Elektronik führt zur Angleichung von Proportional- und Servoventilen

Bei der Auswahl von Stetigventilen sind statische und dynamische Eigenschaften wie Hysterese, Umkehrspanne und Führungsverhalten im Zeit- und Frequenzbereich entscheidend, weniger die...

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Bei der Auswahl von Stetigventilen sind statische und dynamische Eigenschaften wie Hysterese, Umkehrspanne und Führungsverhalten im Zeit- und Frequenzbereich entscheidend, weniger die unterschiedlichen Bezeichnungen Servo-, Proportional- oder Regelventil, die ihre Ursache teils in der Historie, teils im Marketing haben. Seit der Einführung verbesserter integrierter Elektronik verringert sich der Leistungsunterschied zwischen den Ventilen. Die Diskussion über Servoventil, Regelventil und Proportionalventil wird seit mittlerweile 25 Jahren geführt. Eigentlich ist sie schon seit langem entbehrlich, weil es sich bei den so unterschiedlich benannten Produkten in jedem Fall um stetig steuerbare Drosselventile zur Volumenstrombeeinflussung handelt. Die derzeit verwendeten Produktbezeichnungen sind zum Teil historisch, zum Teil marketingbedingt.Eine Arbeitsgruppe des Fachbereichs Fluidtechnik im Normungsausschuss Maschinenbau hat schon 1979 vorgeschlagen, diese Ventile unter dem Gattungsbegriff ,,Stetigventil" zusammenzufassen. Leider hat sich dieser Gattungsbegriff, möglicherweise wegen der wenig griffigen Übersetzungen in andere Sprachen, noch nicht durchgesetzt. Entscheidend für eine erfolgreiche Anwendung in der hydraulischen Antriebstechnik ist nicht die je nach Hersteller unterschiedliche Benennung der ins Auge gefassten Ventilart, sondern sind Ventileigenschaften wie geringe Umkehrspanne und Hysterese sowie das Führungsverhalten im Zeit- und Frequenzbereich [1].Stetigventil ist Überbegriff für beide AusführungenBevor auf diese technischen Eigenschaften näher eingegangen wird, soll der historische Hintergrund etwas beleuchtet werden. Am Anfang, vor mehr als fünfzig Jahren, standen für Luftfahrtzwecke entwickelte Stetigventile in Kolbenschieberbauart, die von Linearmotoren direkt gesteuert wurden. Diese waren hinsichtlich Bauvolumen und Gewicht für Luftfahrtanwendungen noch relativ groß und in ihrer Leistung eher bescheiden.Einen wesentlichen Fortschritt brachte dann Anfang der fünfziger Jahre die Einführung der hydraulischen Vorsteuerung durch Düse/Prallplatte- oder Strahlrohr-Verstärker, die mittels Torquemotor als elektromechanischem Wandler gesteuert wurden. Wenig später wurde auch die mechanische Rückführung der Kolbenstellung eingeführt. Dieser interne Lageregelkreis mit Kraftabgleich ist kennzeichnend für die nun als Servoventil bezeichneten Produkte. Sie wurden anfangs zwar noch überwiegend im Luftfahrtbereich eingesetzt, fanden aber auch zu Beginn der sechziger Jahre in veränderter Bauweise ihren Weg in Industrieanwendungen. Aus dieser Zeit stammt das Etikett: ,,Servoventil = hochdynamisch, aber schmutzempfindlich und teuer."Als Anfang der siebziger Jahre Spritzgießmaschinen mit ersten geregelten Funktionen ausgestattet werden sollten, wurden kostengünstige Stetigventile für die Steuerung von vergleichsweise großen Volumenströmen und für die präzise, schnelle Druckregelung benötigt. Die bekannten Servoventile erwiesen sich als zu teuer. Dieser Anwendungsbereich wurde zum Auslöser für die Proportionalventil-Entwicklungen verschiedener Hersteller. Der Begriff wurde in Abkehr von dem für belastet gehaltenen Begriff Servoventil gewählt. Aufbauend auf kostengünstigen Gehäusen und Kolbenrohlingen aus der Wegeventiltechnik entstanden zwei Entwicklungsrichtungen: Einerseits die direkte Steuerung des Kolbens mit einem Proportionalmagneten oder einem Linearmotor (NG 6 und NG 10), andererseits die hydraulische Vorsteuerung des Steuerkolbens mit den aus der Servoventiltechnik bekannten Steuerstufen.In beiden Fällen wird der Steuerkolben in einem elektrischen Lageregelkreis mit Spannungsabgleich geführt. Die von der Servoventiltechnik beeinflussten Entwicklungen führten schnell zu Produkten mit hervorragenden Eigenschaften. Durch Verbesserung der Proportionalmagnete und leistungsfähigere Elektroniken näherten sich die Leistungen der beiden Entwicklungslinien im Laufe der Jahre immer mehr an.Leistungsfähige Bauarten haben interne LageregelungEinfachere Varianten der Proportionalmagnet-Ventile ohne interne Lageregelung werden nur für gesteuerte Anwendungen empfohlen. Um sich von diesen einfacheren Proportionalventilen abzuheben, haben einige Hersteller für ihre leistungsfähigeren Proportionalmagnet-Stetigventile etwa um das Jahr 1990 herum den schon seit 1980 gelegentlich verwendeten Begriff Regelventil wieder eingeführt.Auf einen die Ventilauswahl beeinflussenden Unterschied zwischen Servoventilen und Proportional-/Regelventilen muss noch hingewiesen werden. Der Nennvolumenstrom von Servoventilen wird auf einen Nennventildruckabfall von 70 bar bezogen, der Nennvolumenstrom von Proportionalventilen hingegen auf einen solchen von 10 bar. Mit einem Druckabfall von 5 bar pro Steuerkante bei Nennvolumenstrom befinden sich diese Ventile in einem Bereich, an den der Hydrauliker von den Schaltventilen her gewöhnt ist. Der Druckverlust bei gleichem Volumenstrom ist also beim Proportionalventil wesentlich geringer. Dafür sind der erforderliche Einbauraum und die Masse größer, was bei Industrieanwendungen größtenteils jedoch kein Nachteil ist.Stetigventile werden in hydraulischen Antrieben zur Lage-, Geschwindigkeits-, Druck- oder Kraftregelung eingesetzt. Überwiegend ist der Aktor ein Hydraulikzylinder, weil im Fall der linearen Bewegung mit schnellen und genauen Änderungen der Regelgröße der hydraulische Antrieb dann dem elektrischen Antrieb in vieler Hinsicht überlegen ist. Weil bekanntlich alles seinen Preis hat, muss man bei der Auswahl eines Ventils genau abwägen, was in der jeweiligen Anwendung wirklich erforderlich ist.Bei der Lageregelung (Positionieren) wird die statische Genauigkeit durch geringe Werte für Hysterese und Umkehrspanne günstig beeinflusst. In dieser Hinsicht sind Ventile mit interner elektrischer Lageregelung den Bauarten mit mechanischer Rückführung überlegen. Positionen müssen häufig gegen äußere Kräfte gehalten werden. Deshalb ist auch entscheidend, welche Druckverstärkung (Kraftverstärkung) das ausgewählte Ventil ermöglicht. Je größer diese Druckverstärkung, desto geringer ist der lastabhängige Stellungsfehler des Antriebs. Besonders große Druckverstärkungen werden mit Ventilen erreicht, bei denen der Steuerkolben in einer Steuerbüchse geführt wird.Diese Bauweise erlaubt eine besonders präzise Abstimmung der Steuerkanten von Kolben und Büchse. Läuft der Steuerkolben direkt im Gehäuse, sind große Druckverstärkungen lediglich mit viel Aufwand und entsprechend hohen Kosten zu erreichen. Aber es gibt auch viele Anwendungsfälle (zur Druckregelung), bei denen ein zu steiler Anstieg der Druckverstärkungskennlinie überhaupt nicht vorteilhaft und deshalb nicht erwünscht ist.Dynamische Eigenschaften bei schneller Regelung wichtigDie Steuerkantenzuordnung (zum Beispiel der Nullschnitt, die Unterdeckung, und Überdeckung) beeinflusst die Volumenstromkennlinie im Nullbereich (bis ±5% Signal) sowie die Leckage. Die Kolben-Büchsen-Bauweise ist der Kolben-Gehäuse-Bauweise in Bezug auf diese Eigenschaften überlegen. Der Nennvolumenstrom soll so klein gewählt werden, dass er noch mit der Anwendung vereinbar ist. Dadurch lässt sich erreichen, dass die guten statischen Eigenschaften eines Ventils im Antriebsregelkreis ausreichend wirksam werden können.Außer diesen statischen Kennwerten spielen auch die ,,dynamischen" Eigenschaften der Stetigventile im Zeit- und Frequenzbereich eine Rolle. Wenn schnelle Vorgänge geregelt werden sollen, muss das verwendete Stetigventil selbst mindestens zwei- bis dreimal schneller sein als die Strecke. Im Maschinenbau liegen die Kennfrequenzen von durch eine Masse belasteten Zylindern typischerweise unter 50 Hz. Daraus folgt, dass für diese Anwendungen das vorgesehene Stetigventil eine Kennfrequenz (-90° Phasenverschiebung) von 90 bis 120 Hz im Kleinsignalbereich bei Betriebsdruck haben sollte. Im Zeitbereich werden Schaltzeiten zwischen 10 und 50 ms gefordert. Das wird von den im Markt angebotenen Servoventilen und den höherwertigeren Proportionalventilen/Regelventilen erreicht. Hochdynamische High-Response-Ventile für Nennvolumenströme bis 40 l/min erreichen sogar bis 250 Hz oder 3 ms. Für die bei Druckgießmaschinen geforderten äußerst schnellen Druckregelungen werden Stetigventile mit großen Nennvolumenströmen (bis 15 000 l/min) und trotzdem extrem kurzen Schaltzeiten von unter 10 ms benötigt. Auswahl eines Stetigventil hängt von vielen Faktoren abEs kann aber auch vorkommen, dass das gewählte Ventil zu schnell ist. Eine digitale Lageregelung, die mit einer Abtastzeit von 20 ms arbeitet, passt nicht zu einem Stetigventil mit 10 ms Schaltzeit, weil dieses die inkrementalen Stellgrößenschritte mit in der Bewegung merklichen Sprüngen beantwortet. Dadurch ergibt sich eine unerwünschte Begrenzung der möglichen Kreisverstärkung im Antriebsregelkreis. In solchen Fällen muss das Ventil dann langsamer gemacht werden oder man wählt ein, möglicherweise sogar kostengünstigeres, langsameres Ventil. Oder man verzehnfacht die Abtastrate.Aus diesen Bemerkungen wird deutlich, wie wichtig eine ausführliche Beratung durch den Ventilhersteller bei der Auswahl eines Stetigventils für eine bestimmte Anwendung ist. Entscheidend für den Erfolg ist weiterhin, wie bereitwillig der Ventilhersteller bei der Produktausprägung auf die technischen Forderungen der Anwendung eingeht und wie schnell er auf unvorhergesehene technische Probleme reagiert. Wie der Ventilhersteller sein Produkt dann benennt, ist dabei nachrangig. Stetigventile mit mechanischer Rückführung werden erfolgreich eingesetzt bei Bandkantenregelungen, Draht- und Rohrbiegemaschinen, Abkantpressen, Simulatoren und Prüfmaschinen. Als allgemeiner Trend kann jedoch festgestellt werden, dass mechanisch rückgeführte Servoventile mehr und mehr durch elektrisch rückgeführte direkt gesteuerte Stetigventile mit Linearmotor/Proportionalmagnet ersetzt werden. Stetigventile mit interner elektrischer Rückführung und On-board-Elektronik findet man zum Beispiel in Spritzgießmaschinen, Blasformmaschinen, Druckgießmaschinen, Pressen, Biegezentren und Walzgerüsten, um nur einige Anwendungen zu nennen.Literatur:[1] Schäfer, K. D.: Stetighydraulik - Grundlagen, Ventiltechnik, Regelkreise. Landsberg am Lech: Verlag Moderne Industrie 2001.