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antriebstechnik 7/2016

antriebstechnik 7/2016

KUPPLUNGEN UND BREMSEN

KUPPLUNGEN UND BREMSEN Crash – na und? Sicherheitskupplung für vertikale Hubachsen Klaus Perabo Wer kennt nicht das folgende Problem: Im Einrichtbetrieb oder beim Umrüsten einer Anlage kommt es zum Crash. Die vertikale Hubachse steht an einer schwer zugänglichen Stelle und bewegt sich nicht mehr. Produktionsausfall mit den entsprechenden Kosten und Aufwand für die Reparatur sind dann unweigerlich die Folge. All das kann eine zum Patent angemeldete Sicherheits kupplung verhindern. Der Airbag im Getriebefluss Hochautomatisierte Produktionsabläufe für Bauteile mit kurzen Bearbeitungszeiten gehen immer einher mit hochdynamischen Anlagenkomponenten, die mit großen Verfahrgeschwindigkeiten arbeiten. Nur so lassen sich die Investitionen rechtfertigen. Umso höher der Automatisierungsgrad ist, umso höher sind auch die Geschwindig keiten und umso größer wird die Wahrscheinlichkeit einer Kollision durch Fehl bedienung der Anlagen – beziehungsweise Software-Fehler. Räumliche Begrenzungen innerhalb der Maschine lassen es in den meisten Fällen nicht zu, das der beidseitige Überlauf von Verfahrachsen am Hubende vertikal sowie horizontal ausreicht, um aus maximaler Verfahrgeschwindigkeit rechtzeitig vor dem mechanischen Endanschlag zum Stehen zu kommen. Der Auslauf müsste jedenfalls den Reaktions- und den Bremsweg beinhalten. was in den meisten Fällen nur schwer oder gar nicht umsetzbar ist. Man vertraut häufig darauf, dass dieser Störfall nicht eintritt oder versucht mit entsprechenden Endlagendämpfern den Aufschlag auf den mechanischen Anschlag zu kontrollieren. Dies ist mit zusätz- Klaus Perabo, Konstruktionsbüro für Automa tionstechnik, 65391 Lorch lichen Kosten verbunden. Vor einer Kollision innerhalb des gesamten Arbeitswegs, kann man die Anlage so nicht schützen. Analysiert man hochautomatisierte Fer ti gungsabläufe, so sieht man, dass es sich in vielen Fällen um Aufgaben handelt, bei denen Teile aufgenommen, abgelegt oder palettiert bzw. gestapelt werden. Die Kol li sionshäufigkeit tritt bei ver tikalen Hubachsen, in der Mehrzahl der Fälle beim Verfahren nach unten auf. Die meisten Störungen passieren in der Übergabe- beziehungsweise Aufnahmeposition. Hier kann eine neuartige, zum Patent angemeldete Überlastkupplung erfolgreich Abhilfe schaffen. Sie bildet den Airbag im Getriebefluss. Zur Historie Die Grundidee der Entwicklung, die Motorenergie im Kollisionsfall „ins Leere laufen zu lassen“, entstand erstmalig im Jahr 2000. Der Automobilhersteller General Motors forderte damals, die vertikalen Achsen im Greiferbereich am unteren Ende mit einer zusätzlichen Verschiebeachse als Auffahrschutz auszustatten. Grund hierfür war: Gerade bei der Inbetriebnahme sowie später im Einrichtbetrieb kam es bedingt durch Fehlbedienungen an Ladeportalen immer wieder zu Auffahrunfällen, was zu längeren Produktionsstillständen an den Linien und entsprechenden Kosten führte. 36 antriebstechnik 7/2016

KUPPLUNGEN UND BREMSEN Wenn man die Gesamtenergie im Antriebsstrang einer vertikalen Achse betrachtet, ist der Motor-Anteil der Dominierende – bis zu 70 % der Gesamtenergie. Es liegt also nahe, eine Trennung zwischen Motor und Getriebe zu schaffen. Hierauf aufbauend wurde das erste Patent einer Sicherheitskupplung (schraubenförmig) entwickelt. Diese Lösung wurde bei allen bis heute an General Motors gelieferten Linien erfolgreich eingesetzt. Bei der jeweiligen Abnahme der Anlagen wollten alle Planer folgendes sehen: Die Ladeeinrichtung wurde mit einer Kurbelwelle im Greifer absichtlich mit 2,2 m/s auf ein Hindernis (Ablage, in der schon eine weitere Kurbelwelle liegt) gefahren. Das einzige was man hörte, war ein leises metallisches „Bling“, sonst nichts. Die Kupplung trennte, die Anlage ging auf Not-Aus und nachdem die Achse in Referenzposition gefahren wurde, konnte man ohne Beschädigungen wieder produzieren. In den vergangenen drei Jahren wurde diese Idee erfolgreich weiterentwickelt. Die verbesserte Ausführung wurde jetzt als Europäisches Patent angemeldet, das mittlerweile erteilt wurde. Funktionsbeschreibung und Wirkungsweise Vertikale Verfahrachsen (Hubachsen) werden in der Regel von einem Stellmotor angetrieben, dessen Drehzahl und Position geregelt werden, um definierte vertikale Lastbewegungen zu ermöglichen. Ein am Motor vorhandener Winkel- oder Drehgeber dient zur Erfassung der Position der Last. Es muss deshalb eine feste Zuordnung zwischen Drehposition des Motors und der Getriebeeingangswelle beibehalten werden. Beim Heben der Last wird über das Getriebe ein Drehmoment eingeleitet, das die vertikale Hubachse hebt. Das Absenken bewirkt das Gewicht der Last und der Hub achse selbst, dem wirkt der Motor mit seinem Drehmoment bremsend entgegen (Generatorbetrieb). Kollidiert die Last beim Absenken mit einem Hindernis, wird sie dadurch abrupt abgebremst. Der bislang im Generatorbetrieb bremsende Motor ändert dann schlagartig seine Betriebsweise und läuft motorisch mit seiner auf maximaler Drehzahl befindlichen Motormasse in das blockierte Getriebe. Direkte Folgen hiervon sind häufig Getriebeschäden, die den Austausch dieser Komponente erfordert. Derartige Kolli sionen treten häufig insbesondere bei der Inbetriebnahme, im Einrichtbetrieb, bei Fehlmeldungen oder bei Steuerungsfehlern auf. Um diese schwerwiegenden Folgen zu vermeiden, wurde eine Kupplung entwickelt, die das Hineinfahren in das blockierte Getriebe verhindert und gleichzeitig die Winkel-Drehgeberzuordnung am Motor in Bezug zur verfahrenden Last wieder findet. Es handelt sich hierbei um eine Kupplungseinrichtung, die aus vier Teilen besteht: je eine Aufnahme mit Vielkeil – Außenverzahnung, die auf der Motorwelle sowie auf der Getriebeeingangswelle durch Reibschluss mittels Klemmschraube befestigt wird, und zwei Rastmechanismen, die zusammen drehgelagert auf der Aufnahme motorseitig sitzen, wobei die eine zur Motorseite sitzend axial verschiebbar ist und über die Vielkeil – Außenverzahnung mit der Aufnahme Mo tor seitig verbunden ist. Die zwei Rastmechanismen sind mit sich über Rasten, die sich an der gegenläufigen Stirnseite gleichmäßig am Umfang befinden, miteinander verbunden. Der zweite Rastmechanismus zur Getriebeseite zeigend, ist mit der Aufnahme, die auf der Getriebeeingangswelle sitzt nach dem gleichen Prinzip per Vielkeil- Außenverzahnung verbunden. Der Rastmechanismus ist so ausgeführt, dass die am stirnseitigen Umfang sich befindenden Rasten sich nur in eine Drehrichtung verkrallen können und so nur in diese Drehrichtung ein Drehmoment übertragen können. Verdreht man den Rastmechanismus gegenläufig in die andere Drehrichtung, drücken sich die Rastmechanismen gegenseitig auseinander, wobei sich der zur Getriebeseite hin an der axialen Anlage seiner Drehlagerung abstützt und sich so der Rastmechanismus zur Motorseite hin Die Vorteile im Überblick n vertikaler Kollisionsschutz, trennt nur in Verfahrrichtung nach unten und hält absolut sicher die Last nach oben (Rastklauen verkrallen sich unter Last) n lässt keine Kraftentfaltung nach unten zu, Schutzeinrichtungen können wirtschaftlicher ausgeführt werden n einfache, sichere Abfrage der Betriebszustände „eingerastet“ und „ausgerastet“ n einfaches und sicheres wiedereinrasten durch die großzügig ausgeführten Rastklauen, sehr geringe Belastungen in den übertragbaren Bauteilen (P < 3 N/ mm²) n geringes Massenträgheitsmoment n die Konstruktion der zwei innenliegende Kunststoff­ Spritzguss-Rastelemente erlaubt aufgrund ihrer Materialeigenschaft die Aufnahme von kleinen Rundlauf- und Winkelfehlern n sehr einfache Einstellung des Ausrastmomentes durch bestimmen der Anzahl der Druckfedern n kein Verschleiß beim Überdrehen der Kupplung nach einer Kollision (kein permanentes Rattern) n die Kupplung ist winkelsynchron alle 360 ° steckbar (Messsystem bleibt erhalten) n korrosionsfrei, wartungsfrei und wirtschaftlich auf seiner Drehlagerung und über die im Eingriff befindlichen Vielkeil – Außenverzahnung axial gegen die anstehende Federkraft verschiebt, bis die Rasten komplett aus ihrem Eingriff herausgedreht sind. Danach dreht der Rastmechanismus ins Leere. Der Rastmechanismus wird in beiden Betriebszuständen („eingerastet“, „ausgerastet“) durch zwei Näherungsinitiatoren über wacht. Bei einer vertikalen Kollision durch absenken der Hubachse bleibt die Getriebeeingangswelle mit der mit ihr verbundenen Aufnahme, die wiederum über die Vielkeil-Außenverzahnung mit dem Rastmechanismus verbunden ist, abrupt stehen. Der Rastmechanismus, der mit der Aufnahme über die Vielkeil – Außenverzahnung auch verbunden ist, dreht mit dem Motor weiter, was bewirkt, dass der Rastmechanismus sich aus dem anderen heraus dreht und einen axialen Hub in Richtung Motorseite macht, der vom Näherungsini tiator („ausgerastet“) sofort erfasst wird, was die sofortige Motorbremsung auslöst. Da das Signal („ausgerastet“) über einen schnellen Messeingang der Steuerung erfasst wird, dauert die Bremsung bis zum vollständigen Stillstand des Motors etwa vier bis fünf Motorumdrehungen. Das heißt, die Rastmechanismen verdrehen sich um diese Umdrehungen gegeneinander, was zur Folge hat, dass die definierte Zuordnung „Motorposition zu Getriebeausgang“ (Lastposition) nicht mehr gegeben ist. Dieser ganze Vorgang, der nach einer Kollision innerhalb der Kupplung abläuft, ist komplett frei von Drehmomenten. Die einzige Kraft, die wirkt, ist die axiale Federkraft, die für die Wiederherstellung des normalen Betriebszustands benötigt wird. Gleichzeitig wird durch die Definition der Federkraft auch das Ausrastmoment der Rastmechanismen bestimmt. Um nach einer solchen Kollision die Hubachse wieder in einen normalen Betriebszustand zu bringen, wird der Motor im Einrichtbetrieb (niedrige Drehzahl) gegenläufig zum Absenken, also motorisch auf Anheben geschaltet. Der Rastmechanismus dreht mit niedriger Drehzahl langsam entlang am stehenden anderen, bis die zwei Rastmechanismen die eine mögliche Einrastposition (eine innerhalb von 360 °) gefunden haben. Die anstehende Federkraft bewirkt nun den axialen Einrasthub des Rastmechanismusses, was durch den Näherungsinitiator („eingerastet“) und antriebstechnik 7/2016 37

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