DE102004024770B4

DE102004024770B4 - Sicherheitsprüfung von Maschinenbremsen

Info

Publication number: DE102004024770B4
Application number: DE102004024770.6A
Authority: DE
Inventors: Eugen Rapp
Original assignee: Tox Pressotechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Tox Pressotechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2004-05-17
Publication date: 2015-02-26
Anticipated expiration: 2024-05-18
Also published as: DE102004024770A1

Abstract

Verfahren zur Sicherheitsprüfung an Maschinen mit einer Antriebseinrichtung (4) und einem Abtriebsteil (2), sowie einer die Antriebskraft abbremsenden Bremsvorrichtung (8), wobei die Antriebseinrichtung (4) eine elektromotorisch rotierend angetriebene Spindel (6) aufweist, deren Drehbewegung in eine Hubbewegung eines Werkzeughalters umsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung (8) mit einer mechanischen Bremse arbeitet; dass zur Überprüfung der Bremswirkung bei geschlossener Bremse die Antriebseinrichtung (4) eingeschaltet wird, so dass bei eingeschalteter Antriebseinrichtung (4) und geschlossener Bremse (8) ein Nichtüberschreiben von gemessenen Grenzwerten einer bestimmten Verdrehung der Spindel (6) und/oder eines bestimmten Hubes des Werkzeughalters bei einer durch die Antriebseinrichtung (4) die Bremseinrichtung (8) belastenden Mindestkraft über einen vorgegebenen Zeitabschnitt messbar ist und dass bei Nichteinhalten der Grenzwerte über einen Schalter einer Schaltanlage die Antriebseinrichtung (4) abschaltbar ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Sicherheitsprüfung von Werkzeugmaschinen nach der Gattung des Hauptanspruchs, bzw. von einer Werkzeugmaschine, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach der Gattung des Nebenanspruchs 10.
Bei Werkzeugmaschinen, die mit einer elektromotorisch rotierend angetriebenen Spindel arbeiten, wobei die Spindel meist über ein Getriebe ein Hubteil betätigt an dem ein Werkzeug angeordnet ist, bestehen auch wegen der Umsetzung der Drehbewegung in die Hubbewegung nicht unerhebliche Funktionsrisiken. Diese Risiken sind besonders bei Spindelpressen für den Bediener vorhanden, da es sich hier um hohe Presskräfte handelt, so dass beim Versagen der Bremse ein erheblicher Schaden entstehen kann. Aus diesem Grunde schreibt das Gerätesicherheitsgesetz vor, dass vor jedem Arbeitsgang, d. h. vor jedem Hub des Werkzeuges, die Funktion der Bremse zu prüfen ist (EN 692 Maschinennorm für mechanische Pressensicherheit).
Es ist eine Werkzeugmaschine der gattungsgemäßen Art bekannt ( DE OS 103 17 412 A1 , insbesondere 9), bei der über eine mechanische Bremse der Elektromotor abbremsbar ist, um dadurch eine Doppelredundanz und eine Mindestsicherheit zu erreichen. Da die Zeitabschnitte zwischen den einzelnen Arbeitsgängen äußerst kurz sind, ist es nur sehr beschränkt möglich, diese mechanische Bremse mehrfach zu öffnen und zu schließen, um den Funktionsnachweis mit Sicherheit erbringen zu können. Die durch die Sicherheitsvorschriften gegebenen strengen Auflagen bilden somit hier ein erhebliches bisher ungelöstes Problem, obwohl diese Sicherheitsauflagen seit langem bestehen.
Die DE 100 28 147 A1 betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Werkstücktransportvorrichtung für eine Pressenanlage, wobei die Vorrichtung mittels wenigstens einer Antriebseinrichtung angetrieben wird. Die Antriebseinrichtung wird durch eine Bremseinrichtung in einer Stillstandposition gehalten, wobei durch Aufbringen eines vorbestimmten Drehmoments durch die Antriebseinrichtung die Funktion der Bremseinrichtung geprüft wird.
Die DE 102 17 449 C1 thematisiert ein Verfahren zum Überwachen einer Bremse an einer Spindel, wobei kurz nach Ingangsetzen der Spindel die Bremse geschlossen wird. Nach der Betätigung der Bremse wird ein Anstieg der Leistungsaufnahme des Motors ermittelt.
Die Erfindung und ihre Vorteile
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Sicherheitsprüfung an Werkzeugmaschinen gemäß den erfindungsgemäßen Schritten im Kennzeichenteil des Anspruchs 1, sowie die kennzeichnenden Merkmale der Werkzeugmaschine nach dem Nebenanspruch 10, haben demgegenüber den Vorteil, dass aufgrund der zweiten mechanischen Bremse, aber vor allem der redundanten und zyklischen Überprüfung mittels der beiden Bremsen, eine Sicherheit erzielt wird, die allen gegebenen Forderungen gerecht wird. Vorteilhafterweise können die üblichen sicherheitsrelevanten Bauteile wie Bremsen, Motorschütze, Not-/Aus-Elemente, Zweihandtaster, Notschaltgeräte usw. wie üblich verwendet werden, kombiniert und ergänzt durch die erfinderischen Merkmale. Die Überprüfung erfolgt automatisch, wobei jeweils ein kundenspezifisches und frei programmierbares Verfahrprogramm bestimmt werden kann.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfinderischen Verfahrens wird zur Prüfung der Bremsen die Hubbewegung bei geschlossener Bremse gemessen und es wirkt sich bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes des Hubes das Prüfergebnis in Form einer Warnung oder Abschaltung des elektrischen Antriebs aus.
Ein anderes Prüfergebnis kann nach zusätzlicher Ausgestaltung der Erfindung darin bestehen, dass eine Verdrehung der Spindel bei geschlossener Bremse als Messkriterium dient und dass bei Überschreiten eines maximalen Grenzwertes der Verdrehung eine Warnung, bzw. Abschaltung des Elektromotors erfolgt. Maßgebend ist bei beiden Prüfmethoden, dass bei angelegtem Motorstrom und einem Minimum der Motornennkraft die Bremswirkung geprüft wird. Da es sich um nur kurzfristige Belastungen handelt und dieses dazu noch zyklisch erfolgt, wird zwar ein sicheres Prüfergebnis erzielt, ohne jedoch den Elektromotor, bzw. die Bremsen unnötig zu überlasten.
Eine zusätzliche vorteilhafte Ausgestaltung des erfinderischen Verfahrens besteht, ausgehend vom Zustand geschlossener beider Bremsen, durch folgende Verfahrensschritte:

– zweite Bremse öffnen und Schaltzustand abfragen;
– Elektromotor mit einer bestimmten Verdrehprüfkraft gegen die erste Bremse wirken lassen und abfragen, ob der Motorstrom und/oder die Hubbewegung des Werkzeughalters je einen bestimmten Grenzwert überschreiten;
– schließen der zweiten Bremse und öffnen der ersten Bremse sowie Abfragen dieses Schaltzustandes;
– den Elektromotor mit einer bestimmten Verdrehprüfkraft gegen die zweite Bremse wirken lassen und Abfragen, ob der Motorstrom und/oder die Hubbewegung einen Grenzwert nicht überschreiten;
– wieder die erste Bremse öffnen und den Schaltzustand abfragen.

Diese Verfahrensschritte können nur herstellerseitig parametriert werden und laufen, außer bei Referenzfahrt, vor jedem Verfahrprogramm automatisch ab.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist jeder der beiden Bremsen ein Schalter (elektrischer Schütz) zugeordnet, der zum Abfragen des Schaltzustandes bei geschlossener Bremse ebenfalls geschlossen ist und umgekehrt.
Nach zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung soll der Grenzwert des Motorstroms größer als 80% der Nennkraft des Motors sein und es soll der Grenzwert der Hubbewegung kleiner als +/– 1 Millimeter sein. Diese Werte sind sehr einfach und schnell erfassbar.
Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung der erfinderischen Werkzeugmaschine (Anspruch 11) ist der durch das mechanische Bremsen gegebene Stromanstieg des Elektromotors über ein Messgerät messbar, wobei die Prüfung einen vorgegebenen Mindeststromanstieg erfordert, bei dessen Nichterreichen über eine je Bremse zugeordnete elektrische Schaltung der Elektromotor abschaltbar ist. Dieser Stromanstieg ist verhältnismäßig leicht messbar, da der Elektromotor, insbesondere je nach Belastung, eine entsprechende messbare Stromaufnahme aufweist.
Nach einer die elektrische Schaltung betreffenden Ausgestaltung der Erfindung weist die elektrische Schaltung, außer den den Bremsen zugeordneten Schützen des Elektromotors, ein Not-/Aus-Schaltelement auf. Durch ein solches Schalterelement kann eine Abstellung des Elektromotors aus anderen Sicherheitsbedingungen als den Bremsen heraus erfolgen.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Werkzeugmaschine dient als Getriebe ein Kugelroll-Planetenroll-Gewindespindelgetriebe oder dgl.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine ist der Arbeitskolben, insbesondere für einen Eilhub in bekannter Weise ( DE 103 17 412 A1 ) zusätzlich hydraulisch antreibbar. So ist durch diesen Stand der Technik bekannt, dass der elektrohydromechanische Antrieb als ein über einen Elektromotor angetriebener Spindelmotor ausgebildet ist mit elektromotorisch angetriebener rotierender Spindelmutter, Getriebezwischenteilen und koaxial angeordneter, nicht mitrotierender, hydraulisch betätigter axial verschiebbarer Abtriebsspindel.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und anhand eines Diagramms erläutert. Es zeigen:
1 den Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine und
2 ein Funktionsdiagramm der Erfindung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Bei dem in 1 dargestellten Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine ist in einem Gehäuse 1 ein Hubkolben 2 axial verschiebbar gelagert, an dessen nach außen ragendem Ende 3 ein Bearbeitungswerkzeug befestigt werden kann. Der Antrieb dieses Hubkolbens 2 erfolgt über einen Elektromotor 4, dessen Drehbewegung über einen Zahnriemen 5 auf eine im Gehäuse 1 gelagerte Drehspindel 6 übertragen wird, die wiederum die Drehbewegung mittels eines Planetenrollgetriebes 7 in eine Hubbewegung des Hubkolbens 2 umsetzt. Derartige Antriebe sind in vielfältiger Weise bekannt.
An der Drehspindel 6 greifen unabhängig voneinander zwei mechanische Bremsen an, nämlich eine erste mechanische Bremse 8 und eine zweite mechanische Bremse 9. Diese mechanischen Bremsen 8 und 9 sind elektrisch gesteuert und sind achsgleich zur Drehspindel 6 angeordnet. In einer nicht dargestellten elektrischen Schaltanlage sind Schaltschütze für den Elektromotor 4 vorgesehen, die bei Nichtfunktionieren der Bremsen den Elektromotor 4, bzw. die Werkzeugmaschine abschalten. Die erfindungsgemäße Prüfung erfolgt dadurch, dass bei geschlossenen Bremsen 8 und 9 und dem Hubkolben 2 in der gezeigten Ausgangslage der Elektromotor 4 eingeschaltet wird und geprüft wird, inwieweit eine Hubverstellung des Hubkolbens 2 bei einer Mindeststromaufnahme des Elektromotors 4 erfolgt. Dieser Test wird dann für jede der zwei Bremsen 8 und 9 einzeln durchgeführt, d. h. dass die andere Bremse für den jeweiligen Test geöffnet ist. Für diesen Test soll die Stromaufnahme des Elektromotors mindestens 80% seiner Nennkraft bewirken, d. h. wenn der Motorstrom 80% seiner normalen Leistung erreicht hat ist die Überprüfung als in Ordnung anzusehen. Hierbei darf die Hubverstellung des Hubkolbens 2 nicht mehr als +/– 1 Millimeter betragen. Sollte der Hubwert größer sein, so ist die Bremswirkung der geprüften Bremse unzureichend.
Durch die Verwendung von zwei Bremsen 8 und 9 ist gewährleistet, dass bei Ausfall einer Bremse die zweite Bremse zum Eingriff kommen kann. Der Prüfvorgang wird vor jedem Arbeitsvorgang durchgeführt und zwar mit der Schaltanlage 2-kanalig redundant und zyklisch selbstprüfend.
In 2 ist anhand eines Funktionsdiagramms der Prüfablauf erläutert. Ausgehend von der Startphase I besteht ein Ausgangszustand, nämlich die Startbedingungen, dass die Bremsen 8 und 9 entlüftet, beide Bremsen geschlossen sind und der Steuerungsausgang (Servo) arbeitsbereit. Danach erfolgt der Zweihandstart ZS, wonach die Motorschütze K1 von der ersten Bremse 8 und K2 von der zweiten Bremse 9 eingeschaltet werden. Dies führt zur Einstellung der Servo-Endstufe SE in der Prüfphase III und zum Öffnen der zweiten Bremse 9. Nun erfolgt, unter Berücksichtigung einer Mindeststromaufnahme des Elektromotors, nämlich um 80% seiner Nennkraft zu erzeugen, eine Messung des an sich gebremsten aber vorhandenen Hubes H am Hubkolben, der, wie in Phase IV gezeigt, einen Wert von +/– 1 Millimeter nicht überschreiten darf. Noch in Phase IV wird die zweite Bremse 9 wieder geschlossen und es wird in Phase V die erste Bremse 8 geöffnet, wonach dann wieder ein entsprechender Verdrehtest des Elektromotors, bzw. Hubtest H für die zweite Bremse 8 erfolgt, wonach dann in Phase VI der Bearbeitungsvorgang B der Werkzeugmaschine, beispielsweise mit Eilhub und Krafthub, abläuft, wonach dann in Phase VII durch Beendigung der Zweihandsteuerung ZV, bzw. automatisch eine Beendigung des Prüf- und Bearbeitungsvorgangs erfolgt.
Unter VIII ist dargestellt, wie eine Abschaltung erfolgt, wenn die Not-/Ausschaltung NS betätigt wird oder der Zweihandtaster ZS während des Zyklus losgelassen wird oder das Prüfergebnis negativ ist, bzw. nach einer Zeit von etwa 300 MS (Millisekunden) keine Steuerdaten von den Bremsen gegeben ist. Die Prüfvorgänge erfolgen in außerordentlich kurzen Abläufen im Bereich von zweistelligen Millisekunden.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Hubkolben
3: Ende
4: Elektromotor
5: Zahnriemen
6: Drehspindel
7: Planetenrollgetriebe
8: erste mechanische Bremse
9: zweite mechanische Bremsen
ZS: Zweihandstart
K1 + K2: Motorschütze von 8 und 9
SE: Servo-Endstufe
H: Hubprüfung
B: Bearbeitung durch Maschine
I: Startphase
II: Phase II
III: Prüfphase
IV: Phase IV
V: Phase V
VI: Phase VI
VII: Phase VII
VIII: Phase VIII

Claims

Verfahren zur Sicherheitsprüfung an Maschinen mit einer Antriebseinrichtung (4) und einem Abtriebsteil (2), sowie einer die Antriebskraft abbremsenden Bremsvorrichtung (8), wobei die Antriebseinrichtung (4) eine elektromotorisch rotierend angetriebene Spindel (6) aufweist, deren Drehbewegung in eine Hubbewegung eines Werkzeughalters umsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung (8) mit einer mechanischen Bremse arbeitet; dass zur Überprüfung der Bremswirkung bei geschlossener Bremse die Antriebseinrichtung (4) eingeschaltet wird, so dass bei eingeschalteter Antriebseinrichtung (4) und geschlossener Bremse (8) ein Nichtüberschreiben von gemessenen Grenzwerten einer bestimmten Verdrehung der Spindel (6) und/oder eines bestimmten Hubes des Werkzeughalters bei einer durch die Antriebseinrichtung (4) die Bremseinrichtung (8) belastenden Mindestkraft über einen vorgegebenen Zeitabschnitt messbar ist und dass bei Nichteinhalten der Grenzwerte über einen Schalter einer Schaltanlage die Antriebseinrichtung (4) abschaltbar ist.
Verfahren zur Sicherheitsprüfung nach Anspruch 1, wobei die mechanische Bremse (8) auf die Drehbewegung der Spindel einwirkt und wobei am Elektromotor ein durch die Bremsbelastung gegebener Mindeststromanstieg gegeben ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass unabhängig von dieser ersten mechanischen Bremse (8) eine zweite mechanische Bremse (9) gegen die Drehbewegung der Spindel (6) wirkt und – dass die Wirkung der beiden Bremsen (8, 9) abwechselnd und unabhängig voneinander geprüft wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Prüfung der Bremsen (8, 9) die Hubbewegung bei geschlossener Bremse gemessen wird und dass bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes des Hubes das Prüfergebnis sich in Form einer Warnung und/oder Abschaltung des elektrischen Antriebs auswirkt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden Bremsen (8, 9) ein Schalter zugeordnet ist, der zum Abfragen des Schaltzustandes bei geschlossener Bremse geschlossen ist und umgekehrt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert des Motorstroms größer als 80% der Nennkraft des Motors (4) sein soll.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert der Hubbewegung des Werkzeughalters (Hubspindel 2) kleiner als +/– 1 Millimeter sein soll.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfung als zyklische Blockprüfung erfolgt und zwar vor jedem Arbeitshub.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überprüfung zweikanalig redundant aufgebaut ist.
Werkzeugmaschine, – mit Antrieb durch einen Elektromotor (4); – mit Linearantrieb eines Arbeitskolbens (2), an welchem ein Werkzeug anordbar ist; – mit einem Getriebe (7) zur Umsetzung einer Drehbewegung des Elektromotors (4) in eine Linearbewegung des Arbeitskolbens (2); – mit einer in die Drehbewegung gesteuert eingreifenden mechanischen Bremse (8) und – deren Wirkung in Ausgangslage des Arbeitskolbens (2) geprüft wird, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass gegen die Drehbewegung zusätzlich eine zweite mechanische Bremse (9) wirkt; – dass diese zweite Bremse (9) unabhängig von der ersten Bremse (8) gesteuert ist und – dass die Prüfung der Bremsen (8, 9) zyklisch zueinander erfolgt.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die mechanischen Bremsen (8, 9) gegebene Stromanstieg des Elektromotors (4) über ein Messgerät messbar ist, wobei die Prüfung einen vorgegebenen Mindeststromanstieg erfordert, bei dessen Nichterreichen über eine je Bremse zugeordnete elektrische Schaltung der Elektromotor (4) abschaltbar ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung außer den den Bremsen (8, 9) zugeordneten Schützen des Elektromotors ein Not-/Aus-Schalterelement aufweist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung des Elektromotors (4) eine elektrische Schaltanlage mit mindestens zwei mit den mechanischen Bremsen (8, 9) zusammenwirkenden Schützen zur Steuerung des Elektromotors (4) vorhanden ist.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Getriebe (7) ein Kugelroll-Planetenroll-Gewindespindelgetriebe dient.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskolben, insbesondere für einen Eilhub, zusätzlich hydraulisch antreibbar ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrohydromechanische Antrieb als ein über einen Elektromotor angetriebener Spindelmotor ausgebildet mit elektromotorisch angetriebener rotierender Spindelmutter, Getriebezwischenteilen und koaxial angeordneter nicht mitrotierender aber axial verschiebbarer Antriebsspindel.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Muffe eine als Läufer des Elektromotors dienende rotierende Hohlwelle dient mit einem Innengewinde, in welchem die mechanischen Antriebsteile für die Abtriebsspindel arbeiten.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Bremsen an der Antriebsspindel angreifen und achsgleich zu dieser angeordnet sind.