten hat. Solange dies nicht geschehen ist, wird beispielsweise eine Schutztür nicht freigegeben. Diese Sicherheitsfunktion ist für rotierende Achsen – unter anderem Schleif- oder Frässpindeln – vorgesehen. SFM erkennt das elektrische Drehfeld des Motors. Über die Polzahl des Motors lässt sich somit eine genaue Aussage über das mechanische Drehfeld machen.

Die SFM-Funktion basiert auf einer frequenzabhängigen, vom Motor induzierten Spannung beziehungsweise der Restmagnetisierung. Diese Spannung ist sowohl bei Synchronmotoren als auch bei Asynchronmotoren an den Motorklemmen messbar. Der Antrieb ermittelt aus dieser Spannung die aktuelle Drehfeldfrequenz und vergleicht sie mit dem parametrierten Grenzwert. Liegt die Drehfeldfrequenz unterhalb der parametrierten Grenzfrequenz, generiert der Antrieb das Statussignal „Standstill“ (sicherer Stillstand). Das Stillstandsignal lässt sich nur bei deaktivierter Endstufe und abgeschalteter Hauptspannung generieren. Bei eingeschalteter Endstufe oder eingeschalteter Hauptspannung wird immer der Status „No Standstill“ (kein Stillstand) eingenommen.

Mit der Sicherheitsfunktion SLOF lässt sich sicherstellen, dass eine kritische Drehzahl nicht überschritten wird – etwa, weil ein Werkzeug durch eine Überdrehzahl bersten könnte. Dafür ermittelt die Funktion die aktuell vom Umrichter erzeugte Drehfeldfrequenz und vergleicht sie mit dem parametrierten Grenzwert. Liegt die Drehfeldfrequenz im parametrierten Bereich, generiert der Antrieb das Statussignal „Frequency In Limits“ (Frequenz nicht zu hoch). Bei einer Überschreitung des Grenzwerts wird die Endstufe mittels STO freigeschaltet, das System erzeugt kein weiteres Drehmoment und somit keine weitere Beschleunigung. Dies entspricht dem Status „Frequency Out Of Limits“ (Frequenz zu hoch).

Die Funktion SLOF ermöglicht somit die sichere Begrenzung des Drehfeldes einer Spindel. Sie verhindert, dass die angeschlossene Spindel aktiv durch den Antrieb auf eine zu hohe Frequenz beschleunigt wird. pb

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