新型的伺服逆变器提高了安全性

作者:Karl Pickan 文章来源:MM《现代制造》 点击数:515 发布时间:2018-10-23
垂直荷载的输送和定位对于人和机器来说均存在着安全风险,而且对于结构设计来说也是一个挑战。这里有一个低成本技术解决方案,该技术解决方案提供集成在传动装置里的传动调节器,该传动调节器由集成在传动装置里的弹簧制动进行控制与监控。
新型的伺服逆变器提高了安全性

人们在很多机器中都能遇到带有风险的垂直轴,所以必须要对电动机制动的功能进行周期性测试。按照新的安全标准,传统的安全制动控制技术解决方案还是存在着问题的。此外,在标准控制器里嵌入测试功能也不符合安全标准ISO 13849 -1的要求。那么,人们应该如何去做呢?Kollmorgen有限公司对这个问题的回答很简单,原因是,他们靠的是基于传动安全技术的解决方案,也就是“安全制动控制”(Safe Brake Control)功能带有集成的制动测试。

图1 垂直轴上的荷载是有安全风险的。新的伺服调节器具有可靠监控制动的安全功能
图1 垂直轴上的荷载是有安全风险的。新的伺服调节器具有可靠监控制动的安全功能

在此,Kollmorgen有限公司研制的新一代AKD2G型伺服逆变器便是一个通过该装置提高机器和设备安全性的实例。新一代AKD2G型伺服逆变器借助于“安全制动控制(SBC)”和“安全制动测试(SBT)”为机器和设备提供调节器的重要安全功能。这个想法是借助于集成在传动马达里的驻车制动安全功能来实现的,该技术的首要应用范围是那些太复杂或太昂贵的冗余双通道安全制动。这项技术常出现在人与机器人的合作生产中。现在,在生产、调整操作、装配以及设备保养维护中,作业人员与工厂的现代化设备越来越亲近。而这些作业只有在人与机器的关系密切且又具有安全性的前提下才能顺利进行。

可靠的制动监控

那么,对于垂直荷载人们能得出怎样的结论呢?总的来说,必须在传动电马达里设计停车制动,该停车制动能够可靠地控制垂直作用在轴上的荷载,在该技术方案的实施中必须做到以下两点:停车制动的外形尺寸必须足够大,带有最大负荷30%的扭矩过量,并且能够可靠识别出会导致超过确定的制动转矩值误差和磨损的原因。如果出现这种情况,荷载滑转的风险加大,这样将无法确保作业人员的安全。Kollmorgen有限公司推出的S700和AKD2G系列的传动调节器具有“安全制动测试(SBT)”功能,能够可靠地识别出机器设备的磨损,这也就意味着传动调节器具有有效的安全功能。

图2 700型伺服调节器带有“安全制动控制”(Safe Brake Control)功能,并集成有“安全制动测试”(Safe-Brake – Test)功能
图2 S700型伺服调节器带有“安全制动控制”(Safe Brake Control)功能,并集成有“安全制动测试”(Safe-Brake – Test)功能

“安全制动测试(SBT)”安全功能有一个任务,那就是在Kollmorgen有限公司的AKM和AKM2G系列的伺服电动机里规律性的测试所装入的弹簧制动。传动调节器里的安全技术件以确定的间隔,自动化地核查应用中所要求的制动转矩,由此来确保其重要的安全功能。

造成弹簧制动的额定制动转矩损失有多种原因,其中,弹簧制动的摩擦衬片变得光滑或已经磨损是造成弹簧制动的额定制动转矩损失的典型原因。除此之外,残存润滑油或是弹簧断裂也会导致弹簧制动的额定制动转矩损失。由于材料疲劳而出现弹簧断裂也会使弹簧制动无法达到全部的制动力矩。在应用中,所有的弹簧不会同时断裂,故弹簧制动的制动力矩将会逐步下降。因此,便需要通过“安全制动测试(SBT)”对安全功能进行监控。通常,企业每班作业至少要进行一次这样的风险评估。

因为“安全制动测试(SBT)”安全功能须在施加扭矩的条件下进行,所以唯一可行的方法就是将该安全测试功能集成到传动调节器里,传动调节器必须能够生成安全制动测试功能所需要的必要条件。这与过去由存储器程序化控制装置(SPS)进行的测试功能类似,但同样是有悖于现行标准的,这尤其关系到ISO 13849(控制器与安全相关部件的设计和集成)的规定。根据ISO 13849的规定,必须要可靠配置制动测试的参数。原因是,一个外部的安全的存储器程序化控制装置(Safety –SPS)不能施加扭矩,为此,必须要将“安全制动测试(SBT)”安全功能集成到Kollmorgen有限公司研制的伺服调节器里,并且要能够借助于“安全制动控制(SBC)”与性能水平相协调。

图3 单通道结构挑战:不是冗余结构,要按照ISO 13849复杂的安全性能水平进行计算
图3 单通道结构挑战:不是冗余结构,要按照ISO 13849复杂的安全性能水平进行计算

安全技术装置结构简单

Kollmorgen有限公司借助于其“安全制动控制”(Safe Brake Control)安全功能可为传动进一步提供安全功能。用户可通过Kollmorgen有限公司工作台的图解式用户表面,非常方便地进行组态,且该组态不需要其他的安全技术应用软件。由于可靠的运动导向需要一个安全的通信,Kollmorgen有限公司新研制的AKD2G系列的“安全制动控制”(Safe Brake Control)装置适用于以太网(Ethercat)安全协议FSoE。这样,安全技术装置通信便汇入机器现有的实时通信里。由此,连同用于控制安全动态功能(Safe-Motion-Funktionen)的安全E/A模块均不需进行补充布线。优点是:除了可节省在开关箱内的占位外,该安全技术装置最多还可节省20%的成本。该安全技术装置的部件和线缆比较少,这样也可减少该安全技术装置出现故障的可能性,从而提高了该安全技术装置的可使用性。

Kollmorgen有限公司青睐于使用纤细的附件,借助于电动机制动可靠的电流降低,来实现垂直荷载基于传动而达到安全的技术解决方案。背景是:因为必须要保持通风状态,所以需要较高电流。Kollmorgen有限公司使用了一个电磁线圈用于弹簧制动的通风,从而减少了所使用的电流。这样做有两方面的优点:一方面能够降低机器运行时的能耗,另一方面由于减少了电动机内部扩散的热,从而提高了电动机的功率。

伺服电动机的弹簧制动原本的任务是,固定荷载和在机器紧急停机时直接抓住荷载。这些部件在结构上没有安全结构件,因此也不拥有有效负载或摩擦功率值。而当启用传动调节器时,便能够靠控制弹簧制动,同时也能监控弹簧制动,以简单且节省费用的方式达到用一个第二外部制动也能达到路径长度效率(PLe)的性能水平。