Erfahren Sie, wie Sie ferngesteuerte Sicherheitsbremsen für Industrieroboter nach ISO 10218:2025 und ISO/TS 15066 sicher auslegen und per FSoE ansteuern.
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Warum Robotergelenke eine Haltebremse brauchen und dimensionieren
In modernen Industrierobotern kommen hochdynamische Servomotoren zum Einsatz, die konstruktionsbedingt im spannungslosen Zustand keine mechanische Selbsthemmung aufweisen. Kommt es zu einem Netzausfall, einem Spannungseinbruch oder einer Not-Abschaltung, trennt der Servoregler die Energiezufuhr zum Motor. Ohne ein separates Haltesystem würde der Roboterarm unter dem Einfluss der Gravitation und der Masse des getragenen Werkstücks unkontrolliert absinken. Dies führt unweigerlich zu schweren mechanischen Schäden an Werkzeugen, Vorrichtungen oder umliegenden Bearbeitungszentren und birgt erhebliche Verletzungsrisiken für das Bedienpersonal.
Aus diesem Grund müssen Robotergelenke mit passiven mechanischen Sicherheitsbremsen ausgerüstet werden, die nach dem Fail-Safe-Prinzip arbeiten. Bei dieser Bauart wird die Bremskraft im stromlosen Zustand über mechanische Federn erzeugt, während zum Lösen der Bremse elektrische oder hydraulische Energie zugeführt werden muss.
Statische und dynamische Drehmomentauslegung
Die fehlerfreie Auslegung des erforderlichen Haltemoments bildet das Fundament für die funktionale Sicherheit. Die Dimensionierung darf sich dabei niemals allein auf das reine Lastmoment im Stillstand beschränken, sondern muss zwei zentrale Lastkomponenten berücksichtigen:
- Statisches Lastmoment: Das maximale Drehmoment, das durch das Eigengewicht der nachfolgenden Robotersegmente und die maximale Nutzlast am ungünstigsten Hebelarm auf die jeweilige Achse wirkt.
- Sicherheitsfaktor: Auf das statische Lastmoment wird standardmäßig ein Sicherheitsfaktor von 1,5 bis 2,0 aufgeschlagen, um fertigungsbedingte Toleranzen, Reibwertschwankungen der Bremsbeläge und thermische Einflüsse im Dauerbetrieb sicher abzudecken.
- Dynamische Zusatzlast: Das zusätzliche Verzögerungsmoment, das entsteht, wenn die Bremse bei einem Not-Halt aus voller Verfahrgeschwindigkeit eingreift und die rotierenden Massenträgheitsmomente des Getriebes und der Last innerhalb definierter Nachlaufzeiten stillsetzen muss.
Wird das dynamische Moment nicht explizit berechnet, kann die Bremse bei einer Not-Bremsung durchrutschen, wodurch der Roboterarm den zulässigen Schutzbereich verlässt. Die präzise Abstimmung von Federspannung, Reibbelag und thermischer Belastbarkeit ist daher integraler Bestandteil robuster Sicherheitsbremsen in Robotergelenken.
Sichere Kommunikation: PROFIsafe und EtherCAT FSoE für die Fernauslösung
In automatisierten Fertigungszellen erfolgt die Ansteuerung von Sicherheitsbremsen zunehmend über digitale Netzwerke statt über klassische, parallele Festverdrahtungen. Standard-Kommunikationsprotokolle genügen den Anforderungen der Maschinensicherheit jedoch nicht, da sie keine deterministische Absicherung gegen Telegrammverluste, Bitkipper, falsche Adressierungen oder zeitliche Verzögerungen bieten. Ein unbemerkt verzögertes Stopp-Signal kann im Ernstfall fatale Folgen haben.
Für die zuverlässige Fernauslösung kommen daher sicherheitsgerichtete Feldbusprotokolle wie PROFIsafe oder Safety-over-EtherCAT (FSoE) zum Einsatz. Diese Protokolle basieren auf dem sogenannten Black-Channel-Prinzip nach IEC 61784-3[1]. Dabei wird das eigentliche Übertragungsmedium als nicht sicherheitsrelevant betrachtet. Die Sicherheit wird stattdessen auf einer übergeordneten Protokollschicht durch standardisierte Sicherheits-Container gewährleistet, die zyklisch übertragen und von den Sicherheitsteilnehmern verifiziert werden.
Vergleich von Standard- und Sicherheitskommunikation
Um die Übertragungsintegrität bis zum Safety Integrity Level (SIL) 3 zu garantieren, nutzen sicherheitsgerichtete Systeme mehrere kombinierte Schutzmechanismen:
| Merkmal | Standard-Feldbus | Sicherheitsbus (PROFIsafe / FSoE) |
|---|---|---|
| Fehlererkennung | Einfache Zyklische Redundanzprüfung (CRC) | Eigene Safety-CRC je Datenblock plus Connection-ID und Sequenzüberwachung, womit alle acht Fehlerarten nach IEC 61508 erkannt werden |
| Sicherheitsintegrität | Keine funktionale Sicherheitszertifizierung | Nach IEC 61508 entwickelt, TÜV-geprüft, in IEC 61784-3 genormt und für Anwendungen bis SIL 3 geeignet |
| Reaktionszeit | Typischerweise ohne Echtzeitgarantie | Ressourcenschonend implementierbar und dadurch hohe Performance mit kurzen Reaktionszeiten, in Roboterapplikationen bis zu einem 8-kHz-Raster |
| Zeitüberwachung | Keine harte Überwachung von Verzögerungen | Prüfung von Safety-CRC, Connection-ID und einer Watchdog-Zeit für jede übertragene FSoE-Botschaft; bei einem Kommunikationsfehler wird der sichere Zustand ausgelöst |
Weil sich das FSoE-Protokoll ressourcenschonend implementieren lässt, sind entsprechend kurze Reaktionszeiten möglich: In der Robotik arbeiten Applikationen mit Safety-over-EtherCAT beispielsweise in einem 8-kHz-Raster[3]. Kurze und deterministische Latenzen zwischen Sicherheitssteuerung und Bremsaktor sind eine wesentliche Voraussetzung, um bei komplexer Mehr-Achsen-Automatisierung ein synchrones und positionsgenaues Stillsetzen aller Roboterachsen zu gewährleisten.
Performance Level, SIL und Anforderungen nach ISO 10218 und ISO/TS 15066
Die normative Bewertung von Robotersystemen wurde mit der Veröffentlichung der überarbeiteten Normen ISO 10218-1:2025 und ISO 10218-2:2025 grundlegend modernisiert. Die frühere Praxis, pauschal für alle sicherheitsbezogenen Teile einer Robotersteuerung ein Performance Level d (PL d) in Kategorie 3 nach ISO 13849-1 zu fordern, wurde weitgehend aufgelöst[4]. Stattdessen ordnet die ISO 10218-2:2025 den einzelnen Sicherheitsfunktionen spezifische Standard-Performance-Levels zu.
Konstrukteure haben die Wahl, entweder die vorgegebenen Standard-Einstufungen anzuwenden oder auf Basis einer detaillierten anwendungsspezifischen Risikobeurteilung nach ISO 13849-1 bzw. IEC 62061 begründete Abweichungen zu dokumentieren.
Funktionsspezifische Sicherheitsanforderungen
Die Einstufung der Sicherheitsfunktionen nach den aktuellen normativen Vorgaben gliedert sich wie folgt:
- Not-Halt: Verpflichtende Sicherheitsfunktion zum Stillsetzen aller gefahrbringenden Bewegungen, eingestuft in Standard-Performance-Level PL c oder SIL 1.
- Schutzhalt: Verpflichtendes Stillsetzen aller gefahrbringenden Funktionen beim Ansprechen von Schutzeinrichtungen wie Lichtgittern oder Scannern, eingestuft in PL d oder SIL 2.
- Reduzierte Geschwindigkeit: Verpflichtende Geschwindigkeitsbegrenzung auf maximal 250 mm/s im Einricht- oder Beobachtungsbetrieb, eingestuft in PL d oder SIL 2.
- Zustimmfunktion: Bedingt verpflichtende Sicherheitsfunktion für den manuellen Sonderbetrieb, ausgelegt auf PL d oder SIL 2.
Bei kollaborierenden Robotern (Cobots) gewinnt zusätzlich die technische Spezifikation ISO/TS 15066 entscheidende Bedeutung. Sie definiert biomechanische Grenzwerte für Druck- und Krafteinwirkungen auf 29 spezifische Körperregionen, um Personenschäden bei transienten und quasistatischen Kontakten auszuschließen. Diese Grenzwerte bestimmen maßgeblich, wie schnell eine Sicherheitsbremse nach Erkennung eines Hindernisses die Achsbewegung stoppen muss, um die maximal zulässige Energieübertragung nicht zu überschreiten. Spezialisierte Notstopbremsen müssen exakt auf diese Ansprechzeiten kalibriert sein.
Typische Fehler bei ferngesteuerten Robotersicherheitsbremsen
In der industriellen Konstruktions- und Integrationspraxis treten bei der Implementierung ferngesteuerter Sicherheitsbremsen immer wieder typische Auslegungsfehler auf. Werden diese Parameter unvollständig erfasst, kann das Bremssystem im Ernstfall versagen oder durch vorzeitigen Verschleiß ungeplante Stillstände verursachen.
Häufige Fehlerquellen in der mechanischen und steuerungstechnischen Auslegung
- Reine statische Auslegung: Das Bremsmoment wird ausschließlich für das Halten der statischen Last berechnet. Tritt ein Not-Halt bei maximaler Verfahrgeschwindigkeit auf, reicht das Moment nicht aus, um die dynamische kinetische Energie sofort abzubauen, was zu unzulässig langen Bremswegen führt.
- Vernachlässigung der Latenzen: Bei der Berechnung des gesamten Anhaltewegs werden Feldbusübertragungszeiten, SPS-Zykluszeiten und die elektromagnetische Abfallzeit der Spule übersehen. Diese Verzögerungen addieren sich direkt zum Bremsweg.
- Unzureichende thermische Kapazität: Wiederholte Not-Stopps in kurzen Intervallen erhitzen die Reibflächen stark. Ein thermisches Fading führt zum temporären Einbruch des Reibwerts und verlängert den Nachlaufweg drastisch.
- Fehlende Überwachungsfunktionen: Ohne Rückmeldung über Lüftzustand oder Belagverschleiß bleiben schleichende mechanische Veränderungen bis zum Ausfall unbemerkt.
Ganzheitliche Antriebsstranglösungen als Gegenmaßnahme
Um diese Risiken von vornherein auszuschließen, empfiehlt sich eine ganzheitliche Systemintegration des gesamten Antriebsstrangs. Anstatt Einzelkomponenten isoliert zu betrachten, werden Motoren und Controller präzise auf mechanische Komponenten wie Servogetriebe, Planetengetriebe oder Kegelradgetriebe sowie auf die eingesetzten Bremsensysteme abgestimmt.
Moderne ferngesteuerte Sicherheitsbremsen bieten neben dem reinen Personenschutz erhebliche operative Vorteile. Durch integrierte Sensorik zur Zustandsüberwachung und vorausschauenden Wartung können ungeplante Anlagenstillstände um bis zu 70 % reduziert werden. Als erfahrener Engineering-Partner liefert ATEK Drive Solutions projektfertige Servo-Getriebemotoren und mechanisch wie elektrisch harmonisierte Lösungen für den kompletten Antriebsstrang aus einer Hand.
Häufig gestellte Fragen
Welchen Performance Level benötigen Robotersicherheitsbremsen?
Nach der aktuellen ISO 10218:2025 gilt keine pauschale Anforderung PL d mehr. Stattdessen wird der Performance Level (PL) oder Safety Integrity Level (SIL) individuell per Risikobeurteilung für jede einzelne Sicherheitsfunktion festgelegt, beispielsweise PL c für einen Not-Halt.
Warum ist Standardkommunikation für die Fernauslösung unzureichend?
Normale Netzwerke können keine festen Reaktionszeiten garantieren und Übertragungsfehler nicht sicher erkennen. Über das Black-Channel-Prinzip stellen Protokolle wie PROFIsafe oder FSoE durch Watchdog-Timer, eigene Safety-CRC und zyklische Prüfungen deterministische Reaktionszeiten sicher und lösen bei einem Fehler den sicheren Zustand aus.
Wie wird das nötige Haltemoment der Roboterbremse berechnet?
Das erforderliche Haltemoment addiert sich aus dem maximalen statischen Lastmoment (Gewicht des Roboterarms plus Nutzlast, multipliziert mit dem Hebelarm) und einem Sicherheitsfaktor (meist 1,5 bis 2). Zwingend zu addieren ist zudem die dynamische Last, die beim Abbremsen aus der vollen Bewegung entsteht.
Was regelt die Norm ISO/TS 15066 bei kollaborativen Robotern?
Die ISO/TS 15066 definiert biomechanische Grenzwerte für die Mensch-Roboter-Kollaboration. Ihre Inhalte wurden inzwischen in die ISO 10218-2:2025 übernommen, die Druck- und Kraftgrenzwerte für quasistatische und transiente Kontakte festlegt. Dies hat direkten Einfluss auf die erforderliche Nachlaufzeit der eingesetzten Bremsen.
Wie funktioniert das Fail-Safe-Prinzip bei Industriebremsen?
Eine Fail-Safe-Bremse oder Passivbremse wird mechanisch durch vorgespannte Federn geschlossen und erzeugt so das Bremsmoment. Nur wenn Energie (Druckluft, Hydraulik oder elektrischer Strom) anliegt, wird die Bremse gelüftet. Bei einem Energieausfall fällt die Bremse sofort ein und stoppt den Antrieb sicher.
