Gesteuertes Gegenbelüften verbessert die Antriebsdynamik

Um die Dynamik pneumatischer Antriebe zu erhöhen, wurde ein Schaltungskonzept mit Gegenbelüftungssteuerung entwickelt. Es ermöglicht, die Taktzeit um bis zu 70% zu verkürzen, obwohl man zum Aufbau...

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Um die Dynamik pneumatischer Antriebe zu erhöhen, wurde ein Schaltungskonzept mit Gegenbelüftungssteuerung entwickelt. Es ermöglicht, die Taktzeit um bis zu 70% zu verkürzen, obwohl man zum Aufbau übliche Komponenten verwendete und eine Erhöhung des Luftverbrauchs sowie eine damit verbundene Verschlechterung des Wirkungsgrads vermied. Bei der Auslegung war eine Simulationssoftware sehr hilfreich.In vielen industriellen Anwendungen werden pneumatische Systeme, bestehend aus Kompressor, Leitungsnetz, Ventilen und Antrieben, eingesetzt. Insbesondere in der Handhabungs- und Automatisierungstechnik bewertet man die einfache und preiswerte Installationsmöglichkeit, die Überlastsicherheit und die hohe Dynamik der pneumatischen Antriebe im Vergleich zu den elektrischen Antrieben positiv. Betrachtet man jedoch die Energiebilanz einer konventionellen pneumatischen Anlage, so wird der geringe Wirkungsgrad deutlich.Als wesentliche Entwicklungsziele können daher die Optimierung des Wirkungsgrads zur Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit und die Erhöhung der Systemdynamik zur Festigung der bestehenden Vorrangstellung betrachtet werden. Diese Forderungen sind jedoch prinzipbedingt nicht gleichzeitig zu erfüllen. Bild 1 verdeutlicht diesen Konflikt und zeigt die Charakteristiken verschiedener Schaltungsvarianten. So ermöglicht die Expansionsschaltung durch Nutzung von Speichern beispielsweise die Reduzierung des Luftverbrauchs [1], jedoch kann sie nicht die Taktzeit des Antriebs auf dem Niveau einer konventionell betriebenen Schaltung halten. Ebenso ist es im - als extremsten Fall angesehenen - ungedrosselten Betrieb zwar möglich, die mittlere Geschwindigkeit deutlich zu erhöhen, der Bedarf an Luftvolumen steigt jedoch inakzeptabel an. Ein Ziel ist daher, einen Kompromiss zu finden, der gegenüber der abluftgedrosselten Schaltung mit interner Endlagendämpfung - im Folgenden kurz Standardschaltung genannt - eine moderate Geschwindigkeitssteigerung bei gleichzeitig reduziertem Luftverbrauch erreicht.Endlagendämpfung verbessert AntriebsdynamikIm Rahmen eines von der AiF geförderten und vom Arbeitskreis Pneumatik im VDMA begleiteten Forschungsvorhabens wurden am IFAS Untersuchungen zur Steigerung des Leistungspotenzials pneumatischer Antriebe unter Berücksichtigung dynamischer und energetischer Kriterien [2] durchgeführt. Die Ausführungen in dieser Veröffentlichung beschränken sich auf die zur Erhöhung der Geschwindigkeit durchgeführten Untersuchungen, die unter bestimmten Voraussetzungen ebenfalls ein Potenzial zur Energieeinsparung bieten.Mit Hilfe der pneumatischen Endlagendämpfung wird die kinetische Energie des Kolbens in der Endlage abgebaut. Obwohl die pneumatische Endlagendämpfung somit die Dynamik des Antriebs verbessert, ist deren weitere Steigerung stark limitiert, weil die dissipierbare Energie begrenzt ist [3]. Der Zylinderkolben darf in der Regel nur mit einer maximalen Geschwindigkeit, die von der bewegten Masse abhängig ist, in die Dämpfung ,,einfahren". Die untere Kurve in Bild 2 zeigt den Geschwindigkeitsverlauf einer so betriebenen Schaltung, die sich asymptotisch der zulässigen Maximalgeschwindigkeit nähert (waagerechte Linie). Diese Maximalgeschwindigkeit wird extern über eine entsprechende Abluftdrosselung eingestellt.Durch den Einsatz der Abluftdrosselung wird jedoch das hohe Beschleunigungsvermögen des Pneumatikzylinders nur geringfügig ausgenutzt. Viel interessanter scheint es daher zu sein, den Kolben über den größten Teil des Hubes mit einer viel höheren Geschwindigkeit zu betrieben und diese erst unmittelbar vor Erreichen der Endlage auf den zulässigen Maximalwert zu reduzieren. Prinzipiell sind vor Erreichen der Endlage zwei Geschwindigkeitsprofile denkbar. Zum einen kann der Antrieb so betreiben werden, dass der Abbremsvorgang genau am Endanschlag zum Abschluss kommt und so die Endlagendämpfung nicht benötigt wird (obere durchgezogene Kurve). Jedoch führt ein solches Vorgehen - völlig ohne Dämpfung - zu einem gegenüber äußeren Einflüssen empfindlichen System und ist praktisch nur schwer zu realisieren. Zum anderen ist es günstiger, wenn der Kolben zu Beginn der Endlagendämpfung bereits die maximal zulässige Geschwindigkeit erreicht hat und dann durch die Dämpfung bis zum Stillstand abgebremst wird (obere gestrichelte Kurve).Eine Möglichkeit zur Realisierung der beschriebenen Bewegungsform ist das gesteuerte Gegenbelüften der Zylinderkammern wie in Bild 3 dargestellt. Der Zylinder wird zunächst über Ventil V1 belüftet und fährt aus. Durch große Be- und Entlüftungsquerschnitte der beiden Ventile kann eine sehr hohe Geschwindigkeit erreicht werden. Rechtzeitig vor der Endlage schalten die beiden Ventile um. Das heißt: Die kolbenbodenseitige Zylinderkammer wird in die Umgebung entlüftet und die kolbenstangenseitige Zylinderkammer mit dem Netzdruck verbunden. Dadurch baut sich in der kolbenstangenseitigen Zylinderkammer ein Gegendruck auf, der den Zylinder gezielt verzögert.Simulationssoftware vereinfacht ParametrierungErst unmittelbar vor der Endlagendämpfung steuert man wieder die Ventile um, so dass der Zylinder vollständig in die Dämpfung eingeschoben wird. Beim Einfahren sind die Ventile entsprechend umgekehrt geschaltet. Die Schaltzeitpunkte für die Ventile werden in Abhängigkeit von der Position und der Bewegungsrichtung des Zylinders vorgegeben. Die Schaltung lässt sich mit Hilfe einfacher Näherungsschalter realisieren, die die Schaltimpulse für die Ventile liefern. Bei einer bestehenden Antriebskonfigurationen können die Näherungsschalter auch nachträglich am Zylinderkörper angebracht werden. Die Parametrierung des Antriebskonzepts ,,Gegenbelüftung" erfordert eine feinfühlige Einstellung der Schaltzeitpunkte. Ferner kann der Antrieb durch ungünstige Parameterwahl beschädigt werden. Aus diesem Grund wurde ein computerunterstütztes Auslegungswerkzeug zur Parametrierung der Schaltung entwickelt. Das am IFAS eingesetzte Simulationstool DSHplus stellt die Grundlage dieser automatisierten Optimierung dar [4]. Bild 4 zeigt das Simulationsmodell eines Pneumatikzylinders, der sich mit Hilfe von zwei 3/2-Wegeschaltventilen gesteuert verfahren lässt. Die Zustandsgrößen des Zylinders werden an die Eingänge des Signalbauteils ,,Güte" angeschlossen. Dieses Bauteil bewertet die Güte eines durchgeführten Aus- oder Einfahrvorgangs in Abhängigkeit der gewählten Schaltzeitpunkte. Am Signalbauteil ,,Steuerung" werden die Schaltpunkte zur Gegenbelüftung parametriert. Diese werden mit Hilfe einer automatisierten Parametervariation innerhalb der vom Anwender vorgegebenen Intervalle verändert.Nachdem die Parameter der pneumatischen Bauteile eingegeben wurden, muss in der Entwicklungsumgebung von DSHplus der Optimierungsalgorithmus gestartet werden. Dieser Algorithmus verstellt nun so lange die Schaltpunkte des Gegenbelüftungsintervalls und den Querschnitt der Endlagendämpfung, bis das Gütekriterium einen geforderten Wert unterschreitet.Die im Rahmen dieser Offline-Simulation ermittelten Schaltzeitpunkte sowie die Öffnungsgrade der Endlagendämpfung werden letztlich auf den realen Antrieb übertragen. Zu beachten ist, dass die gefundenen Parameter ihre Gültigkeit nur für diese Antriebskonfiguration (Last, Ventile und andere Komponenten) haben.Abschließend soll die Geschwindigkeitssteigerung, die sich mit dem Antriebskonzept ,,Gegenbelüftung" erreichen lässt, aufgezeigt werden. In Bild 5a ist die Zykluszeit einer optimierten der einer konventionellen Schaltung mit Abluftdrosselung bei verschiedenen Lasten gegenübergestellt. Es ergibt sich eine nahezu gleichmäßige Zeitersparnis von etwa 70%, unabhängig von der bewegten Masse.Diese enorme Steigerung wird dabei nicht mit einem erhöhten Luftverbrauch erkauft, wie in Bild 5b zu erkennen ist. Man erreicht sie vor allem dadurch, dass der Kolben während der Gegenbelüftungsphase in der Lage ist, Druckluft in das Leitungsnetz zurückzuspeisen. Außerdem entnimmt man dem Luftnetz nur kurzzeitig (kurze Schaltzeiten der Ventile) große Luftmengen, was ebenfalls zu einer positiveren Bilanz führt. Somit ist das Verfahren der Gegenbelüftung nicht nur deutlich schneller als der Referenzantrieb, sondern erreicht unter bestimmten Vorraussetzungen sogar einen niedrigeren Luftverbrauch. Bei Lasten unterhalb von 10 kg - das entspricht etwa 25% der maximalen Last des Antriebs - erweist sich die Anwendung dieses Verfahrens allerdings als problematisch, weil die geringen Lasten das System nicht ausreichend dämpfen.Die erzielten Verbesserungen von über 70% werden als das mit den gegebenen Mitteln zu verwirklichende Maximum angesehen. Eine weitere Geschwindigkeitsoptimierung ist nur noch mit geregelten Antrieben möglich [5], wobei die Regelparameter an die Antriebskonfiguration angepasst werden müssen.Simulationssoftware als Mittel zur schnellen DimensionierungDie Ergebnisse verdeutlichen den beachtlichen Nutzen rechnergestützter Verfahren bei der Einführung neuer Konzepte oder Technologien. Im Falle der Gegenbelüftung ermöglicht das Optimierungstool eine kostengünstige Dimensionierung des ausgewählten Antriebs und vermeidet die Beschädigung der Komponenten. Im Rahmen des Projekts wurde - durch die sinnvolle Kombination eines Simulationswerkzeugs mit dem erstellten Konstruktionskatalog - eine bedienerfreundliche Dimensionierungshilfe geschaffen, die es ermöglicht, einen gegenbelüfteten Antrieb komfortabel auszulegen.Weitergehende Untersuchungen seitens der Hersteller sind jedoch nötig, um die speziellen Einsatzgrenzen der eigenen Antriebe in die Dimensionierung mit einzubringen und damit einerseits Überlastungen der Antriebskomponenten zu vermeiden, andererseits eventuell vorhandenes weiteres Verbesserungspotenzial zu erschließen.Die hohen Taktzeiteinsparungen von etwa 70% und die konkurrenzlose Anwendung im erreichbaren Geschwindigkeitslastbereich machen dieses Verfahren auch wirtschaftlich sehr interessant.Literatur [1]Giesen, N.: Energiesparende Pneumatik. Fluid 6/1982, S. 36-39.[2]Bauer, F.: Steigerung des Leistungspotenzials pneumatischer Antriebe unter Berücksichtigung dynamischer und energetischer Kriterien. Abschlussbericht RWTH Aachen 2000.[3]Murrenhoff, H.: Grundlagen der Fluidtechnik, Teil 2: Pneumatik. Umdruck zur Vorlesung RWTH Aachen 1999.[4]N.N.: Benutzer-Handbuch DSHplus. Aachen: Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen 2000[5]N.N.: Der Pneumatik-Katalog. Esslingen: Festo AG & Co. 2000/2001