Achsantriebe Elektromechanische oder elektrohydraulische Antriebe

Autor / Redakteur: Reiner Knöll, Thomas Gellner und Wolfgang Eichhorn / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Autarke lineare Achsen mit mechanischem oder hydraulischem Getriebe sind kompakt und wartungsarm und lassen sich einbaufertig bestellen. Doch welche Variante ist im Einzelfall die richtige?

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Elektromechanische Zylinder wie dieser können in vielen industriellen Bereichen, etwa in Servopressen, Dosiersystemen, Werkzeugmaschinen oder Transport- und Handlingsystemen, eingesetzt werden.
Elektromechanische Zylinder wie dieser können in vielen industriellen Bereichen, etwa in Servopressen, Dosiersystemen, Werkzeugmaschinen oder Transport- und Handlingsystemen, eingesetzt werden.
(Bild: Bosch Rexroth)

Ob Standardanwendung oder Sondermaschine – die Time-to-Market ist und bleibt für Maschinenbauer ein entscheidender Faktor bei der Komponentenauswahl. Antriebe für Linearbewegungen bilden hier keine Ausnahme und verstärken den Trend nach autarken, intelligenten Achsen. Allgemeine Markttrends wie Elektrifizierung, Digitalisierung und Condition Monitoring bis hin zur vorausschauenden Wartung machen die kompakten Lösungen ebenfalls attraktiv. Sie lassen sich auf Wunsch einbaufertig liefern, schnell integrieren und softwaregestützt parametrieren. Häufig ist es aber nicht einfach, die beiden technologischen Ausprägungen – elektromechanisch und elektrohydraulisch – gegeneinander abzuwägen.

Die Auswahl der jeweiligen Technologie für den autarken Linearantrieb leitet sich in erster Linie von den geforderten Kenngrößen wie Last, Dynamik und Strecke ab, aber auch von der gewünschten Lebensdauer, dem Temperaturbereich, der Schutzart und dem erforderlichen Grad der Regelbarkeit. Mit steigenden Anforderungen bezüglich Time-to-Market, Regelbarkeit, Wartungsfreundlichkeit und I4.0-Fähigkeit kommen Lösungen in Betracht, die eine intelligente, elektrische Antriebseinheit mit einem mechanischen oder hydrostatischen Getriebe kombinieren. Weisen beide Topologien ein einheitliches elektrisches Antriebs-, Engineering- und Regelkonzept auf, sind sie auch für Hybridkonzepte geeignet. Darüber hinaus gibt es spezifische Stärken, die für die jeweilige Technologie sprechen.

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Elektromechanische Linearantriebe

Elektromechanische Linearantriebe besitzen aufgrund ihres mechanischen Getriebes mit Zahnriemen-, Kugel- oder Planetengewinde eine feste Übersetzung und Vorschubkonstante. Die Gewindesteigung richtet sich nach der gewünschten Geschwindigkeit und Kraft. Mit Maximalkräften von bis zu 290 kN, Verfahrgeschwindigkeiten von 0,18 bis zu 1,6 m/s und Hublängen von bis zu 1,7 m finden beispielsweise die elektromechanischen Zylinder EMC und EMC-HD von Bosch Rexroth mit Servoantrieb Indradrive und Servomotor Indradyn S viele industrielle Anwendungsfelder, darunter Servopressen, Dosiersysteme, Werkzeugmaschinen oder Transport- und Handlingsysteme. Dank Varianten mit hygienischem Design und Schutzart IP65 eignet sich der EMC sehr gut für die Lebensmittel-, Chemie- und Pharmaindustrie.

Wesentliche technologiebezogene Stärken autarker Linearantriebe mit mechanischem Getriebe liegen in der exakten Regelung sehr schneller oder komplexer industrieller Abläufe und dem einfach zu regelnden Synchronlauf mehrerer Achsen. Trotz der hohen Dynamik werden hohe Positioniergenauigkeiten in der Größenordnung von 10 μm erreicht. In Basisausführungen ist zudem die maximale Kraft sowohl in Zug- als auch in Druckrichtung abrufbar. Weitere Vorteile der Technologie sind die hohe Lebensdauer und Energieeffizienz sowie die einfachen Berechnungsformeln für das Engineering. Voraussetzung für den größtmöglichen Nutzen ist allerdings die korrekte Auswahl der Komponenten. Engineering-Tools vereinfachen den Auswahlprozess und vermeiden Fehler durch automatische Plausibilitätschecks. Für eine schnelle Inbetriebnahme sorgen in das Antriebsregelgerät integrierte anwendungsgerechte Funktionen, die die Maschinenbauer lediglich parametrieren. Über optional einbaubare Kraftsensoren ist eine Kraftregelung möglich.

Elektrohydraulische Linearantriebe

Schwerlastanwendungen mit höheren Axialkräften lassen sich ökonomisch mithilfe servohydraulischer Aktuatoren (SHA) umsetzen. Analog zu den elektromechanischen Zylindern nutzen die SHA von Rexroth das gleiche Steuerungs- und Antriebskonzept mit Indradrive-Antrieben und Indradyn-S-Motoren. Das Getriebe besteht aus einer Kombination aus Verstell- oder Konstantverdrängern plus Differenzial- oder Gleichgangzylinder mit Zwei- oder Mehrflächenprinzip. Dieses breite und zugleich flexible Portfolio eröffnet Anwendern Kräfte von bis zu 2600 kN, Hubstrecken bis 1,8 m Länge und Verfahrgeschwindigkeiten bis 1,1 m/s. Darüber hinaus eignen sich SHA unter bestimmten Voraussetzungen auch für aggressive oder explosionsgefährdete Umgebungen.

Auch in kleineren, sich mit den EMC überschneidenden Leistungsbereichen können SHA bei bestimmten sicherheits- oder lebensdauerspezifischen Anforderungen Vorteile bieten. Entscheidend für die Kostenseite ist hier, dass sich die Systeme einbaufertig liefern lassen. Mit einem SHA können Maschinenhersteller ein vom Netzanschluss bis zur Kolbenstange exakt abgestimmtes und getestetes Komplettpaket erhalten – inklusive Vorparametrierung des Antriebsregelgeräts, Firmware und Technologiefunktionen für eine ablösende Kraft-und Positionsregelung.

Integrierte Sicherheitsfunktionen erhöhen die funktionelle Sicherheitskategorie. Diese kann unter geringem Engineering-Aufwand durch den Einsatz von Ventiltechnik bis zum maximalen Performance Level gesteigert werden. Optional bietet Bosch Rexroth die Möglichkeit der Felddatenerfassung als Softwarebaustein für die Basis eines Condition-Monitoring-Systems an. Die typischen Anwendungsgebiete reichen von Pressen- und Dosiersystemen über Werkzeugmaschinen, Simulatoren, Prüfstände bis hin zu Transport- und Handlinglösungen.

Zu den technologietypischen Stärken elektrohydraulischer Linearachsen zählen die bedarfsgerechte Leistungsabgabe über das variable hydrostatische Getriebe sowie die Möglichkeit zur energetischen Zwischenspeicherung und Rückführung im Rahmen eines Energiemanagements. Im Unterschied zum mechanischen Getriebe lässt sich das Übersetzungsverhältnis ändern, entweder mittels eines Verstellverdrängers, eines schaltbaren Mehrflächenzylinders oder sogar beider. Eine besondere Variante ist SHA mit aufgelöster Bauform. Der Steuerblock ist dabei konstruktiv durch Schlauch- oder Rohrverbindungen vom Zylinder oder der Antriebseinheit aus Pumpe und Servomotor getrennt, sodass Maschinenhersteller die Einzelmodule flexibel in ihre Konstruktion integrieren können und mehr Freiheitsgrade in der Gestaltung ihrer kundenspezifischen Lösungen haben.

Abgrenzung zur konventionellen Hydraulik

Komplett einbaufertige und wartungsfreie SHA eröffnen auch Anwendern ohne tiefes Hydraulik-Know-how eine Möglichkeit zur Elektrifizierung von Antrieben für hohe Lasten, Geschwindigkeiten oder Hüben. Weil dabei jeweils ein Servoantrieb mit einer Hydraulikpumpe, einem Hydraulikzylinder sowie Sensoren und optionalen Sicherheitsventilen zu einem autarken, geschlossenen System kombiniert wird, kann für vielachsige Applikationen ein Übergang zur konventionellen hydraulischen Lösung im offenen System unter TCO-Gesichtspunkten wirtschaftlicher sein. State of the Art für offene Systeme sind dann digital geregelte hydraulische Achsen mit integriertem Achscontroller (IAC), die ebenfalls Multi-Ethernet-fähig sind. Ebenso werden Maschinenhersteller, die ein tiefgreifendes hydraulisches Know-how besitzen, ihre Lösungen gegebenenfalls weiterhin selbst mithilfe eines umfassenden Lösungsbaukastens umsetzen. Für alle anderen Fälle bieten SHA eine interessante Alternative zur klassischen Hydraulik, weil sie im geschlossenen System die zahlreichen Verbesserungspotenziale des Linearantriebs freisetzen.

Auf durchgängige Effizienz achten

Mit autarken elektromechanischen und elektrohydraulischen Antrieben für Linearbewegungen können Maschinenhersteller von einer schnellen und effektiven Umsetzung hochökonomischer Standard- und Sondermaschinen profitieren. Besitzen beide technischen Ausprägungen zudem dasselbe elektrische Antriebs-, Engineering- und Regelkonzept, sind Maschinenbauer zudem in der Lage, Linearantriebe unabhängig von der Technik konsequent über geschlossene Regelkreise zu digitalisieren. Bislang heterogene und proprietäre Schnittstellen lassen sich so standardisieren und die Anzahl der Ansprechpartner im Projekt reduzieren. International tätige Maschinenhersteller schätzen darüber hinaus einen weltweiten Support einschließlich zustandsbasierter Wartung.

* Reiner Knöll ist in der Systementwicklung, Thomas Gellner im Systemengineering und Wolfgang Eichhorn im Vertrieb Applikation Linearsysteme bei der Bosch Rexroth AG in 97816 Lohr a. Main tätig

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