Antriebstechnik Elektrische Zylinder: Eine pfiffige Symbiose aus zwei Welten

Redakteur: Karin Pfeiffer

Heben, schieben oder präzise positionieren: In den allermeisten Industrieprozessen soll das schnell und hoch automatisiert klappen. Dafür brauchen die Hersteller Komponenten, die elektrisch oder pneumatisch arbeiten. Eine Antriebsvariante vereint die Vorteile von zwei unterschiedlichen Welten: der elektrische Zylinder.

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Die Antriebe von Kendrion sind mit vielen Herstellern kompatibel und eignen sich auch für anspuchsvolle Fertigungsprozesse wie etwa in der Elektronik.
Die Antriebe von Kendrion sind mit vielen Herstellern kompatibel und eignen sich auch für anspuchsvolle Fertigungsprozesse wie etwa in der Elektronik.
(Bild: Fotolia)

Greifer, Zylinder und Antriebe müssen unterschiedlichste Aufgaben erfüllen. Entsprechend vielfältig sind die Kriterien, die bei der Auslegung zu berücksichtigen sind: Verfahrprofil, Schubkraft, Haltekraft, mechanische Belastbarkeit, Geometrie oder die Art der Kommunikation mit Steuerungssystemen sind typische Eckdaten. Dazu kommen wirtschaftliche Fragen rund um Anschaffung, Betrieb und Wartung, um systemische Lösungen zu konzipieren. Schließlich zeichnen sich elektrische und pneumatische Antriebe mit jeweils eigenen Stärken aus.

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Elektrische Antriebe sind flexibel positionierbar und können mit variablen Verfahrprofilen mehrere Punkte auf dem Weg anfahren. Weil nachgeregelt wird, bleiben sie auch dann auf Position, wenn sie einer Gegenkraft Stand halten müssen. Das erfordert jedoch immer einen Haltestrom, weshalb der Verbrauch an elektrischer Energie in die Höhe schnellt.

In der Anschaffung sind elektrische Antriebe ebenfalls teuer.

Pneumatische Systeme benötigen hingegen keine zusätzliche Energie im Stillstand – auch dann nicht, wenn sie dabei zusätzliche Arbeiten verrichten. Zudem sind sie sehr robust und können bis zum Stillstand überlasten, ohne Schaden zu nehmen. Sie sind einfach zu handhaben und kosten in der Anschaffung deutlich weniger als die elektrischen Pendants. Aus diesen Gründen hat sich im Bereich der industriellen Automatisierung von Maschinen und Anlagen etabliert, dass einfache Bewegungsabläufe eher pneumatisch und anspruchsvolle meist elektrisch gelöst werden.

Elektrischer Zylinder vereint das Gute

Der elektrische Zylinder ist eine bemerkenswerte Variante. Er schafft es, die Vorteile beider Automatisierungswelten zu verbinden: leichte und robuste Konstruktionen, Realisierung einfacher bis komplexer Verfahrprofile und die kostengünstige Anschaffung. SMC Deutschland hat als einer der führenden Hersteller für pneumatische und elektrische Automatisierungstechnik ein Programm elektrischer Zylinder aufgebaut, was das Unternehmen als Alleinstellungsmerkmal sieht. Die LE-Serie elektrischer Antriebe kombiniert signifikante Bauteile aus der Pneumatik mit Motorentechnik und leicht zu bedienenden Steuermodulen (Controller). Daraus lassen sich einfache, robuste und gewichtssparende Lösungen konstruieren, die eine stufenlose Schaltung der Zylinder mit enorm hoher Arbeitsgeschwindigkeit von bis zu 3000 mm/s und extremer Beschleunigung erlauben. Gleichzeitig sind die Lösungen vergleichbar flexibel wie solche auf rein elektrischer Basis.

Von einfach bis leistungsstark und flexibel

Die elektrischen Antriebe, Controller und Achsmotoren der LE-Serie folgen einem dreistufigen Konzept, das verschiedene Anforderungsprofile erfüllt: von einfach bedienbar bis absolut leistungsstark und flexibel. Viele Anwender können auf Flexibilität verzichten, weil sich ihre Einsatzbedingungen kaum ändern. Wird mehr Wert auf die schnelle Inbetriebnahme gelegt, stehen besonders mühelos bedienbare Antriebe zur Verfügung, die bereits voreingestellte Antriebsparameter enthalten.

Etwas mehr Komplexität und Flexibilität bieten die unkomplizierten, schrittweise programmierbaren Antriebe mit voreingestellten Parametern der zweiten Stufe. In Verbindung mit einer Schrittmotor-Endstufe (Typ LECPA) lassen sich damit bereits unbeschränkt viele Positionen anfahren.

Wer schließlich höchste Präzision in Sachen Stellungs-, Geschwindigkeits- und Kraftsteuerung verlangt, kann auf die High-End-Lösungen zugreifen: Die AC Servomotor-Verstärker der Serie LECS sind sogar in der Lage, die niederfrequenten Schwingungen einer Maschine zu erkennen und Abweichungen zwischen Befehlswert und tatsächlicher Bewegung zu kontrollieren.

Die AC-Servomotor-Endstufen der Serie LECY sind für Maschinen und Anlagen konzipiert, die sehr schnelle und hochpräzise Achsbewegungen ausführen müssen. Die Geräte besitzen eine STO-Funktion, die ein unerwartetes Anfahren des Antriebs verhindert. Diese Sicherheitsfunktion basiert auf den Anforderungen der Maschinensicherheit nach EN ISO13849.

Bis zu 64 Positionen anfahren

SMC bietet sämtliche Antriebsserien auf rein pneumatischer und rein elektrischer Basis, so dass sich Automatisierungslösungen nach den jeweils konkreten Bedürfnissen zusammenstellen lassen. Um die Auslegung zu vereinfachen und den logistischen Aufwand zu reduzieren, sind alle benötigten Komponenten in einer Bestellnummer zusammengefasst. Dazu zählen der komplette Antrieb, die elektrische Verbindung zum Controller, der Controller selbst und die elektrische Anschlussleitung zur Steuerung. Pneumatisch ausgedrückt heißt das: Zylinder, Drosseln, Schlauch, Magnetventil und elektrische Anschlusskabel sind über eine Bestellnummer definiert.

Das elektrische Zylinderprogramm umfasst aktuell drei Greiferfamilien, Kompaktschlitten, klassische Zylinder-Bauformen, Linearantriebe mit Riemen oder Kugelumlaufspindel sowie Stopperzylinder und Drehantriebe. Alle Antriebe können bis zu 64 Positionen frei anfahren. Die Kommunikation zwischen Controller und Steuerungsebene stellt den Informationsfluss an die SPS sicher.

Neben verschiedenen selbsthemmenden, elektrischen Greifern (Serie LEH), besteht die Serie LE aus drei linearen Antriebsmodellen: Serie LEY mit Kolbenstange, Serie LES mit Führungsschlitten und Serie LEF mit Führungsschiene.

Alle linearen Antriebe besitzen identische Ausstattungsdetails wie zum Beispiel eine Motorbremse, die das Herabfallen von Werkstücken bei Stromausfall verhindert. Die Antriebe lassen sich mit Schritt- oder Servomotor ausstatten. Alle Modelle sind auf eine schnelle Inbetriebnahme getrimmt. Daher sind die Controller-Parameter bereits voreingestellt und der Programmieraufwand ist auf ein Minimum beschränkt. Über die PC-Software Easy Setting sind die Geschwindigkeit und die Positionierung bequem einzustellen. Ist kein PC in Reichweite, kann der Anwender diese Einstellungen auch über eine Teaching Box und den LEC-Controller vornehmen, der jedem LE-Modell beiliegt.

Eigene Motoren und Controller weiter nutzen

Häufig kommt es vor, dass Anwender ihre eigenen Motoren und Controller weiter nutzen möchten, weil beispielsweise die Anbindung an die eigene Automatisierungstechnik und die Parametrierung der Prozesse eingespielt sind und reibungslos funktionieren. Ändern sich aber irgendwann die Prozessbedingungen, wenn die Applikation etwa höhere Nutzlasten oder größere Hublängen braucht oder Prozesse ein Effizienzprogramm durchlaufen, kann es sein, dass die eingesetzten Antriebe an ihre Grenzen stoßen. Wenn die erreichbaren Maximalgeschwindigkeiten oder Positioniergenauigkeiten ausgereizt sind, ist das schnell der Fall. Dafür bietet SMC inzwischen eine Vielzahl von Antrieben an, mitunter motorlose Ausführungen. Diese sind mit den Motoren von 14 renommierten Herstellern kompatibel und bei Bedarf auch für den Einsatz in stark geregelten Bereichen wie der Lebensmittel- und Pharmaindustrie geeignet. Zur einfachen Anbindung an übergeordnete Feldbus- und SPS-Systeme unterstützen die motorlosen Antriebe alle gängigen Industrial-Ethernet-Protokolle.

Ein Gerät für vier Achsen

Mit den kürzlich vorgestellten Vier-Achsen-Schrittmotor-Controllern (Serie JXC73 und JXC83) lassen sich erstmals bis zu vier elektrische Antriebe für einzelne oder mehrere Achsen gleichzeitig regeln. Die Programmierung erfolgt über die USB-2.0-Schnittstelle eines PCs. Für den präzisen Positionier- und Schubbetrieb stehen insgesamt 2.048 Schrittdaten an Kapazität zur Verfügung. Beide Controller beherrschen sowohl die Linear- wie auch die Kreisinterpolation und sind mit fast allen Antrieben im SMC Programm kompatibel. Diese Technologie lässt sich mit geringem Aufwand programmieren und ist kompakt gebaut, sodass sie mit wenig Platz auskommt. Der Verdrahtungsaufwand ist gering, und die Gerätekosten sind vergleichsweise niedrig. Vor allem für Pick & Place sowie das vertikale Heben von Platten sind die Vier-Achsen-Schrittmotoren perfekt geeignet.

Erst kürzlich hat SMC einen Ein-Achs-Controller mit Profinet angekündigt. Bei der Konzeption von Maschinen und Anlagen stehen pneumatische, hydraulische und elektrische Systeme im Wettbewerb. Dabei können rein elektrische Antriebslösungen oft viel mehr, als von der Applikation gefordert. Dann fallen Kosten für Funktionen an, die ungenutzt bleiben. Stoßen pneumatische Lösungen an die Grenzen des Machbaren entstehen hohe Kosten für eine Anpassung. Mit ihren elektrischen Antrieben verfolgt SMC das Ziel, die Einfachheit der Pneumatik mit der Flexibilität elektrischer Antriebe zu verbinden und über ein einzigartig breites Angebot, das Gros industrieller Aufgaben bereits standardisiert zu lösen.

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