Mit Elektrozylindern auf dem Weg zur druckluftfreien Produktion

Die Elektrozylinder der Serie AA3000 von Beckhoff eignen sich optimal als Direktantrieb für lineare Applikationen mit hohen Prozesskräften und -geschwindigkeiten. Dabei treffen die Vorteile hinsichtlich Kraft, Dynamik und Kompaktheit auf die Vorzüge der Servotechnik, wie z. B. geregelte Positionierung, sicheres Halten im Stillstand und hohe Energieeffizienz. Es sind alle Voraussetzungen gegeben, um in Produktionsanlagen auf energieintensive Pneumatikzylinder und somit auf eine Druckluftversorgung insgesamt verzichten zu können.

Das Ziel in typischen Anwendungsbereichen ist, eine hohe Kraft dynamisch und ohne den Einsatz von Druckluft zu erzeugen. Die Elektrozylinder der Serie AA3000 eignen sich hierfür ideal, denn unter Berücksichtigung der bei konventionellen Pneumatikzylindern erforderlichen Zeit für den Druckaufbau reagiert die moderne servomotorische Variante schneller und zudem deutlich besser steuerbar und energieeffizienter.

Trotz der sehr kompakten Bauform bieten die Elektrozylinder hohe Spitzenkräfte von bis zu 25.000 N. Dabei sind sie analog zur Norm DIN ISO 15552 aufgebaut, sodass sich der Ersatz von Pneumatikzylindern sehr einfach gestaltet. Für eine weitere Aufwandsminimierung bei Installation und Einsatz sorgen die integrierte Verdrehsicherung der Spindel sowie das vorprogrammierte, intelligente Absolutgebersystem für einfache Plug-and-Play-Installation inkl. Endlagenüberwachung.

Die Systemvorteile im Detail

Die konstruktive Umsetzung des Elektrozylinders von Beckhoff beruht auf dem Hohlwellenprinzip, was die kompakteste Möglichkeit für den mechanischen Aufbau darstellt. Weiterhin lässt sich auf diese Weise die erwähnte Kompatibilität zu den konventionellen Pneumatikzylindern sehr gut erreichen.

Die integrierte Mechanik aus präzisen Wälzlagern, Kugelgewindetrieb und Führung sorgt bei den Elektrozylindern AA3000 für eine spielfreie, rein translatorische Bewegung – bei sehr kompakten Abmessungen. Das Wellenende der Spindel verfügt über ein Außengewinde, auf dem sich handelsübliche Adapter aus dem Pneumatik-/Hydrauliksortiment, wie z. B. Kugelköpfe oder Spannhaken, montieren lassen. Das Flanschmaß ist an die DIN ISO 15552 angelehnt und verfügt beidseitig über Anschraubpunkte, falls eine Applikation z. B. eine Schwenkaugenanbindung erfordert. Durch diese Kompatibilität fällt der Umstieg von der Pneumatik auf die elektrische Antriebstechnik besonders leicht. Als besonderes Feature kommt die integrierte Verdrehsicherung der Spindel hinzu. Der Elektrozylinder AA3000 ist also ein komplett einsatzbereites System, ohne dass eine zusätzliche Mechanik, z. B. eine Drehmomentstütze, angebaut werden muss.

Der verbaute, sichere 24-Bit-Multiturn-Encoder (SIL 2) bietet neben der hohen Auflösung die Vorteile der One Cable Technology (OCT) und des elektronischen Typenschilds für eine schnelle und einfache Inbetriebnahme. Damit lässt sich der Elektrozylinder zusammen mit dem Servoverstärker AX8000 auch nahtlos in die TwinSAFE-Lösung zur effizienten Umsetzung der Maschinensicherheit einbinden. Weiterhin ermöglicht der AA3000 ohne die bei Pneumatikzylindern erforderliche Zusatzsensorik den unkomplizierten Zugang zu Prozessdaten, mit deren Hilfe sich die Prozessleistung einfach und schnell optimieren lässt.

Die Integration in PC-based Control

Einen weiteren großen Vorteil bietet die direkte Einbindung des Elektrozylinders in die PC-basierte Steuerungswelt von Beckhoff. Ein gutes Beispiel für den Nutzen des damit verbundenen Plug-and-Play-Gedankens ist die integrierte Endlagenüberwachung, ohne die es bei der Inbetriebnahme zur Beschädigung oder sogar Zerstörung des Aktuators bzw. von betroffenen Maschinenteilen kommen kann. Beim AA3000 sind hingegen im elektronischen Typenschild bereits entsprechende Softanschläge hinterlegt, sodass solche Inbetriebnahmefehler verhindert werden.

Die tiefgehende Integration in ein umfassendes Steuerungssystem wie PC-based Control bieten nur sehr wenige Elektrozylinder am Markt. Dabei erschließt sich für den Maschinen- und Anlagenbauer erst damit das volle Optimierungspotenzial dieser präzise regelbaren Aktuatoren. Zudem vereinfacht sich für den Anwender durch ein durchgängiges Engineeringtool mit entsprechender Funktionalität, z. B. TwinCAT 3 Motion Designer, auch der praktische Einsatz eines Elektrozylinders. Von solch einer komfortablen Lösung aus einer Hand profitiert man insbesondere bei Applikationen, bei denen bislang Pneumatikzylinder eingesetzt wurden und somit der Schwerpunkt auf Mechanik- und Druckluft-Know-how lag. Hier kann der Elektrozylinder AA3000 quasi als 1:1-Ersatz und ohne zusätzliches Spezialwissen, aufwendige Programmierung oder komplexe Parametrierung eingesetzt werden.

Die vielfältigen Einsparpotenziale

Typische Anwendungsbereiche, in denen die Elektrozylinder AA3000 ihre Vorteile ausspielen können, finden sich überall dort, wo bislang Pneumatikzylinder oder auch kleine Hydraulikzylinder eingesetzt werden. Beispiele sind Schweiß- oder Nietzangen, Press- und Fügeanwendungen sowie Dosier- und Handlingsysteme. Insgesamt eignen sich alle Applikationen, bei denen Linearbewegungen mit hoher Kraft benötigt werden.

Dabei erschließen Elektrozylinder auf vielfältige Weise Optimierungs- und Einsparpotenziale. Als fertige Komplettlösung reduzieren sie im Vergleich zu pneumatischen Systemen, mit deren zusätzlicher Mechanik z. B. für Endanschläge, den Konstruktions- und Montageaufwand deutlich. Hinzu kommt die hohe Steifigkeit des Systems mit dem sehr schnellen Kraftanstieg und der guten Regelbarkeit der zu erzielenden Kraft, was letztendlich zu einer besseren Prozesssteuerung führt. Die einfachen Justierungsmöglichkeiten – komfortabel per Software und ohne mechanische Änderungen an der Maschine – erhöhen die Prozessflexibilität insgesamt deutlich. Selbst servopneumatische Lösungen sind hier langsamer, komplexer und meist auch kostenintensiver.

Weitere Vorteile bietet die hohe Funktionalität der Elektrozylinder, die durch die elektronische Rückmeldung von Position und Kraft – ohne die bei der Pneumatik notwendige Zusatzsensorik – gegeben ist. Dies eröffnet verschiedenste Möglichkeiten z. B. zur umfassenden Protokollierung für die Qualitätssicherung oder zur Minimierung des Produktionsaufwands. Zudem lassen sich anders als bei Pneumatikzylindern, bei denen in der Regel nur die Anfangs- und Endpositionen bekannt sind, beliebige Bewegungsprofile fahren. Dies trägt ebenfalls zur gesteigerten Prozesseffizienz und -qualität bei.

Von großer Bedeutung ist der Nachhaltigkeits- und Umweltaspekt. Hierzu zählt einerseits die hohe und besser berechenbare Lebensdauer der Elektrozylinder. Pneumatikzylinder erreichen in der Regel nur einen Bruchteil davon – typische Wartungsintervalle von 1 bis 2 Mio. Zyklen entsprechen nur einem Zehntel. Andererseits bedeutet der Einsatz von Elektrozylindern weniger Produktionsaufwand, geringere Betriebskosten, das Vermeiden einer Umgebungsverunreinigung durch ölhaltige Luft sowie einen durch präzisere Prozessabläufe sinkenden Rohstoffbedarf. Hinzu kommt häufig die grundsätzliche Forderung nach einem energieeffizienteren Produktionsbetrieb ohne eine Druckluftversorgung – mit entsprechend besserer CO₂-Bilanz.

Die konkreten Anwendungsvorteile

Wie sich die Vorteile der vollständigen Bewegungskontrolle mit kontinuierlichem Feedback in der Praxis auswirken, lässt sich anhand eines Einpressvorgangs als Anwendungsbeispiel gut verdeutlichen: Setzt man einen Pneumatikzylinder für den Einpressvorgang ein, wird dieser in der Regel eher zu groß und dementsprechend auch mit zu hohem Luftverbrauch ausgelegt. Auf diese Weise soll sichergestellt werden, dass eine vom Prozess benötigte Mindestkraft immer zuverlässig erreicht wird – auch wenn meist eine höhere Kraft zum Einsatz kommt. Zudem zeigen die Endlagensensoren bei der Pneumatiklösung lediglich an, dass eine vorgegebene Mindest-Einpresstiefe erreicht wurde. Weitere Prozessrückmeldungen sind nur über zusätzliche Sensorik und eine zugehörige Auswerteelektronik möglich, was einen entsprechenden Mehraufwand hinsichtlich Kosten, Material und Engineering bedeutet.

Kommt bei einem solchen Einpressvorgang hingegen ein Elektrozylinder zum Einsatz, ergeben sich zahlreiche Vorteile: Nach einer anfänglichen Einmessung bei der Inbetriebnahme lässt sich die jeweilige Kraft deutlich genauer auf die individuell benötigte Größe einstellen. Somit kann das Antriebssystem, d. h. Elektrozylinder und Servoverstärker, auch korrekt, also genau angepasst an die jeweiligen Gegebenheiten, dimensioniert werden. Außerdem erzeugt der Elektrozylinder die notwendige Kraft im Gegensatz zur pneumatischen Variante direkt und ohne zeitliche Verzögerung beim Druckaufbau, was ein gleichmäßigeres Einpressen ermöglicht. Insgesamt führt dies zu einem effizienteren Prozessablauf mit minimiertem Energiebedarf. Hinzu kommt der Vorteil einer detaillierten Positionsrückmeldung ohne externe Zusatzsensorik. Auf diese Weise ist z. B. die Aufzeichnung einer Kraft-Weg-Kurve problemlos möglich, über die sich eventuell auftretende Produktionsfehler schnell erkennen lassen. Denn ein zu geringer Kraftwert weist direkt auf eine nicht korrekte Passung hin. Beim lediglich auf Position fahrenden Pneumatikzylinder wäre dies nicht ohne Weiteres erkennbar. Ein solches Kraft-Weg-Diagramm oder zusätzliche Prozessinformationen lassen sich zudem mit der Seriennummer kombinieren, um bei etwaigen später auftretenden Fehlern aufgrund eines fehlerhaften Einpressens eine Nachverfolgbarkeit zu ermöglichen.

Die Elektrozylinder-Serie AA3000 umfasst derzeit folgende, jeweils mit einem Nennanschlussspannungsbereich von 100 bis 480 V AC und in zwei Varianten verfügbare Produkte:

• AA3023 bietet 6.250 N Spitzenkraft (bei bis zu 0,5 m/s Geschwindigkeit und 10 m/s² Beschleunigung) bzw. 3.125 N Spitzenkraft (bis 1,0 m/s und 20 m/s²). Der maximale Verfahrweg liegt bei 150 mm. Die Abmessungen entsprechen in Flanschmaß und Anschraubpunkten einem Pneumatikzylinder nach DIN ISO 15552 mit 40 mm Kolbendurchmesser.
• AA3033 bietet 12.500 N Spitzenkraft (bis 0,5 m/s und 10 m/s²) bzw. 6.250 N Spitzenkraft (bis 1,0 m/s und 20 m/s²). Der maximale Verfahrweg liegt bei 200 mm. Flanschmaß und Anschraubpunkte entsprechen einem Pneumatikzylinder nach DIN ISO 15552 mit 63 mm Kolbendurchmesser.
• AA3053 bietet 25.000 N Spitzenkraft (bis 0,5 m/s und 10 m/s²) bzw. 12.500 N Spitzenkraft (bis 1,0 m/s und 20 m/s²). Der maximale Verfahrweg liegt bei 250 mm. Flanschmaß und Anschraubpunkte entsprechen einem Pneumatikzylinder nach DIN ISO 15552 mit 100 mm Kolbendurchmesser.