Elektromechanik ersetzt Fluidtechnik
Aktuatoren von Ewellix
Wenn Ingenieure bisher große Kräfte erzeugen oder schwere Lasten bewegen wollten, waren hydraulische Antriebe die erste Wahl. Doch fluidtechnische Systeme bekommen in der Welt der Linearbewegungen ernsthafte Konkurrenz: Elektromechanische Aktuatoren, bestehend aus Präzisionskugel- oder Rollengewindetrieb, bewegt von einem Elektromotor und Getriebe. Elektromechanische Systeme bringen zahlreiche Vorteile bei Leistung, Umweltverträglichkeit, Komplexität und Kosten.
Eine neue Generation elektromechanischer Aktuatoren ermöglicht Anwendern, Hydraulik- und Pneumatikzylinder in einer Vielzahl anspruchsvoller Anwendungen zu ersetzen – sowohl in der Fabrikautomation als auch bei mobilen Maschinen. Nicht nur die Leistung, sondern auch Kostenvorteile spielen beim Umstieg eine Rolle.
Umdenken lohnt sich
Elektromechanische Systeme sind kleiner und leichter als ihre fluidtechnischen Pendants. Sperrige Pumpen, Akkumulatoren, Öltanks und Rohrleitungen entfallen, da der Motor direkt mit dem Aktuator verbunden ist. Die Systeme kommen ohne druckbeaufschlagtes Öl aus – das verringert das Risiko von Bränden, Umweltverschmutzung und Arbeitsunfällen. Zudem arbeiten sie leiser als fluidtechnische Anlagen.
Elektromechanische Systeme bringen darüber hinaus erhebliche Leistungsvorteile. Sie können mit einem breiteren Drehzahl- und Leistungsbereich arbeiten als hydraulische Anlagen und bieten eine höhere Positioniergenauigkeit bei gleichbleibender Leistung. Die Viskosität von Hydraulikölen kann sich abhängig von Laufzeit und Temperatur ändern, was sich negativ auf die Maschinenleistung auswirkt.
Elektromechanische Systeme dagegen arbeiten durchgehend mit präzisen Toleranzen. Die beweglichen Teile basieren auf einer bewährten Wälzlagertechnologie. Dadurch ist es möglich, ihre Lebensdauer unter bestimmten Betriebsbedingungen vorherzusagen.
Da keine zusätzliche Steuerventile und weiteres Zubehör benötigt werden, lassen sich elektromechanische Aktuatoren ganz einfach in die elektronische Steuerung einer Maschine integrieren. Nimmt man darüber hinaus ihr schnelles Ansprechverhalten sowie ihre Positionier- und Wiederholgenauigkeit dazu, erleichtern elektromechanische Systeme ihren Anwendern das Programmieren komplexer Bewegungen und den Bau von Maschinen, die sich schnell an unterschiedliche Prozessanforderungen anpassen lassen.
Wo ist der Haken?
Der Anschaffungspreis einer elektromechanischen Anlage liegt zwar höher als bei hydraulischen Maschinen. Betrachtet man jedoch die Gesamtkosten über den kompletten Lebenszyklus, zeigt sich ein anderes Bild: Elektromechanische Aktuatoren bieten Einsparpotenziale, die die höheren Anschaffungskosten mehr als ausgleichen.
Dafür sind sechs Hauptfaktoren verantwortlich:
Energieeffizienz. Hydraulische Systeme verlieren an mehreren Stellen Energie, zuerst bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Bewegung zum Antrieb der Hydraulikpumpe. Dazu kommen Verluste in der Pumpe selbst, durch Flüssigkeitsreibung in den Übertragungsleitungen und im Aktuator. Insgesamt gibt ein Hydrauliksystem nur etwa 44 Prozent seiner Antriebsleistung ab. Elektromechanische Anlagen hingegen verlieren nur aufgrund der Grenzen des Motorwirkungsgrads und durch Reibung in den Getriebe- und Antriebskomponenten Energie. Ein elektromechanischer Aktuator überträgt in der Regel 80 Prozent seiner Eingangsleistung. Darüber hinaus müssen Hydraulikpumpen in den meisten Anwendungen kontinuierlich laufen, um eine angemessene Reaktionszeit der Maschine zu gewährleisten. Die Leistungsaufnahme elektromechanischer Aktuatoren bei Nichtgebrauch ist Null, und auch im Betrieb ruft er seinen maximalen Energiebedarf immer nur für einen kurzen Moment ab. Damit amortisieren sich die höheren Anschaffungskosten elektrischer Systeme allein durch Energieeinsparungen in wenigen Monaten.
Reduzierte Wärmeentwicklung. Die in hydraulischen Maschinen verlorene Energie wird in Wärme umgewandelt. In Präzisionsanwendungen, wie beispielsweise bei der Herstellung von Kunststoffprodukten, muss diese Wärme mit Hilfe von Kältemaschinen abgeführt werden. Das erhöht den Gesamtenergiebedarf weiter. Elektrisch betriebene Maschinen benötigen aufgrund ihres höheren Wirkungsgrads nur etwa 35 Prozent der Kühlenergie einer hydraulischen Lösung.
Kürzere Zykluszeiten. Durch die höhere Geschwindigkeit und verbesserte Steuerbarkeit elektromechanischer Aktuatoren können Maschinen schneller arbeiten und mehr Leistung bringen, beispielsweise beim Roboter-Punktschweißen in der Automobilindustrie. Zwischen den einzelnen Schweißpunkten muss die am Roboterarm angebrachte Zange geöffnet werden, damit der Arm an die nächste Schweißstelle rücken kann. Fluidtechnische Systeme öffnen die Zange nach jedem Schweißvorgang vollständig. Elektromechanische Anlagen hingegen können so programmiert werden, dass sie sich gerade so weit öffnen, damit die Zange neu positioniert werden kann. Als ein japanischer Automobilhersteller bei der Karosseriefertigung auf eine elektromechanische Schweißzange umstieg, steigerte dies zusammen mit der höheren Geschwindigkeit der neuen Aktuatoren seinen Durchsatz um zehn Prozent – das entspricht 100 zusätzlichen Karosserien pro Tag.
Verbesserte Materialausnutzung. Verbesserte Genauigkeit und Konsistenz bedeutet, dass elektrisch angetriebene Maschinen in der Regel über eine doppelt so hohe Wiederholgenauigkeit verfügen wie hydraulische Alternativen. Das steigert die Qualität und reduziert den Ausschuss. Auch wenn Produkte mit niedrigerer Präzision hergestellt werden, können so erzielte Einsparungen die höheren Kosten für elektromechanische Anlagen in zwei Jahren oder weniger übertreffen.
Erhöhte Betriebszeit. Elektromechanische Anlagen besitzen weniger Verschleißteile als fluidtechnische Maschinen, und alle befinden sich im Kugelgewindetrieb und im Getriebe. Hydraulische Geräte dagegen sind auf ein ganzes Netzwerk aus Ventilen, Schläuchen, Filtern und Dichtungen angewiesen. Ein Ausfall in einem Teil des Systems kann die gesamte Anlage zum Stillstand bringen, bis das Problem erkannt und behoben wird. Ein Problem mit einem Aktuator kann der Anwender dagegen in der Regel durch einen schnellen Austausch des betroffenen Gerätes beheben. Betriebszeit und Maschinenverfügbarkeit sind deshalb bei elektromechanischen Systemen in der Regel zwei Prozent höher als bei hydraulischen Anlagen. Das steigert die Leistung und reduziert die Produktionskosten pro Stück.
Einfachere Wartung. Für elektromechanische Maschinen fallen nur geringe laufende Betriebskosten an. Die Anwender müssen kein Öl, keine Filter und keine Dichtungen kaufen. Sie müssen keine Maschinen anhalten, um diese Teile zu ersetzen, sie müssen kein Geld ausgeben, um Lecks und auslaufenden Flüssigkeiten vorzubeugen oder diese zu beseitigen. Elektromechanische Systeme können zudem mit vollständig integrierten Sensoren zur Zustandsüberwachung ausgestattet werden. Diese machen das Betriebs- und Wartungspersonal auf mögliche Probleme aufmerksam, bevor sie zu einem ungeplanten Stillstand führen.
Zusammengenommen ermöglichen diese Faktoren Einsparungen von mehreren zehntausend Euro pro Jahr für eine typische Produktionsmaschine. Etwa die eine Hälfte dieser Ersparnis stammt aus dem geringeren Energieverbrauch. Die zweite Hälfte entfällt auf andere Bereiche.
Auch bei der neuesten Generation elektromechanischer Aktuatoren baut Ewellix auf all die konstruktiven Vorteile dieser Komponenten auf und erweitert sie, um seine Produkte noch leistungsstärker, langlebiger und leichter integrierbar zu machen.
Die CASM-Reihe hat Ewellix beispielsweise für anspruchsvolle Einsätze in der automatisierten Hochgeschwindigkeits- und Großserienproduktion entwickelt. CASM-Aktuatoren können Pneumatikzylinder in bestehenden Produktionsanlagen ersetzen. Sie sind modular aufgebaut und in allen Standardgrößen erhältlich. Sie können mit verschiedenen Motortypen betrieben werden. Damit kann der Anwender alle Aktuatoren mit Motoren von einem Hersteller ausstatten und damit sein Ersatzteilmanagement vereinfachen. Eine große Auswahl an Optionen und Zubehör ermöglicht die einfache Integration in zahlreiche Anwendungen.
Die CASM-Aktuatoren sind für sehr hohe Leistung und lange Lebensdauer ausgelegt. Hochwertige Lager und Kugel- und Gewindespindeln sorgen mit ihrer geringen Reibung für Energieeffizienz und mit ihrem geringen Axialspiel für große Präzision. Die Geräte sind lebensdauergeschmiert und damit wartungsarm. Sie besitzen integrierte Filter und einen Abstreifring, um Schäden durch eindringenden Staub und Schmutz zu verhindern. Ein Magnetring und ein geschlitztes Aluminiumprofilgehäuse erleichtern den Einbau externer Sensoren.
Um die Maschinensteuerung und die Systemintegration weiter zu vereinfachen, ist die CASM-Reihe mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor mit Motion Controller, Bremse und optionaler Feldbusschnittstelle ausgestattet. Damit benötigen Anwender keine externe Motorsteuerung mehr. Das reduziert die Installationskosten und vereinfacht die Verkabelung, da die Motoren über ein einziges Kabel gespeist und gesteuert werden können. Über die grafische Benutzeroberfläche des Ewellix-Programmiersets können Anwender die Maschinen einfach konfigurieren und alle Motorparameter einstellen.
Bis zu 14 verschiedene Aktuatorstellungen mit zugehörigen Geschwindigkeiten, Beschleunigungen und Verzögerungen können in den Motor geladen werden. Die Steuerung der Maschinen erfolgt anschließend über eine SPS oder einfache Schalter. So entsteht ein sehr kostengünstiges, eigenständiges Motion Control System für kleinere Maschinen.
Die neuen Aktuatoren der LEMC-Serie von Ewellix, die für Anwendungen mit höherer Belastung ausgelegt sind, verwenden eine Planetenrollenspindel statt einer Kugelrollspinde. Damit verfügt der Aktuator über eine höhere Leistungsdichte als herkömmliche Ausführungen und ist unempfindlicher gegen starke Vibrationen aus der Einsatzumgebung.
Wie die CASM-Reihe ist auch die LEMC-Serie modular aufgebaut und kann für viele verschiedene Anwendungen und eine Reihe von Motortypen konfiguriert werden. Neben konventionellen Servomotoren lassen sie sich auch mit einem integrierten Getriebe und einem intelligenten Asynchronmotor betreiben. So erhält der Anwender zusätzliche Sicherheits- und Maschinenschutzfeatures mit integriertem Softstart. Die Steuerung ist für NFC (Near Field Communication) eingerichtet. So kann das Wartungspersonal Anpassungen bequem mit dem Smartphone vornehmen.
