Sicherheitsdämpfer im Maschinenbau: So lassen sich Unfälle in den Endlagen vermeiden

Die Anforderungen an Schnelligkeit und Beweglichkeit von Automatisierungslösungen nehmen zu. Für Lösungen im Umfeld des Roboters wie Spannen, Bearbeiten und Transportieren ist Tünkers weltweit bei Ingenieuren und Konstrukteuren bekannt. Die robusten, wartungsarmen Bausteine sind für extreme Einsatzbedingungen der Großserienfertigung in der Automobil- wie in der Zulieferindustrie ausgelegt. Innovation, Zuverlässigkeit und Präzision in der Automatisierungstechnik sind auch für das Tochterunternehmen Expert-Tünkers von zentraler Bedeutung. Der Schwerpunkt des Portfolios liegt auf Drehtischen und der Transporttechnik, wobei zunehmend kundenspezifische Lösungen entwickelt werden. Ein Produkt, das Bewährtes wie Neuartiges zusammenführt, ist die siebte Achse. Dabei handelt es sich um eine zusätzliche Verfahrachse. Mit ihr lassen sich Beweglichkeit und Reichweite in der Robotik steigern. So ermöglicht es die Lösung nicht nur, die Roboter schnell in den jeweiligen Arbeitsraum zu fahren, sondern auch präzise zu parallel bahngesteuerten Arbeitsgängen zu führen. Dies bedeutet, dass ein Roboter an verschiedenen Orten mehrere Arbeitsschritte vornehmen kann.

Anforderung: Stromunabhängig arbeitende Endlagensicherung

Expert-Tünkers setzt bei den schnellen, präzisen Verfahrachsen auf eine verwindungssteife Modulbauweise, die auch bei einer Länge von 30 Metern eine hohe Prozessgenauigkeit ermöglicht. Der Antrieb erfolgt über eine schrägverzahnte Zahnstange mit gehärteten Flanken, ein robustes, einstellbares Führungssystem und einen in den Laufwagen des Roboters integrierten Servo-Getriebemotor. Neben bodennahen Applikationen sind auch verfahrbare Geo-Werkzeuge denkbar, und dank der Expertise bei Walzendrehtischen kann die Siebte Achse auch als Kurve angelegt werden.

Egal, ob mit oder ohne Kurve, ein Crash in den Endlagen ist in jedem Fall zu vermeiden. Andernfalls drohen neben Reparaturen an Robotern und Gesamtkonstruktion kostspielige Ausfallzeiten. Aus diesem Grund war das Konstruktionsteam der Verfahrachse während der Entwicklungsphase auf der Suche nach einem unabhängig von Strom arbeitenden Schutz. Für das Team von Expert-Tünkers kam als Zulieferer für die kleinen Sicherheitselemente nur ein Unternehmen infrage, das den eigenen hohen Qualitätsansprüchen genügt.

Gleichzeitig sollte die Lösung preiswert sein. Das fanden die Konstrukteure bei der ACE Stoßdämpfer GmbH aus Langenfeld: „Aus Kooperationen in der Vergangenheit wussten wir, dass bei ACE neben der Produktqualität auch der Service oft den Ausschlag gibt. Im Verlauf des Projektes wurden wir darin bestätigt“, gibt Nuno Martins, International Engineering Coordinator bei Expert-Tünkers, einen Einblick. Die Auslegung ergab, dass an den beiden Enden des Verfahrweges unterschiedliche Eckdaten zu berücksichtigen waren. So mussten bei einem maximalen Antriebsdrehmoment von rund 400 Nm einmal 2.500 kg bei 2 m/s und einmal 4.000 kg bei 1 m/s verzögert werden. In beiden Endlagen wurden beim Projektstart dafür TUBUS-Sicherheitsdämpfer des Typs TC134-146-S eingebaut.

Sicherheitsdämpfer Lösung 1: Reversible und irreversible Festkörperdämpfer

Alle TC-S-Typen von ACE verbinden hohe Kraftaufnahme mit einem guten Preis-Leistungsverhältnis. Hinzu kommen ihre kompakte Form mit Durchmessern von 64 mm bis 176 mm und eine Vielfalt, die Energieaufnahmen in Bereichen von 450 Nm bis 17.810 Nm stufenlos abdeckt. Der genannte Typ ist ausgelegt für die Aufnahme von kinetischer Energie von 7.310 Nm bis 10.230 Nm. Expert-Tünkers war mit der Arbeit dieser Sicherheitsdämpfer sehr zufrieden. Noch zufriedener war das Konstruktionsteam mit der hohen Betriebssicherheit der siebten Achse im Projektverlauf. Daher kam der Wunsch auf, die Endlagensicherung noch ökonomischer zu gestalten. Im breiten Spektrum der Lösungen von ACE hatte man sich zuerst für einen Dämpfer entschieden, der für den Gebrauch in Krananlagen konzipiert ist. Dieser ist gekennzeichnet durch sein einmaliges Dual-Konzept, bei dem zwei reversible Festkörperdämpfer in einer Komponente kombiniert sind. Dadurch sind hohe Federraten und die genannten Werte erzielbar.

Nachdem die Konstrukteure die Erfahrungswerte im Betrieb der siebten Achse hinsichtlich der Endlagensicherung mit ACE teilten, nahmen Tubus-Produktmanager Thorsten Kohnen und sein Team in Langenfeld nochmals die Auslegungsdaten unter die Lupe. Sie berechneten für den Einsatzfall mit der höheren Geschwindigkeit von 2 m/s die Sicherheitsdämpfer des Typs Tubus TI30-75-3 als eine weitere passende Lösung, und für Fall 2 mit einem Verfahrtempo von 1 m/s empfahlen sie solche des Typs TI24-33-1. Vergleicht man die Werte dieser Komponenten für den Not-Stopp mit den vorgenannten, zeigt sich, dass sie mit 7.683 Nm/Hub bzw. 2.701 Nm/Hub noch passgenauer den jeweiligen Anforderungen zugeschnitten worden sind.

TS-S- & Tubus TI-Typen – Der Unterschied

Der größte Unterschied zu der zuvor genannten TC-S-Lösung liegt jedoch darin, dass die Tubus TI-Typen mit Bälgen und einer Führungshülse aus Metall ausgestattet sind. Dies führt dazu, dass sie im Gegensatz zu den reversiblen Sicherheitsdämpfern von ACE, die aus Co-Polyester-Elastomer hergestellt werden, ohne Rückprall arbeiten. Bei einer Energieabsorption von bis zu 96 Prozent sind diese Komponenten irreversibel und damit für die einmalige Verwendung vorgesehen. Ein Umstand, der aufgrund der Erfahrungen, dass der Notfall so gut wie nie auftritt, in Kauf genommen wurde.

Lösung 2: Neue Einweg-Crash-Dämpfer

Nach den Lieferungen dieser Komponenten blieben die Protagonisten in Kontakt. Nuno Martins von Expert-Tünkers berichtet: „ACE informierte uns frühzeitig, dass eine neue Produktserie vor der Markteinführung steht, die für unseren Fall ein noch interessanteres Preis-Leistungsverhältnis verspricht.“ Die Rede ist von neuen ACE Crash-Dämpfern. Wie die TI-Dämpfer sind auch diese Maschinenelemente von ACE irreversibel.

Die Maschinenelemente aus speziellem Aluminium- oder Stahlrohr werden bei einem Crash in einer vorgesehenen Form zusammengefaltet. Dadurch schützen sie Konstruktionen wie eine Knautschzone mit gleichmäßigem Energieabbau von 98 Prozent. In zehn Grundtypen mit Außendurchmessern von 87,5 mm in den Alu- sowie 63 mm und 38 mm in den Stahlausführungen lieferbar, waren die passenden Komponenten für die Endlagen der Siebten Achse schnell gefunden. Ihr maximaler Hub beträgt je nach Typ zwischen 45 mm und 160 mm. Geringe Stützkräfte von 13.000 N bis 70.000 N tragen entscheidend zur Sicherung der Konstruktionen bei.

Eine weitere entscheidende Funktion für Anwender von Werkzeugmaschinen, Förderanlagen oder wie hier in der Robotertechnik ist zum einen die Bandbreite der möglichen Energieaufnahmen zwischen 670 Nm/Hub bis zu 11.200 Nm/Hub. Zum anderen ist nach einer Havarie aus der Verformung des Einweg-Elements das Crash-Ereignis rekonstruierbar – und im besten Fall in der Zukunft vermeidbar. Da sich ihr Austausch sehr schnell und einfach vollzieht, veranschaulicht diese Applikation, wie sich spezifische Kundenanforderungen auf den Punkt realisieren lassen.

Von Robert Timmerberg