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2021-05-21 | Echte Kraftpakete: Neue elektromechanische Linearaktuatoren in kompakterer Bauform

Elektromechanische Linearaktuatoren liefern immer mehr Leistung und Intelligenz in immer geringeren Baugrößen. Eine neue Generation von Aktuatoren mit hoher Leistungsdichte ist durch den Einbau höherer Verstellkräfte in kompaktere Lösungen entstanden. Konstrukteure von mobilen Arbeitsmaschinen, Materialfluss-Anlagen, Fertigungsautomatisierung und anderen leistungshungrigen Anwendungen haben jetzt Zugriff auf elektrische Aktuatoren mit bis zu 2000 Newton Verstellkraft, inklusive einer erweiterten, integrierten Steuerungselektronik. Alles in einem Bauteil, das platzsparender und kosteneffizienter ist als hydraulische oder große elektromechanische Schwerlast-Aktuatoren, die bisher in solchen Anwendungen eingesetzt wurden.

Die Nachfrage nach Linearaktuatoren mit höherer Leistungsdichte wird besonders durch das Zusammentreffen dieser Industrietrends forciert:

• Entwickler von industriellen Automatisierungsanwendungen sind bestrebt, schwerere Lasten auf engerem Raum zu bewegen, ohne dabei Umweltschutz- und Wartungsanforderungen hydraulischer Aktuatoren in Kauf nehmen zu müssen;

• Systemingenieure sind auf präzisere Betriebs- und Diagnosedaten aus, um optimierte Leistung zu erreichen und komplexere Antriebstechnik zu realisieren;

• OEMs konstruieren komplexere und kompaktere Maschinen zugunsten von mehr Flexibilität und Wirtschaftlichkeit.

Erste Schritte zur platzoptimierten Achssteuerung

Traditionell haben Entwickler bei platzkritischen Anwendungen und mehr als 2 kN Verstellkraft hydraulische, pneumatische oder sogar servogesteuerte elektromechanische Lösungen eingesetzt. Diese Systeme erforderten jedoch die Integration zahlreicher externer Komponenten wie Motoren, Pumpen, Fluidbehältern und Schläuchen. Die Tatsache, dass diese Systeme jedoch darüber hinaus aufgrund möglicher Fluid-Undichtigkeiten kostspielig in der Wartung sind, ließ die Nachfrage nach Alternativen steigen.

Im Laufe der vergangenen 20 Jahre wurde die Verstellkraft industrieller elektromechanischer Aktuatoren auf bis zu 16 kN nach oben geschraubt, um eine vermehrte „Elektrifizierung“, d.h. den Ersatz hydraulischer Lösungen, zu ermöglichen. Ergänzend zu dieser Leistung erfolgte die Integration der Elektronik direkt in das Aktuatorgehäuse. Diese „Bordelektronik“ liefert nicht nur die notwendigen Steuerungsfunktionen für die erwähnte Leistungssteigerung, sondern macht zudem platzraubende, externe Vorrichtungen wie Encoder, Relais und Schalter per Software definierbar, sodass sie intern realisiert werden können. Damit entfiel sowohl der Platzbedarf für diese Geräte als auch die zugehörige Verdrahtung, sodass Maschinenkonstrukteure deutlich mehr Gestaltungsspielraum erhalten.

Hohe Leistung bei geschrumpfter Baugröße

Während der Markt leistungsstärkere Aktuatoren zur „Elektrifizierung“ herkömmlicher hydraulischer Achsen begrüßte, verlangten Hersteller von Arbeitsmaschinen, Materialfluss-Lösungen und Fertigungsautomation noch kompaktere Abmessungen, um die Wünsche ihrer Kunden erfüllen zu können. Allgemein lässt sich beobachten, dass Maschinen zunehmend komplex, aber zugleich auch immer kompakter werden. Um diesen Trends innerhalb ihrer Branchen gerecht zu werden, konstruieren Maschinenhersteller komplexere Ausrüstung, während sie nach kreativen Lösungen für kompaktere Formate Ausschau halten. Hersteller von Antriebskomponenten reagieren mit Weiterentwicklungen bei den Getrieben, Motorgrößen, integrierten Elektronikbauteilen und anderen Innovationen. Das Resultat ist eine neue Spezies elektromechanischer Aktuatoren, die im Vergleich zu ihren klassischen Vorläufern deutlich geschrumpft ist und eine höhere Leistungsdichte bietet.

Zusammen mit der hohen Leistung verfügen diese elektromechanischen Aktuatoren trotz ihrer kompakteren Bauform über dieselbe Intelligenz wie ihre größeren Gegenstücke – ein zentrales Unterscheidungsmerkmal im Vergleich zu fluid-betätigten Aktuatoren. Die elektronische Steuerung bietet vielfältige Vorteile für die Automatisierung und Wartung, wie Positionsrückführung, J1939 CAN-Bus- und LIN-Bus-Kommunikation, Niederstromschalten, Endlagen-Ausgangssignale, Synchronisation mehrerer Aktuatoren und die Möglichkeit der Anbindung an eine SPS.

Thomson Industries hat kürzlich einen elektromechanischen Aktuator für Lasten bis zu 2 kN entwickelt, der zwar dieselben Elektronikfunktionen bietet wie das 16-kN-Modell, jedoch mit deutlich kleinerem Gehäuse aufwartet.

Trotz des kleineren Gehäuses als ihre höher belastbaren Familienmitglieder können Thomson Electrak® MD Aktuatoren bis zu 2 kN schwere Lasten verstellen und verfügen zugleich die integrierte Elektronik und eine hohe Schutzart gegen äußere Einflüsse..

Aktuatoren mit höherer Leistungsdichte richtig auswählen

Während die Auswahl eines Aktuators herkömmlich mit einer Festlegung der benötigten Belastbarkeit, Hublänge und Geschwindigkeit begann, ist heutzutage oft auch die Platzbeschränkung einer der grundlegenden Auswahlfaktoren. Häufig steigen die erforderlichen Lasten oder bleiben unverändert auf hohem Niveau, da sich die Geometrie der Maschinen kaum ändert. Somit sind Konstrukteure gezwungen, einen Kompromiss zwischen Größe und benötigter Kraft zu finden. Noch komplizierter wird die Herausforderung durch den möglichen Umstand, dass zur Einhaltung der Platzbeschränkungen tatsächlich mehr Verstellkraft benötigt wird.

Mobile Arbeitsmaschinen sind ein gutes Beispiel einer Anwendungskategorie, die von Aktuatoren kleinerer Einbaugröße profitiert. Kleinere Fahrzeuge sind einfacher zu manövrieren, energieeffizienter und häufig auch kostengünstiger, insbesondere dann, wenn die Entwickler nicht mehr Lastkapazität liefern müssen als tatsächlich für die jeweilige Aufgabe erforderlich.

Anwendungsbeispiel: Die Spiegelverstellung an mobilen Arbeitsmaschinen profitiert von mehr Leistung bei beengten Platzverhältnissen.

Beispielsweise sind in einem Mähdrescher einige Komponenten verbaut, die bis zu 16 kN benötigen, andere bewegliche Teile jedoch nicht. Systeme wie das Sieb, mit dem die Spreu vom Korn getrennt wird, oder das Windleitblech, das die Spreu je nach Windrichtung auf die linke oder rechte Seite der Maschine leitet, müssen möglicherweise auch höhere Lasten bewältigen, aber deutlich weniger als 16 kN. Derartige Vorrichtungen sind häufig an beengten Stellen im Fahrzeug untergebracht, und jede Möglichkeit, diesen Platz optimal zu nutzen, ist natürlich willkommen.

Sperrmechanik in Materialfluss-Systemen und ergonomische Verstellvorrichtungen an einem Förderband sind weitere Anwendungen, die von Aktuatoren mit hoher Leistungsdichte profitieren. Viele dieser Anwendungen kommen mit Lösungen aus, die bis zu 2 kN bewältigen, brauchen aber wenn überhaupt selten Tragzahlen im Bereich von 16 kN.

Konstrukteure von Förderstraßen können die Kapazitäten erweitern, ohne mehr Verstellkraft zu implementieren als tatsächlich erforderlich.

Ein anderes Beispiel aus der Automatisierung ist ein Aktuator, der ein Förderband für unterschiedliche Kartongrößen anhebt oder absenkt. Derartige Vorgänge sind möglicherweise nur einige Male pro Tag erforderlich und deren Automatisierung mit einem Schwerlastsystem wäre kaum kosteneffizient. Demgegenüber würde ein System mit hoher Leistungsdichte einen effektiveren Aktuator in kleinerer Baugröße ermöglichen, sodass die Vorteile der Automatisierung einer bislang manuell, gefahrenträchtigen und – im Vergleich zu fluidbetätigten Antrieben – schmutzigeren Betriebsumgebung zugutekommen.

Aktuatoren mittlerer Stärke an den Klappen eines Düngemittelstreuers senken das Gewicht und erhöhen die Effizienz.

Auswurf-Schwenkvorrichtungen und Klappen an Saatgutmaschinen können mit smarten, leistungsstarken Aktuatoren synchronisiert werden, die Kosten und Gewicht kaum belasten.

Ausblick

Allgemein gesagt, ist die neue Generation kompakter, leistungsstarker Aktuatoren ideal für Anwendungen, die bis zu 2 kN Verstellkraft und eine eingebaute Intelligenz erfordern. Alles, was darüber hinausgeht, würde höchstwahrscheinlich einen größeren elektromechanischen Aktuator, die Synchronisierung mehrerer smarter Aktuatoren oder – wenn ein sauberer Betrieb und Präzision nicht entscheidend sind – eine fluidbetriebene Lösung erforderlich machen. Ist die integrierte Intelligenz kein kritischer Faktor und die zu bewegende Last unterhalb von 0,5 kN, könnte auch ein einfacherer elektromechanischer Aktuator in den verfügbaren begrenzten Platz passen.

Selbst wenn der Platzbedarf kein primäres Kriterium ist, kann die Verkleinerung einer Komponente – ohne Abstriche an der Leistung oder Intelligenz zu machen – das Endprodukt in puncto Flexibilität, Kosten, Energieverbrauch und Wartungsfreundlichkeit aufwerten. Ohne einen smarten Aktuator mit geringerer Leistungsdichte bliebe nur die Wahl zwischen dem Einbau eines größeren Aktuators oder einer Begrenzung der Funktionalität. Mit dem kompakteren Aktuator müssen dagegen deutlich weniger Kompromisse eingegangen werden. Die Konstrukteure erhalten somit die Leistung, die sie benötigen, zusammen mit einem besseren Zugriff auf die Betriebsdaten und der Möglichkeit einer Synchronisierung mit anderen Aktuatoren.

Da sowohl das IIoT (industrielle Internet der Dinge) als auch Initiativen im Rahmen von Industrie 4.0 eine Entwicklung stärker vernetzter und intelligenter Anwendungen fördern, wird die Nachfrage nach kompakteren Aktuatoren vermutlich ansteigen. In deren Fahrwasser ist eine gesteigerte Möglichkeit zu erwarten, bislang separate Mechanik-Komponenten zu integrieren und Antriebssysteme zugunsten von Flexibilität und Kostenvorteilen zu skalieren.

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