Mit den Elektromotoren und Generatoren kamen die Schleifringe. Das Funktionsprinzip mit Gleitkontakten auf rotierenden kreisrunden Leitern ist im Grunde genommen einfach. Es sind Fragestellungen im Detail, die heute anspruchsvolle Arbeitspakete für die Entwicklung bilden – etwa im Hinblick auf die wachsende Rolle der Sicherheitstechnik im Maschinenbau. Ganz so einfach ist es nämlich nicht, Daten, Energie, Luft oder Flüssigkeiten von einem statischen Ort aus auf ein endlos rotierendes Bauteil zu übertragen – wie das Beispiel Rundschalttische zeigt.

Bei Rundschalttischen, wie sie etwa in der Montage- und Prüfstandtechnik weit verbreitet sind, werden unterschiedliche Bearbeitungsstationen entlang eines Außenradius platziert. Mit jedem Weiterschalten bringen sie das Bauteil im Werkstückträger einen Fertigungsschritt weiter. Sind die Werkstücke auf dem drehenden Tisch ebenfalls noch rotativ oder linear zu positionieren, müssen die Antriebe mitfahren. Für die Übertragung der dafür notwendigen Leistung samt Steuerungsdaten kommen besagte Schleifringsysteme zum Einsatz. Diese Technik ist etabliert und arbeitet verlässlich über eine lange Lebensdauer hinweg. Spannend wird das Thema jedoch, wenn über so einen Schleifring auch sicherheitsrelevante Daten zu übertragen sind. Vor dieser Aufgabe stand Kollmorgen im Rahmen eines Projektes für einen Hersteller von Messinspektionsmaschinen, die damit das Verhalten kristalliner Bauteile untersuchen.

Die Kombination aus Safe Torque Off und Einkabel-Anschlusstechnik ermöglicht mit dezentralen Servoreglern eine schlanke Installation.

© Kollmorgen

Das Engineering-Projekt sah vor, nicht nur die Aktorik, sondern auch die Regelung dezentral auf dem Rundschalttisch platzsparend zu installieren. Kollmorgen löste diese Aufgabe mit den dezentralen Servoreglern AKD-N sowie kompakten AKM-Synchronservomotoren. Die Hauptvorteile des dezentralen Aufbaus und der Anschlusstechnik zwischen Regler und Motor mit nur einem Kabel: Kleine Schaltschränke und weniger Platzbedarf für die Installation. Zudem verbesserte die Einkabel-Anschlusstechnik mit der Durchschleifmöglichkeit von Regler zu Regler das Trägheitsverhalten des Rundschalttisches. Blieb noch die Anforderung an die Sicherheitstechnik zu erfüllen. Diese ist in der Prüfstation im zentralen Einspeisemodul AKD-C integriert. Folglich ist die Verbindung zu den Servoachsen erforderlich.

Das sichere abgeschaltete Moment (Safe Torque Off, STO) war deshalb notwendig, weil mit einem Durchmesser des Rundschalttisches von immerhin 120 cm Massen bewegt werden, die für den Menschen ein Gefährdungspotenzial darstellen. Der Ablauf der Prüfung sieht aber das Eingreifen des Bedieners in die Anlage durchaus vor, was in der sicherheitstechnischen Bewertung letztlich Safe Torque Off nach sich zieht. 

Das zentrale Einspeisemodul AKD-C hat dafür zwar STO serienmäßig an Bord – allerdings in Verbindung mit klar definierten und zertifizierten Kabeln. Der Einsatz eines Schleifrings als Bindeglied zwischen dem zentralen Einspeisemodul und den verwendeten Reglern würde jedoch unweigerlich das Kabel unterbrechen und die Zertifizierung ungültig machen. Gleiches gilt an dieser Stelle auch für eine ­eventuell vorhandene UL-Zulassung. Auch sie wäre nicht mehr wirksam.

Im Rahmen des Engineering-Projekts begab sich Kollmorgen zusammen mit dem Prüfstandbauer auf die Suche nach einem geeigneten Hersteller von Schleifringen, der seinerseits wiederum Willens und in der Lage war, gemeinsam mit den Spezialisten für Servoantriebstechnik einen Safety-Schleifring mit TÜV-Abnahme zu entwickeln.

Zu den Herausforderungen im Projekt zählte, wie sich der natürlich auftretende Verschleiß der Kontakte durch die Brille der Sicherheitstechnik wirklich sicher in den Griff bekommen lässt. Die letztlich verwendeten Schleifringe der LP-Baureihe Bako von Stemmann-Technik versprachen hier Herstelleraussagen zufolge eine verlässliche Lebensdauer von 35 Mio. Umdrehungen bei maximalen Drehzahlen bis 80 U/min. 

Eine weitere anspruchsvolle Aufgabe bestand darin, die Safety-Signale ohne Störeinflüsse sicher zu über­tragen. Hierbei ist zu beachten, dass die in Kabeln integrierte Schirmung im Schleifring nicht mehr vorhanden ist. Folglich sind Wege gefragt, die Signalfehler durch das Einkoppeln von Störsignalen ver­hindern. 

Störresistente Signalkommunikation

Diese Resistenz gegenüber den bekannten Problemen rund um das Thema EMV erreichen Kollmorgen und Stemmann-Technik durch zwei Maßnahmen: Zum einen trennen konstruktiv im Safety-Schleifring zwei geschirmte Anschlusskassetten die Leistung von der Ethercat-Kommunikation, über die auch das überlagerte Safety-Signal übertragen wird. Damit ist sichergesellt, dass vor allem die magnetischen Einflüsse von Oberschwingungen in den Leitern der Leistung keine Signalstörungen verursachen.

Auch die Montage der Servomotoren lässt sich dank der Einkabel-Anschlusstechnik platzsparend und schnell erledigen.

© Kollmorgen

Der zweite Aspekt für hohe Störsicherheit innerhalb des Schleifrings liegt in der Struktur der Safety-Signale begründet. Im Vergleich zur üblichen Praxis, STO mit 5-V(DC)- oder 24-V(DC)-Signalen zu realisieren, setzt Kollmorgen zwischen dem AKD-C als zentralem Modul und den dezentralen Servoreglern AKD-N auf Wechselstrom­signale mit fest definierten Frequenz­mustern.

Dieses Detail sorgt in der Praxis dafür, dass mögliche Störsignale vom Antrieb komplett ignoriert werden, wenn sie nicht exakt die gleiche Frequenz aufweisen. Folglich gestaltet sich dieser Weg deutlich robuster gegenüber Störungen – was letztlich im Zusammenspiel mit den zwei getrennten Anschlusskassetten für Leistung und Signale die Zertifizierung beim TÜV Süd zur Folge hatte. Damit ausgerüstet, hat der Maschinenbauer den Vorteil, den Rundschalttisch sicher abzuschalten, ohne dabei den Zugriff auf die mitfahrenden Positionierantriebe für die Werkstückträger zu verlieren. Der volle Zugriff auf alle Regler bleibt auch im Falle eines Notstopps erhalten – was letztlich das zeitaufwendige Referenzieren als Folge undefinierter Zustände erspart. 

Auf den Punkt gebracht: Die beschriebene Safety-Schleifringlösung schafft die Grundlage, auch bei Applikationen mit Schleifringanbindung nicht auf die Vorteile der antriebsbasierten Sicherheits­technik verzichten zu müssen. Die Zer­tifizierung von STO im Schleifring macht dabei den Weg frei, das sicher abgeschal­tete Moment in drehenden Applikationen ebenfalls mit der innovativen Einkabel-Anschlusstechnik sowie dezentral angeordneten Servoreglern schlank zu reali­sieren.

Autor: 
Felix Haunschild ist tätig im Bereich Safety-Entwicklung bei Kollmorgen Europe, Ratingen.