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Endschalter und Endlagenüberwachung an Maschinen

Endschalter und Endlagenüberwachung verhindern, dass bewegte Maschinenteile einen zulässigen Verfahrweg überschreiten. Sie erkennen definierte Grenzpositionen und übermitteln den erreichten Zustand an die Maschinensteuerung. Diese kann die Bewegung stoppen, abbremsen, umkehren oder eine Störung auslösen.

Endschalter werden unter anderem an CNC-Maschinen, Werkzeugmaschinen, Förderanlagen, Hubwerken, Schutztüren sowie an hydraulischen und pneumatischen Zylindern eingesetzt. Je nach Aufgabe dienen sie der normalen Ablaufsteuerung, dem Schutz mechanischer Bauteile oder als Bestandteil einer sicherheitsbezogenen Steuerungsfunktion.

Ein gewöhnlicher Endschalter ist jedoch nicht automatisch ein Sicherheitsschalter. Soll die Endlagenüberwachung Personen vor einer gefährlichen Maschinenbewegung schützen, muss die komplette Sicherheitsfunktion anhand einer Risikobeurteilung ausgelegt und validiert werden.

Was ist ein Endschalter?

Ein Endschalter ist ein mechanisch oder berührungslos betätigtes Schaltgerät, das beim Erreichen einer festgelegten Position seinen elektrischen Ausgangszustand verändert.

Bei einem mechanischen Endschalter betätigt ein bewegtes Maschinenteil beispielsweise einen Stößel, Rollenhebel oder Federstab. Dadurch werden die im Schalter eingebauten Kontakte geöffnet oder geschlossen.

Berührungslose Endlagensensoren erkennen die Position ohne direkten mechanischen Kontakt. Dazu gehören unter anderem induktive, magnetische und optische Sensoren.

Der Endschalter misst normalerweise nicht den gesamten zurückgelegten Weg. Er liefert lediglich die Information, ob eine festgelegte Grenzposition erreicht oder verlassen wurde.

Was bedeutet Endlagenüberwachung?

Die Endlagenüberwachung umfasst mehr als den einzelnen Schalter. Sie besteht aus der vollständigen Signalkette:

Das bewegte Maschinenteil erreicht den festgelegten Schaltpunkt.
Der Endschalter oder Sensor erkennt die Position.
Das Signal wird an einen Steuerungseingang übertragen.
Die Steuerung wertet den Signalzustand aus.
Der Antrieb wird abgebremst, gestoppt, gesperrt oder in Gegenrichtung verfahren.
Bei Bedarf werden eine Störmeldung und eine Diagnoseinformation ausgegeben.

Zur Endlagenüberwachung gehören daher der Sensor, die elektrische Verbindung, die Eingangsbaugruppe, die Steuerungslogik und die ausgelöste Maschinenreaktion.

Unterschied zwischen Endschalter und Endlagenüberwachung

Begriff	Bedeutung
Endschalter	Einzelnes Schaltgerät zur Erkennung einer Grenzposition
Endlagensensor	Mechanischer oder berührungsloser Sensor zur Positionserfassung
Endlagenüberwachung	Gesamtes System aus Sensor, Signalübertragung, Auswertung und Maschinenreaktion
Mechanischer Anschlag	Physische Begrenzung des Verfahrwegs
Software-Endlage	In der Steuerung hinterlegte Koordinatengrenze
Hardware-Endlage	Durch einen realen Schalter oder Sensor erkannte Grenzposition

Ein mechanischer Anschlag ist kein Endschalter. Er begrenzt die Bewegung physisch, liefert aber ohne zusätzlichen Sensor kein elektrisches Signal an die Steuerung.

Aufbau eines mechanischen Endschalters

Ein typischer mechanischer Endschalter besteht aus:

einem stabilen Gehäuse,
einem Betätigungselement,
einer Rückstellfeder,
einem Schaltmechanismus,
einem oder mehreren Schaltkontakten,
einem Anschlussraum oder Steckverbinder,
einer Kabel- beziehungsweise Leitungseinführung.

Das Betätigungselement wird entsprechend der Bewegungsrichtung und der mechanischen Situation ausgewählt.

Stößel

Ein Stößelschalter wird direkt in axialer Richtung betätigt. Er ermöglicht einen eindeutig definierten Schaltpunkt, verlangt aber eine genaue Ausrichtung des anfahrenden Maschinenteils.

Rollenstößel

Eine Rolle verringert Reibung und Verschleiß, wenn das bewegte Bauteil seitlich über den Betätiger fährt.

Rollenhebel

Ein Rollenhebel gleicht größere Betätigungswege und geringe Ausrichtungsabweichungen aus. Er wird häufig an Schlitten, Türen und Fördereinrichtungen verwendet.

Federstab oder Schwenkhebel

Flexible Betätiger können aus verschiedenen Richtungen angefahren werden. Der Schaltpunkt ist jedoch meistens weniger genau als bei einem direkt betätigten Stößel.

Arten der Endlagenerfassung

Bauart	Funktionsprinzip	Vorteile	Typische Einschränkungen
Mechanischer Endschalter	Direkte Betätigung eines Schaltmechanismus	Eindeutiger Schaltzustand, robuste Ausführung	Mechanischer Verschleiß und Kontaktprellen
Induktiver Sensor	Erkennung eines metallischen Objekts	Berührungslos, verschleißarm, hohe Schalthäufigkeit	Erkennt normalerweise nur metallische Ziele
Magnetischer Sensor	Erkennung eines Magnetfelds	Verdeckte Montage möglich, häufig an Zylindern	Abhängigkeit von Magnetposition und Fremdfeldern
Reedkontakt	Magnet betätigt einen gekapselten Kontakt	Einfacher Aufbau und geringer Energiebedarf	Begrenzte Schalthäufigkeit und mögliche Kontaktalterung
Optischer Sensor	Auswertung eines Lichtstrahls oder einer Reflexion	Große Schaltabstände und berührungslose Erfassung	Empfindlich gegenüber Verschmutzung und Fehlausrichtung
Absolutes Messsystem	Vergleich des Positionswerts mit einer Grenze	Flexible und genaue Überwachung des gesamten Weges	Abhängigkeit von Messsystem und Steuerung
Software-Endlage	Vergleich mit programmierter Koordinatengrenze	Ohne zusätzlichen mechanischen Schalter einstellbar	Kein unabhängiger Schutz bei bestimmten Fehlern

Öffner, Schließer und Wechsler

Schließerkontakt

Der Schließerkontakt ist im unbetätigten Zustand geöffnet. Beim Erreichen der Endlage schließt der Kontakt.

Die Steuerung erhält ein aktives Signal, sobald der Endschalter betätigt wird. Ein Leitungsbruch kann bei einer einfachen Schließerschaltung jedoch wie eine nicht erreichte Endlage wirken.

Öffnerkontakt

Der Öffnerkontakt ist im unbetätigten Zustand geschlossen. Beim Betätigen des Endschalters wird der Stromkreis geöffnet.

Diese Schaltungsart wird häufig nach dem Ruhestromprinzip eingesetzt. Eine unterbrochene Leitung kann dadurch denselben Signalzustand wie ein betätigter Endschalter erzeugen und eine Stopp- oder Fehlermeldung auslösen.

Das Ruhestromprinzip verbessert die Erkennung bestimmter Fehler, macht einen gewöhnlichen Schalter aber nicht automatisch zu einem geeigneten Sicherheitsbauteil.

Wechslerkontakt

Ein Wechsler besitzt einen gemeinsamen Anschluss sowie einen Öffner- und einen Schließerkontakt. Dadurch stehen beide Kontaktzustände zur Verfügung.

Je nach Steuerung können die beiden Kontaktzustände zur Plausibilitätsprüfung oder für unterschiedliche Steuerungsaufgaben genutzt werden.

Zwangsöffnende Kontakte

Bei einem zwangsöffnenden beziehungsweise direkt öffnenden Kontakt wird der Öffner durch die mechanische Betätigung unmittelbar geöffnet. Die Kontaktöffnung ist damit nicht ausschließlich von einer Feder abhängig.

Diese Eigenschaft kann für sicherheitsbezogene Positionsschalter erforderlich sein. Sie allein genügt jedoch nicht, um eine vollständige Sicherheitsfunktion zu bilden.

Zusätzlich müssen unter anderem berücksichtigt werden:

die Risikobeurteilung,
der erforderliche Performance Level,
die Steuerungsarchitektur,
die Fehlererkennung,
mögliche Fehler gemeinsamer Ursache,
die Eignung der verwendeten Bauteile,
die elektrische und mechanische Lebensdauer,
die Validierung der Sicherheitsfunktion.

Endschalter an CNC-Maschinen

An CNC-Maschinen können mehrere unterschiedliche Grenz- und Positionsfunktionen vorhanden sein.

Software-Endlage

Die CNC-Steuerung vergleicht die aktuelle Achsposition mit einer programmierten Verfahrgrenze. Wird diese Grenze erreicht, verhindert die Steuerung eine weitere Bewegung in die gesperrte Richtung.

Eine Bewegung von der Endlage weg bleibt normalerweise möglich.

Betrieblicher Hardware-Endschalter

Der Hardware-Endschalter ist ein realer Sensor am Verfahrweg. Er kann als zusätzliche Grenze hinter der Software-Endlage angeordnet werden.

Wird er betätigt, stoppt die Steuerung die Achse und erzeugt häufig eine Störmeldung.

Not-Endlage oder Überfahrgrenze

Ein zusätzlicher Endlagenschalter kann als letzte elektrisch überwachte Grenze vor dem mechanischen Anschlag vorgesehen sein. Die Bezeichnungen und Reaktionen unterscheiden sich je nach Maschinen- und Steuerungskonzept.

Eine solche Grenze muss so angeordnet sein, dass die Achse auch bei maximaler Annäherungsgeschwindigkeit noch rechtzeitig zum Stillstand kommen kann.

Mechanischer Endanschlag

Der mechanische Anschlag bildet die physische Grenze des Verfahrwegs. Er soll nicht regelmäßig angefahren werden.

Eine Kollision mit dem Anschlag kann Kugelgewindetrieb, Lager, Kupplung, Motor, Messsystem oder Maschinenstruktur beschädigen.

Unterschied zwischen Endschalter und Referenzschalter

Endschalter und Referenzschalter können ähnlich aussehen, erfüllen aber unterschiedliche Aufgaben.

Merkmal	Endschalter	Referenzschalter
Hauptaufgabe	Begrenzung oder Überwachung des Verfahrwegs	Festlegung einer bekannten Maschinenposition
Typische Position	Nahe dem Ende des zulässigen Verfahrwegs	An einer definierten Referenzposition
Reaktion	Bewegung stoppen oder in eine Richtung sperren	Referenzpunkt beziehungsweise Maschinennullpunkt bestimmen
Betätigung	Bei Annäherung an eine Grenzposition	Normalerweise während der Referenzfahrt
Sicherheitsfunktion	Nur bei entsprechend ausgelegtem System	Normalerweise keine Sicherheitsfunktion

Ein Referenzschalter ersetzt nicht automatisch einen Endschalter. Ebenso kann ein gewöhnlicher Endschalter nicht ohne Prüfung als präziser Referenzschalter verwendet werden.

Endlagenüberwachung pneumatischer und hydraulischer Zylinder

Bei Zylindern werden häufig die eingefahrene und die ausgefahrene Endlage überwacht.

Mögliche Sensoren sind:

magnetische Zylindersensoren,
Reedkontakte,
induktive Näherungsschalter,
mechanische Positionsschalter,
integrierte Wegmesssysteme.

Die Steuerung kann dadurch prüfen, ob der Zylinder eine angeforderte Position innerhalb einer festgelegten Zeit erreicht hat.

Bleibt das erwartete Signal aus, können beispielsweise folgende Fehler vorliegen:

unzureichender Druck,
blockierte Mechanik,
undichte Leitung,
defektes Ventil,
falsch eingestellter Sensor,
beschädigte Verkabelung,
zu hohe mechanische Last.

Eine reine Zeitsteuerung ersetzt keine tatsächliche Endlagenrückmeldung, wenn die Position für den Prozess oder die Sicherheit entscheidend ist.

Festlegung des Schaltpunkts

Der Endschalter muss so montiert werden, dass nach seiner Betätigung ausreichend Weg zum kontrollierten Abbremsen vorhanden ist.

Der erforderliche Mindestweg hängt unter anderem ab von:

der maximalen Geschwindigkeit,
der Reaktionszeit von Sensor und Steuerung,
der Verzögerung der Eingangsbaugruppe,
der Abschaltzeit des Antriebs,
der erreichbaren Bremsverzögerung,
den bewegten Massen,
elastischen Verformungen,
Verschleiß und Montagetoleranzen,
einem zusätzlichen Sicherheitsabstand.

Bei vereinfachter Betrachtung kann der erforderliche Weg abgeschätzt werden mit:

s_min = v × t_R + v² ÷ (2 × a) + s_R

Dabei bedeuten:

s_min: erforderlicher Mindestabstand,
v: maximale Annäherungsgeschwindigkeit,
t_R: gesamte Reaktionszeit,
a: wirksame Bremsverzögerung,
s_R: zusätzlicher Reserveweg.

Für eine reale Maschine müssen die ungünstigsten Betriebsbedingungen und die Angaben der beteiligten Komponenten berücksichtigt werden. Eine überschlägige Berechnung ersetzt keine sicherheitstechnische Auslegung.

Schalthysterese und Wiederholgenauigkeit

Der Einschaltpunkt und der Rückschaltpunkt eines Endschalters sind nicht immer identisch. Die Differenz wird als Schalthysterese bezeichnet.

Eine gewisse Hysterese verhindert, dass der Ausgang bei kleinen Bewegungen oder Vibrationen ständig ein- und ausschaltet.

Für eine präzise Positionserkennung sind außerdem wichtig:

Wiederholgenauigkeit,
Betätigungsweg,
Nachlaufweg,
Rückschaltdifferenz,
mechanisches Spiel,
Anfahrgeschwindigkeit,
Anfahrrichtung.

Der Schaltpunkt sollte möglichst immer aus derselben Richtung und mit einer definierten Geschwindigkeit angefahren werden.

Betriebliche und sicherheitsbezogene Endlagenüberwachung

Eine betriebliche Endlagenüberwachung steuert den normalen Maschinenablauf oder schützt Maschinenteile vor einer Überfahrt.

Eine sicherheitsbezogene Endlagenüberwachung soll dagegen das Risiko für Personen verringern. Dafür muss die vollständige Sicherheitsfunktion nach dem Ergebnis der Risikobeurteilung ausgelegt werden.

Ein einzelner gewöhnlicher Endschalter an einem normalen SPS-Eingang reicht für eine sicherheitsbezogene Funktion häufig nicht aus.

Je nach erforderlichem Performance Level können notwendig sein:

geeignete Sicherheitspositionsschalter,
zwangsöffnende Kontakte,
zwei unabhängige Eingangskanäle,
eine sichere Auswerteeinheit,
Leitungs- und Querschlusserkennung,
Diagnosefunktionen,
überwachte Schütze oder sichere Antriebsfunktionen,
regelmäßige Funktionsprüfungen,
eine dokumentierte Validierung.

Welche Maßnahmen tatsächlich erforderlich sind, ergibt sich aus der Risikobeurteilung und den anzuwendenden Normen.

Endschalter dürfen niemals überbrückt oder dauerhaft betätigt werden, um eine Störung zu umgehen. Dadurch können Maschinen- und Personenschutz unwirksam werden.

Auswahl eines geeigneten Endschalters

Bei der Auswahl müssen elektrische, mechanische und umgebungsbedingte Anforderungen berücksichtigt werden.

Wichtige Auswahlkriterien sind:

Art und Richtung der Betätigung,
benötigte Wiederholgenauigkeit,
zulässiger Betätigungs- und Nachlaufweg,
maximale Anfahrgeschwindigkeit,
Schalthäufigkeit,
Kontaktart oder Ausgangsfunktion,
Versorgungsspannung,
zulässiger Schaltstrom,
PNP- oder NPN-Ausgang,
Schutzart des Gehäuses,
Umgebungstemperatur,
Beständigkeit gegen Kühlschmierstoff und Reinigungsmittel,
Widerstandsfähigkeit gegen Späne, Staub und Feuchtigkeit,
Schock- und Vibrationsfestigkeit,
Anschlussart und Leitungslänge,
mechanische und elektrische Lebensdauer,
Eignung für eine vorgesehene Sicherheitsfunktion.

Bei elektronischen Sensoren muss die Ausgangsart zur verwendeten Eingangsbaugruppe passen. Ein falsch ausgewählter PNP- oder NPN-Sensor liefert möglicherweise kein auswertbares Signal oder führt zu einer fehlerhaften Beschaltung.

Typische Fehler und Störungen

Fehlerbild	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Endlage wird nicht erkannt	Schalter verstellt, Betätiger beschädigt oder Leitung unterbrochen	Mechanische Betätigung, Eingangssignal und Verdrahtung prüfen
Signal bleibt dauerhaft aktiv	Schalter verklemmt, Späneablagerung oder Kurzschluss	Freigängigkeit, Reinigung und elektrische Messung durchführen
Achse fährt auf den Anschlag	Schaltpunkt zu spät, Bremsweg zu groß oder Signal nicht verarbeitet	Montageposition, Geschwindigkeit und Steuerungsreaktion prüfen
Signal flattert	Vibration, Kontaktprellen oder Schaltpunkt im Hysteresebereich	Befestigung, Anfahrbewegung und Eingangsentprellung prüfen
Sensor schaltet unzuverlässig	Schaltabstand zu groß oder Zielobjekt ungeeignet	Abstand, Ausrichtung und Sensortyp kontrollieren
Endlage wird nur gelegentlich erreicht	Mechanisches Spiel, schwankender Druck oder veränderliche Geschwindigkeit	Mechanik, Antrieb und Prozessbedingungen prüfen
Störung nach Sensortausch	Falsche Kontaktfunktion oder PNP/NPN verwechselt	Typenschild, Schaltbild und SPS-Eingang vergleichen
Sicherheitskreis lässt sich nicht zurücksetzen	Kanäle schalten nicht plausibel oder Rückführkreis ist offen	Diagnoseanzeige und Verdrahtung fachgerecht prüfen

Wartung und Funktionsprüfung

Endschalter und Endlagensensoren sollten regelmäßig geprüft werden. Die Prüfintervalle richten sich nach Einsatzbedingungen, Schalthäufigkeit, Risikobeurteilung und Herstellervorgaben.

Zu einer Wartungsprüfung gehören unter anderem:

Schaltergehäuse auf Beschädigungen kontrollieren,
Befestigung und Ausrichtung prüfen,
Betätiger auf Verschleiß untersuchen,
Späne und Ablagerungen entfernen,
Leitung und Steckverbindung kontrollieren,
Schaltzustand am Steuerungseingang überprüfen,
Endlage mit geringer Geschwindigkeit anfahren,
Stopp- beziehungsweise Umkehrreaktion prüfen,
Abstand zum mechanischen Anschlag kontrollieren,
Fehlermeldung und Rücksetzverhalten testen.

Sicherheitsbezogene Funktionen dürfen nur durch entsprechend qualifizierte Personen geprüft, verändert und validiert werden.

Relevante Normen

Für Endschalter und Endlagenüberwachungen können – abhängig von Maschine und Anwendung – unter anderem folgende Normen relevant sein:

DIN EN ISO 12100 für Risikobeurteilung und Risikominderung,
DIN EN ISO 13849-1 für sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen,
DIN EN IEC 60947-5-1 für elektromechanische Steuergeräte und Schaltelemente,
DIN EN 60204-1 für die elektrische Ausrüstung von Maschinen,
maschinenspezifische Typ-C-Normen.

Die konkret anzuwendenden Anforderungen ergeben sich aus der Maschine, ihrem vorgesehenen Einsatz und der durchgeführten Risikobeurteilung.

Fazit

Endschalter erkennen definierte Grenzpositionen, während die Endlagenüberwachung die vollständige Kette aus Positionserfassung, Signalübertragung, Auswertung und Maschinenreaktion umfasst.

An CNC-Maschinen bilden Software-Endlagen, Hardware-Endschalter und mechanische Anschläge häufig aufeinanderfolgende Schutzebenen. Referenzschalter erfüllen dagegen eine andere Aufgabe und dienen in erster Linie zur Bestimmung einer bekannten Maschinenposition.

Für betriebliche Steuerungsaufgaben können einfache Endschalter oder berührungslose Sensoren ausreichen. Sobald die Überwachung dem Schutz von Personen dient, muss die komplette Sicherheitsfunktion anhand einer Risikobeurteilung ausgelegt und validiert werden.

Eine korrekte Montage, ausreichender Bremsweg, geeignete Schaltkontakte und regelmäßige Funktionsprüfungen sind entscheidend für eine zuverlässige Endlagenüberwachung.

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