Pneumatik

Pneumatische Antriebstechnologie für Automatisierungslösungen

18.06.2008 | Autor / Redakteur: Dr.-Ing. Peter Saffe* / Dorothee Quitter

Abbildung 2 Kombinierte Lösungen: In der Automation werden vermehrt Systeme eingesetzt, die eine Kombination von elektrischem Antrieb und pneumatischer Achse erlauben. Bild: Bosch Rexroth

Pneumatische Antriebe werden von den Anwendern hauptsächlich als einfache Möglichkeit gesehen, Bewegungen in Automatisierungsanwendungen auszuführen. Neue Entwicklungen, insbesondere im Bereich der Elektronik, der Sensoren und der Produktionstechnologien, sowie anspruchsvolle Anforderungen der Anwender führen zu einem immer innovativeren Image der gesamten Technologie.

Seit Jahren nimmt die Anzahl der industriellen Anwendungen der Pneumatik deutlich zu. Einer der Hauptgründe dafür ist, dass die Pneumatik nahezu jeden industriellen Prozess effizient gestaltet. Die Anforderungen, die die wichtigsten Entscheidungsfaktoren für die Auswahl von Antrieben darstellen, sind so vielfältig wie die Anwendungen selbst. Kleine Abmessungen, Gewicht, Beständigkeit gegenüber korrosiven Stoffen, hohe Anforderungen an die Steuer- und Überwachungsmöglichkeiten können sofort als wichtige Merkmale identifiziert werden. Dies führt zu einem immer breiten Angebot an Produkten. Auch kann die Integration in komplexe Bearbeitungsfunktionen zu kunden- oder anwendungsspezifischen Lösungen mit einem hohen Grad an Funktionsintegration führen.

Vorteile pneumatischer Antriebe

Die wichtigsten Vorteile pneumatischer Antriebe haben sich in den letzten Jahren nicht geändert (Abbildung 1). Entscheidungen für pneumatische Antriebe basieren häufig auf den Investitionskosten bzw. der Robustheit und dem integrierten Überlastschutz. Die Möglichkeit, verschiedene Funktionen in ein einziges Antriebselement zu integrieren, ist ein weiterer Vorteil pneumatischer Antriebe.

Die Anzahl der Antriebsanwendungen steigt für alle Arten der industriellen Fertigung. Die Auswahl der unterschiedlichen Möglichkeiten kann auch auf der Grundlage physikalischer Daten erfolgen, wie beispielsweise Geschwindigkeits- und Lastbereichen. Pneumatische Antriebe erreichen mit kontrolliertem Druck auf beiden Seiten des Kolbens oder des Drehflügels (im Fall von Drehantrieben) hohe Geschwindigkeiten und hohe Kräfte, während abluftgedrosselte Antriebe einen breiteren Lastbereich bewältigen können.

Kombination von elektrischem Antrieb und pneumatischer Achse

Pneumatische Antriebe machen im Durchschnitt nur zwei Prozent der Kosten einer typischen Automatisierungsanwendung aus. Hauptargumente für die Entscheidung für eine pneumatische Lösung sind neben der Kostenersparnis auch Zeitersparnis, basierend auf dem Wunsch nach einer leichteren Umsetzung, hoher Produktivität und Zuverlässigkeit. Ebenso wird manchmal die Anforderung nach niedrigen oder auch garantierten MTBF-Raten gestellt. Da für zahlreiche Anwendungen sowohl elektromechanische als auch pneumatische Antriebe in Frage kommen, lohnt es sich, ihre spezifischen Vorteile zu vergleichen. In der letzten Zeit steigt die Anzahl von kombinierten Lösungen und modularen Systemen, die eine Kombination von elektrischem Antrieb und pneumatischer Achse erlauben. Wenn das modulare System gut an eine gemeinsame SPS-Einheit angepasst ist, kann der Anwender ein Höchstmaß an Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit erreichen (Abbildung 2).

Da die Anwender hauptsächlich an den Vorteilen für ihre Anwendungen interessiert sind, verwenden manche Lieferanten eine Merkmal-Vorteil-Nutzen-Matrix zur Beschreibung bestimmter Produkte. Erfolgreiche Innovationen im Bereich der Pneumatik müssen einen klaren Nutzen für die Anwender bringen, andernfalls werden sie als rein akademisch eingestuft. Auch sollte die Zuverlässigkeit von pneumatischen Antrieben, die weiterhin einen ihrer wichtigsten Vorteile darstellt, nicht unter zu komplizierten Lösungen leiden.

Zustandsüberwachung mit integrierten Messgeräten

Ein allgemeiner Trend in der Automatisierung ist die steigende Nachfrage nach Steuer-, Mess- und Diagnosegeräten. Dank der zunehmenden Möglichkeiten für Bus-Systeme und der höheren Akzeptanz von elektronischen Schnittstellen und Sensoren auch in einfachen Anwendungen mit pneumatischen Antrieben gibt es mehr und mehr Varianten mit integrierten Messgeräten. Auf der Grundlage des Geschwindigkeitsprofils während eines Bewegungszyklus ist ein intelligentes System in der Lage, Abweichungen vom Zielzyklus zu erkennen und den Benutzer rechtzeitig über diesen Fehler zu informieren. Mit neuen und preisgünstigeren Lagesensoren sind die Kosten für diese Funktionen für den Kunden akzeptabel, weil sie es ihm ermöglichen, vorbeugende Arbeiten innerhalb geplanter Produktionspausen durchzuführen und damit Kosten zu sparen.

Noch interessanter könnte eine vorbeugende Wartungsmethode auf der Grundlage einer Zweikomponentendichtung sein, die es ermöglicht, Verschleiß zu erkennen und die Dichtungen vor Eintritt einer Störung auszutauschen. Da die Zweikomponenten-Spritzgusstechnologie immer häufiger Anwendung findet, zeichnet sich ab, dass die Kosten für diese Vorrichtungen ebenfalls auf ein maßvolles Niveau sinken werden, das von den Kunden akzeptiert wird.

Falsche Pneumatikkomponenten erkennen

Weitere Möglichkeiten bietet die Verwendung von RFID-Chips. Auf der Grundlage einer bestimmten Codierung der einzelnen Ventilarten kann sogar die richtige Wahl des Ventils festgestellt werden. Bei Austausch eines 5/3-Wegeventils durch ein doppeltes 3/2-Wegeventil erfolgt beispielsweise eine entsprechende Anzeige am Steuergerät. Damit wird der Einbau falscher Ventile verhindert und das Risiko einer Störung nach Wiederanlauf des Fertigungsprozesses ausgeschaltet. Mit diesem Konzept können auch illegale Kopien erkannt werden, und der Anwender erhält schon während der Installation wichtige Informationen, beispielsweise um detaillierte Daten für die schriftliche Dokumentation zu sammeln.

Komponenten konfigurieren und dynamisches Verhalten simulieren

Viele Jahre lang bildeten Automatisierungsanwendungen den am schnellsten wachsenden Zweig des Pneumatik-Geschäftes. Das Angebot der Hersteller wurde Schritt für Schritt ausgebaut. Heutzutage werden nicht nur Antriebskomponenten, sondern auch alle Kombinationen gemeinsam mit Berechnungs- und Konfigurationssoftware angeboten. Der nächste Schritt ist die Kombination der Konfigurationssoftware mit Simulationsprogrammen zur Berechnung dynamischer Verhaltensweisen.

Taktzeit und Wiederholbarkeit sind entscheidende Kriterien

Die neuen Fähigkeiten zeigen sich aber nicht nur bei speziellen Greifern. Auch komplette Module können mit mehrachsigen Bewegungen zu hoher Produktivität führen, vor allem auf der Grundlage sehr kurzer Taktzeiten und hoher Wiederholbarkeit. Die Verringerung der Taktzeiten von pneumatischen Antrieben wird nicht nur durch eine ausgeklügelte Kinematik erreicht. Auch für die Verzögerung von hoch beschleunigten Lasten wurde eine Reihe innovativer Lösungen entwickelt. In manchen Fällen kann die Verzögerung einen höheren Einfluss auf die gesamte Taktzeit ausüben als die Beschleunigung (wie im Fall eines Rennwagens der Formel Eins). Aus diesem Grund sind verschiedene Stoßdämpfer-Optionen ein wichtiges Kriterium für Automatisierungsantriebe. Der nächste Entwicklungsschritt sind Geräte, die eine Rückgewinnung der Verzögerungsenergie für die nächste Bewegung ermöglichen.

Mehr Funktionen in die Arbeitseinheiten integrieren

In der Zwischenzeit werden selbst Zylinder mit Standard-Abmessungen mit zusätzlichen Merkmalen geliefert. Da Arbeitseinheiten (mit oder ohne Lageregelung) mittlerweile zum Stand der Technik gehören, wird der nächste Integrationsschritt zu Lösungen mit geringerem Energieverbrauch führen. Auf Grund von Anforderungen bestimmter Industriezweige, insbesondere für Nassbereiche in der Verpackungsindustrie, werden Produkte mit abgestimmtem Gesamtdesign entwickelt.

Mehrere Anbieter entwickeln Zylinder mit integrierten Sensoren. Ein sehr interessanter Ansatz ist in Abbildung 3 dargestellt. Der SF1-Sensor basiert auf einer speziellen magnetischen Folie. Er kann hundertprozentig in den Zylinder integriert und für digitale und analoge Signale eingesetzt werden. Dank der Integration ist der Sensor auch vor Korrosion oder sonstigen Schäden geschützt.

Der höchste Grad an Integration ist erreicht, wenn Sensoren, Ventile und auch das Steuergerät integriert werden. Der Vorteil liegt in der perfekten Anpassung an die gewünschte Anwendung. Ein Nachteil könnte die geringere Flexibilität sein.

*Dr.-Ing. Peter Saffe, Leiter internationaler Vertrieb und Branchenmanagement, Bosch Rexroth

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