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Antriebe

Gleiche Spielregeln dank Mechatronik

| Autor/ Redakteur: Josef Kraus /

Die Mechatronik hat in der Automatisierungstechnik zu mehr Gleichheit bei der Ansteuerung unterschiedlicher Antriebe geführt. Seitdem spielen hydraulische und pneumatische Antriebe wieder verstärkt ihre eigentlichen Vorteile aus. So ist die Pneumatik heute in der Lage, in Anwendungen der Elektromechanik vorzudringen.

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Kennzeichnend für diese pneumatische Ventilinsel (Airbox) von Kuhnke ist die Funktionsintegration von Busansteuerung, Vorsteuerventil und Schieberventil mit Rückmelde-Eingängen.
Kennzeichnend für diese pneumatische Ventilinsel (Airbox) von Kuhnke ist die Funktionsintegration von Busansteuerung, Vorsteuerventil und Schieberventil mit Rückmelde-Eingängen.
( Archiv: Vogel Business Media )

Wer sich erfolgreich auf dem Markt behaupten will, muss neue Trends frühzeitig erkennen. Ein solcher Trend ist die Mechatronik: das Zusammenspiel von Mechanik und Elektronik auf engstem Raum. Davon hat in der Antriebstechnik nicht nur die Elektromechanik profitiert, sondern auch die Hydraulik und Pneumatik, die heute im Wettbewerb mit der Elektromechanik gleichberechtigt ihre Vorteile ausspielen können. So geben heute mechatronische Entwicklungen der Pneumatik die Möglichkeit, in Anwendungsbereiche der Elektromechanik einzudringen.

Die Pneumatik hat die größte Verbreitung in der rein gesteuerten Antriebstechnik. Geht es nach dem Leiter Grundlagenentwicklung bei der Kuhnke Automation GmbH & Co. KG, Malente, wird sich künftig daran nicht allzu viel ändern. Denn die traditionellen Vorteile pneumatischer Antriebe wie hohe Leistungsdichte, hohe Dynamik und niedriger Preis, sind noch immer in vielen Fällen entscheidend.

„Das wird sicherlich auch in Zukunft dafür sorgen, dass ein großer Teil der pneumatischen Antriebe einfache Zylinder ohne die Möglichkeit einer Positionierung zwischen den mechanischen Endanschlägen sein werden“, meint Dr. Jens Storjohann. Sie blieben einfache Komponenten im Gesamtsystem, das „in der Regel mechatronisch“ sei.

Diese Entwicklung begann mit dem Einzug der Mikroelektronik in pneumatische Systeme Dadurch wuchsen physikalische und elektronische Komponenten zu Einheiten zusammen. Es entwickelte sich die Elektropneumatik. „Sie ist in der Regel Bestandteil eines mechatronischen Systems“, erläutert Dr. Ruediger Neumann , Manager Forschung Mechatronik Systeme bei der Festo AG & Co. KG, Esslingen.

Das macht Neumann am Beispiel der servopneumatischen Parallelkinematik zum Antrieb eines Roboters deutlich: „Die Pneumatik bildet die Antriebstechnik innerhalb eines mechatronischen Systems.“ Voraussetzung dabei ist, dass die Auslegung der Mechanik, Elektronik und Datenverarbeitung nicht unabhängig voneinander geschieht. Alle Komponenten müssten, so der Festo-Forschungsingenieur „aufeinander abgestimmt“ sein

Elektronik wird Antriebs- und Steuerungsteil getrennt

Dabei übernimmt der Feldbus die Verbindung zur zentralen Steuerung. Er trennt damit die Elektronik in einen Steuerungs- und Antriebsteil. In der industriellen Automatisierungstechnik ist er daher laut Storjohann „eine treibende Kraft für die Weiterentwicklung der Pneumatik zur mechatronischen Lösung.“ So treiben Feldbus-Anwendungen in der Pneumatik die Integration der elektronischer Ansteuerungs- und Überwachungsfunktionen bei Ventilen voran, zum Beispiel bei Schaltventilen.

Dadurch wird laut dem Leiter Grundlagenentwicklung bei Kuhnke Automation „der Kundenwunsch nach noch schnelleren und kleineren Geräten erfüllt. „Die Möglichkeit der direkten oder mindestens indirekten elektrischen Ansteuerung eines Antriebssystems ist eine unabdingbare Voraussetzung zur Weiterentwicklung in Richtung Mechatronik“, erläutert Storjohann.

Zum Beispiel ist in einem pneumatischen Servoventil ein geregelter elektromechanischer Antrieb integriert. Auch er ist ein mechatronisches System. Das zeigt für Neuman, dass die Pneumatik nicht nur Bestandteil der Mechatronik sein kann, sondern auch umgekehrt. Diese Entwicklung hat laut dem Forschungsingenieur bei Festo zu einem breiteren Anwendungsspektrum pneumatischer Antriebe geführt: „Mechatronische Systeme in der Fluidtechnik ermöglichen einen viel breiteren Einsatz von pneumatischer Antriebstechnik.“ Sogar über die der klassischen Anwendungen hinaus „Die Geräte in der Medizintechnik sind wichtige Vertreter der Pneumatik in der Mechatronik“, sagt Storjohann.

In diesen Geräten steuern Ventile zum Beispiel die Atemluft. Außerdem kommen darin pneumatische Antriebe zur Anwendung. Die Mechatronik sorgt dabei für erhöhte Sicherheit, genauere Einstellbarkeit und verbesserten Bedienungskomfort. Dazu wird ein erhöhter Aufwand betrieben, der laut dem Leiter Grundlagenentwicklung „auch in Zukunft erforderlich“ ist.

In der industriellen Automatisierungstechnik wird der geregelte pneumatische Antrieb eher die Ausnahme bleiben. Den Grund dafür sieht Storjohann in den Kosten, die trotz der technischen Vorteile mechatronischer Systeme „ein wichtiger Faktor“ sind. Sie setzen sich im Wesentlichen aus den Kosten für den pneumatischen Antrieb, die Steuerung, und die Sensorik zusammen. Außerdem kommen noch Entwicklungs- und Montagekosten dazu.

In der Summe ist das noch für viele pneumatische Anwendungen in der industriellen Automatisierungstechnik zu teuer. So kam dort die Mechatronik erst viel später auf. „Im Prinzip ist die Mechatronik schon seit mehr als 50 Jahren bekannt, sagt Storjohann, „insbesondere aus der Militärtechnik.“ Damals gab es für das Zusammenspiel von Mechanik und Elektronik das Kunststoffwort „Mechatronik“ noch nicht.

Kosten sind immer noch zu hoch

Vor allen die Kosten der Sensorik sind für den Manager bei Kuhnke Automation „immer noch zu hoch“. Sie passen nicht ins Preisgefüge der eigentlichen pneumatischen Antriebskomponenten. „Aus diesem Grund werden gerade sensorlose pneumatische Komponenten die wichtigsten Vertreter der Mechatronik in der Pneumatik bleiben“, ist Storjohann überzeugt. Dazu gehörten busgesteuerte Ventile. Sie erfüllten die Anforderungen mechatronischer Systeme: „Technisch betrachtet, muss das Antriebssystem über elektrische Signale zu steuern und in der mechanischen Reaktion reproduzierbar sein.“ Das ist mit busgesteuerten Ventilen und pneumatischen Antrieben möglich.

In der Praxis kommt es jedoch nicht nur auf die technische Umsetzbarkeit an. So stellt Storjohann immer wieder fest, dass „für eine bestimmte bekannte Antriebsart“ Partei ergriffen wird. Diesbezüglich seien außer Hochschulen und Verbänden auch die Antriebsspezialisten der Fluidtechnik gefordert, Schulungen vorzunehmen und Entwicklungen zu unterstützen.

So engagiert sich der Antriebsspezialist Kuhnke Automation zum Beispiel im Forum Mechatronik im VDMA, um Trends zu erkennen und zu diskutieren. „Für die Entwicklung wirklich innovativer Produkte sind die Kontakte zu Kunden und Wettbewerbern ein wichtiger Bestandteil einer 360°-Positionierung“, erläutert Storjohann. „Denn letztendlich müssen alle Aktivitäten zu einem profitablem Wachstum führen.“

Als Beispiel dafür verweist er auf die Ventilinsel Airbox von Kuhnke Automation. Bei dieser Entwicklung führt Storjohann als Kundennutzen vor allem die Integration von Busansteuerung, Vorsteuer- und Schieberventil an, ferner die Möglichkeit auch Rückmeldeeingänge zu nutzen.

Interview

Die Weiterentwicklung zur Elektrohydraulik hat den hydraulischen Linearantrieben nicht nur mehr Regelungsgenauigkeit und Reproduzierbarkeit gebracht, sie sind heute auch wesentlicher Bestandteil der leistungsstärksten mechatronischen Systeme, so Hänchen-Entwicklungsleiter Klaus G. Wagner.

MM: Das Wort Mechatronik ist ein Gebilde aus den Begriffen Mechanik und Elektronik. Spielt die Hydraulik bei mechatronischen Systemen keine Rolle?

Wagner: Ganz im Gegenteil. Mit der Integration von Elektronik und Mechanik durch den Einbau elektronischer Wegmesssysteme in den druckführenden Teil von Hydraulikzylindern hat Hänchen bereits vor über 20 Jahren das begonnen, was heute als Mechatronik bezeichnet wird. Und mit unserer Systemlösung Ratio-Drive bieten wir seit Jahren eine vollständige elektrohydraulische Achse an, bestehend aus Zylinder, Ventil, hydraulischer Peripherie, Sensoren, Hochleistungsregler und einer von Hänchen entwickelten Software. Der Kunde erhält dies alles maßgeschneidert aus einer Hand, entsprechend seinen Anforderungen. Eine umfassendere mechatronische Lösung für einen Linearantrieb ist kaum denkbar. Wir sprechen deshalb seit Jahren ausdrücklich von der Hydro-Mechatronik.

MM: Wie beurteilen Sie die Bedeutung der Hydraulik für mechatronische Systeme?

Wagner: Die Hydro-Mechatronik erlaubt die Entwicklung der leistungsfähigsten mechatronischen Systeme überhaupt. Denn die Kraftdichte eines Hydraulikzylinders wird von keiner anderen Antriebstechnik erreicht. Dies drückt sich unter anderem darin aus, dass die allermeisten hydraulischen Systeme elektrisch oder elektronisch angesteuert werden.

MM: Welche Voraussetzungen muss die Hydraulik als Bestandteil mechatronischer Systeme erfüllen?

Wagner: Präzision in der absoluten Positionierung, höchste Wiederholgenauigkeit, hohe Kraftdichte bei geringer Masse der bewegten Teile, hohe Dynamik und hohe Standfestigkeit. Bei unseren Testzylindern erreichen wir Wartungsintervalle von Milliarden Lastwechseln mit einer Kraft von mehreren hundert Kilonewton. Deshalb sind wir überzeugt, dass das in der Hydro-Mechatronik realisierte Zusammenspiel von Mechanik, Elektronik und Hydraulik optimale Leistungen ermöglicht.

MM: Die Hydraulik hat sich zur Elektrohydraulik weiterentwickelt. Ist damit deren Bedeutung für die Mechatronik gestiegen?

Wagner: Ja, denn der Marktanteil elektronisch geregelter hydraulischer Linearantriebe nimmt ständig zu. Für Hänchen sind sie ein Hauptumsatzträger.

MM: Hänchen Hydraulik engagiert sich im Forum Mechatronik des VDMA. Was verspricht man davon?

Wagner: Durch unsere Mitarbeit möchten wir im Interesse der gesamten Fachgruppe neue Anwendungsbereiche für die Hydraulik durch den Einsatz hydro-mechatronischer Systemlösungen erschließen. Denn im Rahmen einer Gesamtrechnung bieten hydraulische Antriebskomponenten durch ihre Kompaktheit häufig auch ein finanzielles Sparpotenzial.

MM: Wo sehen Sie derzeit Anwendungen, bei denen die Hydraulik wichtiger Teil mechatronischer Systeme ist?

Wagner: Solche Projekte finden sich überall dort, wo Hydraulik-Zylinder wichtiger Teil einer Anlage oder Maschine sind und kraft-, druck- oder weggeregelt bewegt werden. Die Anwendungspalette reicht von Kunststoff-Spritzgießmaschinen über den dynamischen Langzeittest des neuen Airbus A380, Werkzeugmaschinen, Fahrzeugtests mit 4-Stempel-Prüfanlagen, Betriebsfestigkeitstests von Komponenten, Hexapoden für Erlebniskinos, verschiedene Positionieraufgaben bis hin zu der geregelten Bewegung einer Kokille mit 60 t flüssigem Stahl. Die Möglichkeiten der Hydro-Mechatronik schaffen neue Horizonte für die Konstruktion.

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