Energie-Effizienz, Wirkungsgrad und Ökobilanz sind Stichworte, die im Zusammenhang mit der Frage nach der Zukunftsfähigkeit verschiedener Antriebsoptionen immer wieder in den Raum gestellt werden. Elektrische Antriebe zeichnen sich vor allem durch einen sehr hohen Wirkungsgrad aus. Bei pneumatischen Antrieben hängt die Wirtschaftlichkeit vom jährlichen Druckluftbedarf ab.

Neben Wirtschaftlichkeit und allgemeiner Umweltfreundlichkeit sprechen jedoch eine Reihe weiterer Faktoren für die Pneumatik: Die Anwender schätzen sie hauptsächlich als einfache und kostengünstige Möglichkeit, Bewegungen in Automatisierungsanwendungen auszuführen. Entscheidungen für pneumatische Antriebe basieren häufig auf den überschaubaren Investitionskosten beziehungsweise der Robustheit und dem integrierten Überlastschutz.

Auf der anderen Seite werden von Kritikern der Pneumatik oft die „alten“ Probleme dieser Technologie ins Feld geführt: Eine eingeschränkte Dynamik, hohe Lärmbelastung und vor allem starke Erschütterungen. Zugegeben: Diese Mankos limitieren die Einsatzgebiete der Druckluft-betriebenen Antriebstechnik tatsächlich. Bremsvorrichtungen wie Öldruckstoßdämpfer sprechen beispielsweise in verschiedenen Branchen wie der Pharmaindustrie oder der Lebensmittelherstellung klar gegen die Pneumatik. Aus diesen Gründen ist es entscheidend, den pneumatischen Antrieb an sich zu verbessern. Was heißt das im Detail?

Ein Beispiel für neue Ansätze auf diesem Technologiegebiet sind die so genannten Fox-Systeme von InnoMotix. Sie bleiben dem Grundprinzip eines pneumatischen Antriebes treu, ersetzen jedoch die internen beziehungsweise externen Endlagendämpfer durch ein angepasstes Abluftsteuerungssystem in den Ventilen. Das Ergebnis sind stoßfreie und hochdynamische Bewegungsabläufe, da der Zylinderkolben mittels Gegenluft weich abgebremst wird. Bremsvorrichtungen wie Öldruckstoßdämpfer oder im Zylinder integrierte Endlagendämpfungen sind nicht erforderlich, somit wird der Einsatz in Branchen wie der Lebensmittelindustrie wieder deutlich attraktiver. Gleiches gilt für den medizinischen Bereich, wo Abriebe durch Dämpfer und Ölverlust bisher den Einsatz der Pneumatik beschränken. Gleichzeitig reduziert das neue Konzept die Abluftmenge und den Energiebedarf pneumatischer Antriebe insgesamt und die Umwelt wird um rund 10 bis 25 % geölter Abluft entlastet.

Konkret zum Einsatz kommen beim Fox-Konzept eine elektrische Steuerung und zwei 3/4-Wege-Ventile, die mit einem handelsüblichen doppelt wirkenden Pneumatikzylinder – egal ob mit gefilterter, geölter oder ungeölter Druckluft – verbunden werden. Gesteuert wird dabei der komplette Bewegungsablauf des Kolbens: von der einen Endlage bis zur gegenüberliegenden Endlage. Die maximale Zyklenzahl beträgt mindestens 20 Mio. Zyklen.

Prinzip der elektropneumatischen Steuerung: In der 1. Beschleunigungsphase wird über ein Ventil Zuluft zugeführt und Abluft abgegeben. Die Bremsung wird durch die gedrosselte Gegenspritzung über das weitere Ventil eingeleitet.

© InnoMotix

Die beiden Ventile schalten während der jeweiligen Bremsvorgänge. Das heißt, ein Bremsvorgang entspricht einem Bewegungsablauf von Zugluft auf Gegenluft, um so den Bremsvorgang rechtzeitig zu starten. Die Ventile steuern die Be- beziehungsweise Entlüftung der beiden vom Zylinderkolben getrennten Luftkammern und sind somit sowohl für die Verfahrrichtung als auch für die Beschleunigung und die Abbremsung des Zylinderschlittens verantwortlich. Mit anderen Worten: Das System dient der Beschleunigung des Kolbens des angeschlossenen Antriebs (wie herkömmliche Pneumatikventile) und übernimmt darüber hinaus die Aufgabe des Abbremsens des Systems bis zum Stillstand an einem beliebig definierten Hard-Stop.

Um diese Definition der Bremszeitpunkte noch exakter bestimmen zu können, ist die Integration von Positions­gebern geplant. Diese sollen eine vielfältige Positionierung und die Definition beliebig vieler, frei definierbarer Haltepunkte aus der dynamischen Bewegung heraus ermöglichen. Alternativ können Magnetbänder zur Positionsabnahme im Zylinderbauteil angeordnet werden.

Dynamisch anlernen

Annäherung der hochdynamischen Zylindersteuerung an die Endlage verglichen zum herkömmlichen 5/2-Wegeventil mit Endlagendämpfung des pneum. Zylinders: Erkennbar ist der ruck-/ stoßfreie und schnellere Bewegungsablauf des elektropneumatischen Systems.

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Die Definition der jeweiligen Zylinderpositionen und des Hard-Stops erfolgt über die angeschlossene Steuerung. Sie arbeitet zeitbasiert und erhält die erforderlichen Informationen zu den Hardstop-Positionen über einfache Sensoren, die am Zylinder positioniert werden. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu herkömmlichen Systemen: Statt einmalig ausgelegte Stoßdämpfer, die im tatsächlichen Einsatz doch nicht oder nur für eine Situation passen, besteht nun die Möglichkeit, das System auf veränderte Bedingungen wie Massen oder Geschwindigkeiten beliebig einzustellen und das Optimum aus dem Antrieb herauszuholen.

Vor dem automatischen Betrieb ist die Fox-Steuerung, die per Hutschiene im Schaltschrank montiert wird, interaktiv beziehungsweise per Teach-in über die Tastatur der Steuerung auf das zu steuernde System anzulernen. Alternativ kann die Inbetriebnahme PC-basiert über USB mittels einer entsprechenden Software erfolgen. Die Einstellung der Verfahrwerte ist dadurch wesentlich feiner möglich. Alle zum vollständigen Betrieb notwendigen Signale sind an den Klemmen der Steuerungselektronik vorhanden. Das Leitsystem wird über eine Einzelverdrahtung der Steuersignale an die Elektronik angeschlossen.

Nach abgeschlossener Inbetriebnahme benötigt das System lediglich ein Freigabesignal von einem übergeordneten Leitsystem (beispielsweise SPS), um einen Hub ausführen zu können. Das Leitsystem erteilt dann Befehle wie „Fahrt“, „Langsamfahrt“ oder gegebenenfalls ein Fahrtmodus-Signal an die Steuerungselektronik. Der Bewegungsablauf selbst wird nur von der Steuerung bestimmt. Auch hier zeigt sich ein entscheidender Unterschied zu traditionellen Systemen: Anstatt die Ventile einzeln anzusteuern und die Sensoren zu überwachen, gibt das Leitsystem an die Steuerung lediglich ein Fahrtsignal.

Flexibel steuern

Das System verfügt über einen Regelalgorithmus, nach welchem stetige Temperaturänderungen oder Betriebsdruck­änderungen bis zu einem bestimmten Punkt ausgleichbar sind. Abgesehen von den automatischen Anpassungen existieren aber unterschiedliche Rahmenbedingungen und Bewegungsformen, die in der Praxis besonders zu berücksichtigen sind, wie zum Beispiel unterschiedliche Lasten bei der Bewegung von A nach B respektive von B nach A, Schwenk- und Linearbewegungen oder verschiedene Drücke. Hierzu  können pro Anwendung bis zu zwei Parametersätze angelernt werden, welche die Fahrt- und Bremseigenschaften bestimmen.

Durch den harmonischen und individuell einstellbaren Bewegungsablauf kommt es in der Produktion letztendlich zu deutlich weniger Ausschuss, der ansonsten unweigerlich anfällt. Geringere Instandhaltungszeiten führen zudem zur Reduzierung von Ausfallzeiten und Veränderungen in der Systemkonfiguration lassen sich schnell individuell vornehmen.

Autor: Manfred ober ist Geschäftsführer von InnoMotix, Feldkirchen-Westerham.