Elektromechanische Aktuatoren Ersatz für Pneumatik und Hydraulik

Um hohe Lasten zu bewegen oder schnelle Bewegungen durchzuführen, kamen bisher meist Hydraulik- oder Pneumatikzylinder zum Einsatz. Doch inzwischen können auch elektromechanische Aktuatoren diese Aufgaben übernehmen und bieten darüber hinaus zahlreiche Vorteile.

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Über viele Jahrzehnte hinweg waren pneumatische und hydraulische Antriebslösungen für Ingenieure die erste Wahl, wenn es darum ging, schnelle Bewegungen durchzuführen, große Kräfte zu erzeugen oder hohe Lasten zu bewegen. Mittlerweile haben sowohl Pneumatik- als auch Hydrauliksysteme einen starken Konkurrenten aus der Welt der Lineartechnik bekommen: den elektromechanischen Aktuator.

Elektromechanik benötigt kein Medium zur Kraftübertragung

Elektromechanische Systeme bieten in vielen Anwendungen zahlreiche Vorteile gegenüber den „klassischen“ Antriebselementen. Sie sind kompakter und leichter und dank des direkt angeschlossenen Elektromotors kommen sie ohne platzaufwendige Kompressoren, Pumpen, Öltanks, Rohrleitungen und Filter aus. Da sie kein Medium zum Übertragen der Kräfte benötigen, bieten sie auch Vorteile in puncto Sicherheit und Umweltverträglichkeit: Ein Brandrisiko oder die Gefahr einer Kontaminierung und Beschädigung aufgrund von Ölleckagen besteht nicht. Elektrisch betätigte Aktuatoren arbeiten zudem geräuschärmer als bisher gebräuchliche Lösungen.

Darüber hinaus bieten elektromechanische Systeme auch erhebliche Leistungsvorteile. Sie weisen ein breiteres Geschwindigkeits- und Leistungsspektrum auf als hydraulische Aktuatoren und ermöglichen eine höhere Positioniergenauigkeit als zum Beispiel pneumatische Zylinder. Zudem sorgen sie für einen gleichmäßigeren Betrieb: Bei Hydrauliksystemen kann sich die Viskosität des Hydrauliköls im Laufe der Betriebsdauer sowie in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur ändern, was zu einer Beeinträchtigung der Maschinenleistung führt. Dagegen arbeiten elektromechanische Systeme stets innerhalb präziser Toleranzen. Und da die beweglichen Teile auf bewährter Wälzlagertechnik basieren, ist es auch möglich, ihre Gebrauchsdauer unter bestimmten Betriebsbedingungen vorherzusagen.

Pneumatische und hydraulische Aktuatoren nur in der Anschaffung günstiger

Bei all diesen überzeugenden Vorteilen scheinen elektromechanische Aktuatoren dennoch einen Schwachpunkt zu haben: höhere Kosten. Und tatsächlich liegen die Kosten für die Erstbeschaffung der elektrischen Antriebe im Vergleich über denen ihrer pneumatischen und hydraulischen Pendants. In der Vergangenheit reichte diese Tatsache oft aus, um den Einsatz elektromechanischer Lösungen in bestimmten Anwendungen von vornherein auszuschließen.

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Betrachtet man jedoch die über den gesamten Lebenszyklus anfallenden Kosten, so kann dieses Argument in den allermeisten Fällen widerlegt werden. Über die gesamte Nutzungsdauer gesehen bieten elektromechanische Aktuatoren große Einsparmöglichkeiten, die die höheren Anschaffungskosten weit übersteigen. Diese Kostenersparnis ergibt sich aus sechs Hauptfaktoren:

• Energieeffizienz: Bei Hydraulik- und Pneumatiksystemen kommt es an mehreren Stellen zu Energieverlusten: angefangen bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Bewegung zum Bereitstellen des Arbeitsdruckes über Verluste innerhalb der Pumpe selbst bis hin zu Flüssigkeitsreibung, Undichtheiten in den Rohrleitungen und weiteren Verlusten im Zylinder. Insgesamt weisen Pneumatiksysteme nur einen Wirkungsgrad von unter 35 % auf. Bei hydraulischen Systemen kann von einer Energieausbeute von etwas mehr als 50 % ausgegangen werden. Dagegen kommt es bei elektromechanischen Systemen nur aufgrund der Motorleistungsgrenze sowie aufgrund von Reibung in den Getriebe- und Aktuatorkomponenten zu Leistungsverlusten. Daher stehen bei elektromechanischen Aktuatoren bis zu rund 80 % der Eingangsleistung für die Hubkraft zur Verfügung (Bild 2).

• Geringere Wärmeentwicklung: Bei der Kompression von Luft muss die dabei entstehende Wärme aufwendig rückgewonnen werden. Der Energieverlust in hydraulischen Maschinen wirkt sich ebenfalls in Form von Wärmeentwicklung aus. Bei Präzisionsanwendungen wie in Kunststoff-Spritzgießmaschinen muss diese Wärme über Kühlvorrichtungen abgeführt werden.

• Kürzere Taktzeiten: Die höhere Geschwindigkeit und bessere Steuerbarkeit von elektromechanischen Aktuatoren gegenüber Hydraulikzylindern ermöglicht kürzere Maschinendurchlaufzeiten und damit höhere Produktivität. Der Arbeitshub kann dabei bei jedem Takt individuell gewählt werden, um unnötige „Leerhübe“ zu vermeiden. Dies kann zu einer Verkürzung der Taktzeit beitragen.

• Bessere Werkstoffverwertung: Aufgrund ihrer höheren Genauigkeit und gleichbleibenden Betriebsleistung erzielen Elektroantriebe im Vergleich zu hydraulischen Alternativen eine doppelt so hohe Wiederholgenauigkeit.

• Längere Maschinenverfügbarkeit: Elektrische Maschinen haben weniger Verschleißteile und diese befinden sich alle im Kugel- oder Rollengewindetrieb und im Getriebe. Wartungsarbeiten können sich somit auf den eigentlichen Aktuator konzentrieren. Fehlersuchzeiten werden reduziert.

• Einfachere Wartung: Die laufenden Kosten bei elektrisch betriebenen Maschinen sind im Vergleich zu hydraulischen und pneumatischen Antriebslösungen geringer. Die Beschaffung von Öl, Filtern oder Dichtungen entfällt und es fallen damit auch keine entsprechenden Stillstandskosten für den Austausch an. Zudem müssen keine Vorkehrungen gegen Leckagen getroffen werden. Das führt zu Kosteneinsparungen von mehreren Zehntausend Euro jährlich für eine typische Produktionsmaschine. Knapp die Hälfte dieser Einsparung ergibt sich aus anderen Bereichen als dem Energieverbrauch.

Hubzylinder als direkter Ersatz für Pneumatikzylinder in bestehenden Anlagen

Die jüngsten Generationen von elektromechanischen Aktuatoren aus dem Hause SKF bauen auf diesen konstruktionsbedingten Vorteilen auf und liefern eine noch höhere Leistungsfähigkeit und Lebensdauer. Zudem sind sie noch einfacher in Maschinen zu integrieren. So wurde beispielsweise die neue CASM-Baureihe (Bild 3) für anspruchsvolle Arbeitszyklen in der automatisierten Hochgeschwindigkeitsfertigung entwickelt.

Die CASM-Hubzylinder von SKF sind modular aufgebaut und stehen in einer Vielzahl von Standardgrößen zur Verfügung, sodass sie als Ersatz für Pneumatikzylinder in bestehenden Produktionsanlagen eingesetzt werden können. Sie lassen sich mit einer Vielzahl unterschiedlicher Motorentypen einsetzen, was für Anlagenbetreiber ein vereinfachtes Beschaffungs- und Ersatzteilmanagement bedeutet, da sie die Motoren von ihrem bevorzugten Lieferanten beziehen können. Das große zur Verfügung stehende Spektrum an Befestigungsoptionen und Zubehörteilen ermöglicht eine schnelle und unkomplizierte Integration in zahlreichen Anwendungen.

Die Innenkonstruktion der CASM-Lineareinheiten ist auf hohe Leistung und lange Lebensdauer ausgelegt. Die Einheiten sind lebensdauergeschmiert und durch integrierte Filter und einen Abstreifring gegen Beschädigung infolge von Staub- und Schmutzeintritt geschützt. Ein integrierter Magnetring und ein geschlitztes Aluminiumgehäuse ermöglichen den Einsatz externer Sensoren.

CASM-Lineareinheiten mit bürstenlosem Gleichstrommotor

Zur weiteren Vereinfachung der Maschinensteuerung und Systemintegration stehen CASM-Lineareinheiten mit bürstenlosem Gleichstrommotor und integriertem Steuersystem, Bremse und optionaler Feldbus-Schnittstelle zur Verfügung. Da keine externe Motorsteuerung erforderlich ist, senkt die bürstenlose Motorvariante die Installationskosten und reduziert gleichzeitig den Verkabelungsaufwand, da die Motoren über ein einziges Kabel mit Strom versorgt und gesteuert werden können. Auch die Maschineneinrichtung wurde vereinfacht. Ein speziell entwickeltes SKF-Programmiertool ermöglicht das Einstellen der Motorparameter über eine grafische Benutzeroberfläche. Bis zu 14 verschiedene Aktuatorpositionen mit entsprechenden Geschwindigkeiten, Beschleunigungen und Verzögerungen stehen zum Download in den Motor bereit und die Maschine kann anschließend über eine speicherprogrammierbare Steuerung oder einfache Schalter gesteuert werden, sodass für kleinere Maschinen eine sehr kostengünstige „Stand-alone“-Steuerungslösung realisiert werden kann.

Für Anwendungen mit höheren Belastungen bietet SKF neben der modularen Baureihe CASM 100 die neuen elektromechanischen Hubzylinder vom Typ LEMC an (Bild 4), die statt eines Kugelgewindetriebs mit einem Planetenrollen-Gewindetrieb ausgestattet sind. Damit verfügen diese Aktuatoren über eine höhere Leistungsdichte als herkömmliche Ausführungen und ermöglichen Leistungssteigerungen selbst in Umgebungen mit hohen externen Vibrationen. So eignet sich das elektromechanische Aktuatorsortiment von SKF für eine Vielzahl von Anwendungen. MM

* Katja van Schagen ist Leiterin Application Engineering und Produktmanagerin Aktuatorik bei der SKF Linearsysteme GmbH in 97421 Schweinfurt

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