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Sicherheitstechnische Antriebsauslegung

Optimierung bei Werkzeugmaschinen setzt Kompromissbereitschaft voraus

| Autor/ Redakteur: Rainer Drechsler / Josef-Martin Kraus

Für die sicherheitstechnische Auslegung hydraulischer Antriebe in Werkzeugmaschinen ist die europäische Maschinenrichtlinie nicht die ideale Lektüre, eher helfen EN-Normen weiter. Bewährte Schaltungskonzepte erleichtern die Überprüfung. Aufgrund behördlicher Vorschriften ist das Ergebnis teilweise als Zugeständnis auf Kosten der Produktivität und Wirtschaftlichkeit von Werkzeugmaschinen zu sehen.

( Archiv: Vogel Business Media )

In den dreißiger Jahren entwickelte sich die Ölhydraulik aufgrund der hohen Leistungsdichte und einfachen Einstellbarkeit zu einer bedeutenden Antriebstechnik in unterschiedlichen Industriebranchen. So hat sie sich bei Werkzeugmaschinen als zuverlässige Antriebstechnik bewährt. Ein Grund für diese hohe Zuverlässigkeit liegt unter anderem in den vorhandenen Sicherheitsstrategien, die dem Entwicklungsstand der Werkzeugmaschinen immer wieder angepasst wurden.

Keine CE-Kennzeichnung für Hydraulikaggregate nötig

Heute steht außer Frage, dass zwecks Erhöhung der Verfügbarkeit eine Fehlerminimierung in der Maschine angestrebt wird und im Falle des Eintritts eines Maschinendefekts vorhandene Gefahren für Mensch und Maschine auf ein vertretbares Restrisiko zu reduzieren sind. Zu diesem Zweck hat man in der Vergangenheit sporadisch Normen und andere technische Regeln in der Eigenverantwortung der Wirtschaft formuliert, die allerdings unter nationalen und internationalen Gesichtspunkten als uneinheitlich und unabgestimmt galten.

Mit der Weiterentwicklung der Europäischen Gemeinschaft ist unter anderem eine Vereinheitlichung der Gesetzgebung in allen Bereichen des gesellschaftlichen Lebens notwendig geworden. So wurde am 12. Mai 1993 zur Angleichung der Rechts- und Verwaltungsvorschriften der Mitgliedsstaaten die EG-Richtlinie „Maschinen“ in deutsches Recht umgesetzt. Sie ist gegenwärtig in der Version „Maschinenrichtlinie 2006/42/EG“ (kurz: Maschinenrichtlinie) mit Gesetzeskraft verbindlich und gilt für alle, die Maschinen betreiben, bauen oder umbauen, kaufen oder verkaufen.

Hydraulische Anlagen nicht in vollem Umfang von Maschinenrichtlinie betroffen

Dabei sind hydraulische Anlagen als Maschinenbaugruppen oder Teilmaschinen anzusehen. In diesem Fall trifft die Maschinenrichtlinie nicht in vollem Umfang zu. Das äußert sich darin, dass beispielsweise für Hydraulikaggregate keine CE-Kennzeichnung auf der Grundlage der EG-Konformitätserklärung erforderlich ist, es muss lediglich eine Einbauerklärung abgegeben werden.

Dies steht nicht im Widerspruch dazu, dass die in einem Hydraulikaggregat verbauten elektrischen Geräte und Druckflüssigkeitsspeicher teilweise eine CE-Kennzeichnung haben müssen, denn das fordern die Niederspannungsrichtlinie 73/23/EWG und die Druckgeräterichtlinie 97/23/EG. Zusätzlich zu den bereits genannten Richtlinien sollte der Hydraulikprojektant die Lärm-Richtlinie 2003/10/EG, die ATEX-Richtlinie 94/9/EG, die EMV-Richtlinie 89/336/EWG und die Abwasser-Richtlinie 91/271/EWG stets im Auge behalten.

Europäische Normen greifen Forderungen der Maschinenrichtlinie auf

Die Suche nach hydraulikbezogenen Sicherheitsanforderungen in der Maschinenrichtlinie führt zwangsläufig zu Anhang I (Bild 1). Allerdings lässt bereits die Formulierung in der Einleitung zur Maschinenrichtlinie die Folgerung zu, dass dort nur grundlegende Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen für die Konstruktion und den Bau von Maschinen festgelegt sind. Die Hydraulik wird dabei nur indirekt angesprochen.

Entscheidender ist dagegen der Hinweis, dass den Herstellern von Maschinen auch harmonisierte europäische Normen mit Vermutungswirkung für die Erklärung und Detaillierung der Maschinenrichtlinie zur Verfügung stehen. Harmonisiert bedeutet dabei, dass diese Normen in Einklang zur Maschinenrichtlinie stehen – sich bildlich gesehen also unter dem Dach der Maschinenrichtlinie befinden. Die Vermutungswirkung bringt zum Ausdruck, dass man bei Einhaltung dieser harmonisierten Normen davon ausgehen kann, dass die grundlegenden Anforderungen der Maschinenrichtlinie durch Normen belegt werden (Bild 1).

DIN-Normen können herangezogen werden

Erklärend sei vermerkt, dass es sich bei den DIN-EN-Normen lediglich um EN-Normen handelt, die in die deutsche Sprache übersetzt wurden. DIN-Normen sind in Deutschland gültige Normen; wenn die EN-Normung bestimmte Bereiche nicht abdeckt, können DIN-Normen herangezogen werden. ISO-Normen sind weltweit gültige Normen. Sofern möglich, wird mit der EN-Normung versucht, den Inhalt der ISO-Normen zu übernehmen, es besteht jedoch keine Verpflichtung. Im ungekehrten Fall gilt gleiches. ISO-Normen besitzen keine Vermutungswirkung. Eine Auflistung übereinstimmender ISO-EN-Normen ist im Anhang ZA der DIN EN ISO 12100-2 zu finden.

Wer die Aufgabe gestellt bekommt, eine Hydraulikanlage für eine Werkzeugmaschine zu projektieren, ist gut beraten, sich zuerst einen Überblick über die in der B1-Norm DIN EN ISO 13849-1 definierten Sicherheitskategorien B bis 4 zu verschaffen und danach in den EN-Normen des Typs C zu recherchieren. Diese Produktnormen enthalten detaillierte Sicherheitsanforderungen für bestimmte Geräte, Maschinen und Anlagen, zum Beispiel für Bohr-, Dreh- und Schleifmaschinen.

Die in den C-Normen formulierten Aussagen haben Vorrang gegenüber den A- und B-Normen. Es kommt beispielsweise klar zum Ausdruck, dass die Hydrauliksysteme so zu gestalten sind, dass ein Leitungsbruch in einem beliebigen Kreis nicht zum Verlust einer Sicherheitsfunktion führen darf oder dass bei Außerkraftsetzen von Schutzeinrichtungen für das manuelle Einrichten Achsbewegungen mit einer Geschwindigkeit von maximal 2 m/min oder in Schritten von höchstens 10 mm zulässig sind.

TÜV oder Berufsgenossenschaft helfen bei offenen Fragen zu Sicherheitsnormen weiter

Aus derartigen Forderungen und der hinzugefügten Sicherheitskategorie lassen sich eindeutige Hinweise für die Gestaltung der hydraulischen Kreisläufe ableiten. Die Praxis zeigt jedoch, dass bei komplexen Anwendungen hin und wieder Fragen offen bleiben. In diesem Fall empfiehlt es sich, auf der Grundlage von B-Normen Antworten zu finden, die durch den TÜV oder die Berufsgenossenschaft bestätigt werden sollten.

Normen des Typs B werden eingeteilt in die B1-Gruppe, die übergeordnete Sicherheitsaspekte beinhalten, und in die B2-Gruppe, in denen das sicherheitstechnische Gestalten technischer Erzeugnisse behandelt wird. Beide Gruppen gelten übergreifend für alle in der Maschinenrichtlinie benannten Maschinengattungen. Ihr Studium ist dann hilfreich, wenn es darum geht, sich in grundlegende Sicherheitsbetrachtungen faktenmäßig einzuarbeiten.

B1-Norm DIN EN ISO 13849-1 mit Schlüsselfunktion

Die B1-Norm DIN EN ISO 13849-1 hat für die Anwendung der Hydraulik in der Werkzeugmaschine eine Schlüsselfunktion, weil sie als Leitfaden bei der Gestaltung und Beurteilung von hydraulischen Steuerungen heranzuziehen ist. In einer in dieser Norm beschriebenen Risikoanalyse zur Festlegung eines Performance Levels (PL), die von Maschinenherstellern zu vollziehen ist, wird auch auf Sicherheitskategorien Bezug genommen, denen hydraulische Schaltungen entsprechen müssen. Sie dienen gleichzeitig als Kommunikationsschnittstelle zwischen dem Maschinenhersteller und dem Hydraulikanbieter.

Die Anforderungen an die Kategorien B bis 4 sind in der DIN EN ISO 13849-1 angegeben, wobei sich bei hydraulischen Anlagen der sicherheitsbezogene Teil der Steuerung auf den Ventilbereich bezieht, der die gefahrbringenden Bewegungen oder Zustände steuert. Allerdings sind Nebenfunktionen sowie die Einhaltung von Projektierungsgrundsätzen, zum Beispiel Druckbegrenzung und Filtration oder die Auswahl druckfester Rohre und Schläuche, nicht zu vernachlässigen.

Kategorie B stellt die Basiskategorie dar. Das Auftreten eines Fehlers kann zum Verlust der Sicherheitsfunktion führen. In Kategorie 1 wird eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen Fehler überwiegend durch Auswahl und Verwendung von bewährten Komponenten erreicht.

In den Kategorien 2, 3 und 4 wird die verbesserte Leistung hinsichtlich der spezifizierten Sicherheitsfunktionen überwiegend durch die Verbesserung der Struktur des sicherheitsbezogenen Teils der Steuerung erzielt. Kategorie 2 sieht vor, die Ausführung der Sicherheitsfunktion durch wiederkehrendes Testen zu prüfen. Bei Kategorie 3 und 4 darf das Auftreten eines Fehlers nicht zum Verlust der Sicherheitsfunktion führen. In Kategorie 3 wird ein Fehler durch angemessene Maßnahmen erkannt. Die Kategorie 4 stellt höhere Anforderungen an die Widerstandsfähigkeit gegen Fehlerhäufungen im Vergleich zur Kategorie 3.

Bild 2 zeigt ein Schaltplanbeispiel einer Zylindersteuerung. Es kann dann in Kategorie 4 eingeordnet werden, wenn die Kennwerte für die mittlere Zeit bis zum gefahrbringenden Ausfall (MTTFd) für den Diagnosedeckungsgrad (DC) und den Ausfall aufgrund gemeinsamer Ursache (CCF) erfüllt werden. Die markante DIN EN 982, welche die sicherheitstechnischen Anforderungen an fluidtechnischen Anlagen und deren Bauteile behandelt, könnte als B2-Norm zur Pflichtlektüre eines jeden Hydraulikers gezählt werden.

Die Sicherheitsgrundnormen (EN-Normen Typ A) befassen sich im Wesentlichen mit der Konzeption, der Strategie und der Arbeitsweise der europäischen Normung zur Maschinenrichtlinie. Typ-A-Normen dienen deshalb hauptsächlich als Leitlinien zur Erstellung von B- und C-Normen beziehungsweise von Formulierungen in Lehrbuchtexten.

Behördliche Vorschriften zwingen zu Kompromissen

Was Maschinenbauer und Zulieferer beschäftigt, hätte nicht besser Prof. Dr.-Ing. Manfred Weck, Autor der Fachbuchreihe „Werkzeugmaschinen – Fertigungssysteme“, in Band 1 [1] formulieren können: „Die durch behördliche Vorschriften bestehenden Vorgaben für die Sicherheit und das Umweltverhalten der Maschinen spielen eine zunehmend größere Rolle. Ihr Ziel liegt darin, die Unfallhäufigkeiten zu senken und die Arbeitsplätze menschenwürdiger zu gestalten. Diese Bemühungen beeinträchtigen zum Teil die Produktivität und die Wirtschaftlichkeit der Maschinen, so dass hier Kompromisse zu schließen sind.“

Für Rexroth als Antriebs- und Automatisierungsspezialist ist es selbstverständlich, die Kunden bei der Projektierung der Werkzeugmaschinenhydraulik zu unterstützen. Komponenten von Rexroth sind in Übereinstimmung mit den Normen so konzipiert, dass bewährte Bauteile und Sicherheitsprinzipien zur Anwendung kommen. Sie sind unter Beachtung der speziellen Kategorie-Anforderungen in allen Kategorien einsetzbar. Es liegen Schaltungsbeispiele vor, die es dem Kunden erleichtern sollen, die von ihm ausgewählte maschinenfunktionsbestimmte hydraulische Schaltung auf die geforderte Sicherheit zu prüfen.

Dr. Rainer Drechsler ist Leiter des Anwendungszentrums Werkzeugmaschinen bei der Bosch Rexroth AG in Lohr am Main

Literatur

[1] Weck, M.: Werkzeugmaschinen – Fertigungssysteme. Düsseldorf: VDI Verlag 1991.

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