Vorteile elektrischer Achsen für die Prüftechnik

Elektrische Servoachse

Elektrische Achsen erfordern höhere Investitionen als pneumatische Antriebe - machen sich aber schnell bezahlt!

Gegenüber pneumatischen Antrieben scheint es, als ob elektrische Systeme zunächst im Nachteil sind. Sie galten jahrelang als teuer und zu kompliziert in der Anwendung. Während ein Ventil und ein passender Zylinder schon für wenige hundert Euro erhältlich sind, liegt die Hürde für einen entsprechende motorische Lösung schon deutlich höher. Aber der Reihe nach:

Viele Anwender im Qualitätswesen und in der Prüftechnik kennen die Problematik: Simple pneumatische Zylinder verwenden oder doch in ein elektrisches System investieren? Die Vorteile der Pneumatik scheinen dabei sofort auf der Hand zu liegen:

  • Zunächst geringe Kosten und schnell verfügbar.
  • Wenig Steuerungstechnik erforderlich – notfalls sind simple Abläufe sogar rein pneumatisch lösbar.
  • Verschiedene Wege und Kräfte lassen sich durch die zahlreichen erhältliche Baugrößen der Zylinder realisieren.
  • Eine Druckluftversorgung ist in den meisten Firmen sowieso vorhanden.

Doch dann wird es kniffelig!

Rein pneumatische Prüfabläufe sind meist der Einstieg in die Prüftechnik und für einfache Problemstellung oftmals auch eine durchaus gängige Lösung. Was aber, wenn der Wunsch nach mehr Funktionalität und höherer Präzision aufkommt – und welche Möglichkeiten gibt es denn überhaupt? Hier die Features, die meist ganz oben auf der Wunschliste der Prüflabore stehen:

  • Die Geschwindigkeit der Prüfbewegung sollte leicht und reproduzierbar anzupassen sein. In der echten Welt funktioniert ja auch nicht alles mit nur einer Geschwindigkeit.
  • Positionen sollten sich exakt einstellen lassen. Dadurch können z.B. Toleranzen von Prüflingen schnell ausgeglichen werden, oder die gewünschte Bewegungen präzise ausgeführt werden. 
  • Beschleunigungen und Abbremsen gemäß einer Vorgabe sollte möglich sein. Manchmal soll es sanft sein, ein andermal benötigt man eben einen Ruck.
  • Eine numerische Steuerung solle auch das Auswerten von Parametern ermöglichen – schließlich sind exakte Daten wichtig für die Dokumentation.
  • Eine gute Führung sollte schon in das System integriert sein. Eine einfache Kolbenstange verkraftet auf Dauer eben doch keine Querkräfte.

Elektrische System erfüllen Wünsche!

All die zuvor genannten Funktionen sind mit elektrischen System nicht nur grundsätzlich möglich, sondern sind auch zumeist in den Standardsteuerungen vieler Hersteller verfügbar. Ermöglicht wird das durch moderne Regelungstechnik und die zugehörigen Software-Bausteine. Man benötigt also für seine Wunsch-Funktionen wenigstens folgende Ausstattung:

  • Einen elektrischen Motor, hier gelten Servomotoren als besonders dynamisch und gut regelbar. Zudem spricht man hier von einer hohen Leistungsdichte, wodurch kompakte Bauformen möglich sind.
  • Die passenden mechanische Aktuatorik um eine Bewegung aufzubringen, sowie auftretende Kräfte und Moment sicher abzustützen. Lineare Systeme sind z.B. als Schlitten oder auch als elektrischer Zylinder mit einer Spindel ausgeführt. 
  • Ein sogenanntes Feedbacksystem (Geber), welches die Motorposition zurückmeldet und somit Weg- oder Winkelmessung ermöglicht.
  • Einen Motorregler mit Leistungselektronik, der die Positionierung des Systems übernimmt. 
  • Entsprechende Motorkabel zum Verbinden des Antriebs mit der Regelelektronik. Moderne Motoren besitzen Stecker für sogenannte Hybridkabel (One-Cable-Lösungen) die Gebersignal und Leistung vereinen. Gegenüber herkömmlichen Lösungen vereinfacht sich also die Verkabelung erheblich.
Servomotoren
Servomotoren sind in vielen Baugrößen erhältlich und Basis der elektrischen Achsen

Unterschiede gibt es hier natürlich in der Art und Weise wie schwierig oder leicht sich z.B. Parameter einstellen und übertragen lassen. Achten Sie also auf eine möglichst leichte und intuitive Bedienung der Software die Ihnen Zugang zu den entsprechenden Parametern verschafft.

Moderne Software erweckt Antriebe zum Leben und ermöglicht noch viele weitere Features!

Eine moderne Motorsteuerung ermöglicht aber noch viel mehr Funktionen, als nur die zuvor genannten Wunsch-Features. Da Softwarebasierte Steuerungen zudem ständig weiterentwickelt werden, lassen sich durch Updates oftmals sogar zu einen späteren Zeitpunkt weitere Funktionen hinzufügen – und das ohne neue Hardware anzuschaffen.

Moderne Software in der Prüftechnik - SMARTTESTER®
Mit modernere Software werden elektrische Antriebe kinderleicht bedienbar

So können können manche Systeme z.B. während einer laufenden Prüfung die Regelung der Antriebe abschalten. In der Praxis bedeutet das: Sie können eine elektrische Drehachse durch ein von außen wirkendes Moment antreiben lassen, ohne dass der Motor die Anwendung blockiert oder Schleppfehler auftreten. Dank des Einsatzes moderner Multiturn-Absolutwertgeber gehen dabei keine Positionen verloren und das Motorsystem lässt sich nach einer Unterbrechung jederzeit präzise neu starten. Damit ist auch die Voraussetzung für den Einbau von Drehmodulen im generatorischen Betrieb erfüllt: Etwa als Bremsen, die im Prüfaufbau Lasten simulieren. Die Motorsteuerung verschafft Ihnen also weitere Flexibilität bei der Realisierung komplexer, dynamischer Prüfszenarien und erschließt Ihnen weitere Anwendungsmöglichkeiten die mit einfacher Pneumatik gar nicht denkbar wäre.

Besonderheiten in der Prüftechnik

Servomotoren und mechanische Aktuatoren kommen aus dem allgemeinen Maschinenbau und sind heute ausgereifte und zuverlässige Produkte. Allerdings unterscheidet sich eine Fertigungsanlage doch zum Teil erheblich von einem Prüfstand, wodurch sich die Anforderungen an die elektrischen Antriebe etwas spezieller darstellen. Gerade wenn der Prüfansatz universell ist, d.h. wenn die Technik öfter umgebaut wird, sollten ein paar wichtige Punkte beachtet werden. Nachfolgend ein paar Tipps für die Überlegung elektrische Antriebe in der Prüftechnik zu verwenden:

  • Wenn Sie planen öfter umzubauen, lohnen sich auf jeden Fall Lösungen mit Hybridkabel. Hier wird nur ein Kabel zum Antrieb verlegt, was den Installationsaufwand reduziert und deutlich Platz spart.
  • Wenn möglich, leisten Sie sich Absolutwertgeber in sogenannten “Multiturn”-Ausführung an den Antrieben. Diese verlieren auch stromlos nicht ihre Position, so dass Inbetriebnahme und sofortiger Betrieb in jeder Position möglich ist. Dadurch sparen Sie auch die Kosten und den Aufwand für das Abfragen der Endpositionen und eine lästige “Referenzfahrt” vor dem Prüfbeginn kann entfallen.
  • Achten Sie auf hochwertige Kabel. Im Gegensatz zu einer Produktionsmaschine, in der die Kabel einmal verlegt werden, wird in Prüfständen oft umgebaut. Hier sollten Sie stabile Kabel einsetzten. Sogenannte schleppfähige Kabel sind besonders robust, aber auch teuer und durch die großen Querschnitte etwas sperrig.
  • Strom, Spannung und Leistung: Aufbauten die leicht zugänglich sind und oft verändert werden, sollten nur mit einer geringen Spannung betrieben werden. Hier bieten sich Systeme an, die mit einer Gleichspannung von bis zu 50 V DC arbeiten. Dadurch ist zwar die Gesamtleistung begrenzt, es entsteht aber deutlich weniger Gefahrenpotenzial für die Anwender als bei Hochvolt-Systemen. Zudem ist die Leistung für viele üblich Anwendungen vollkommen ausreichend.
kompakter Aktuator
Aktuatoren mit Servotechnik können sehr kompakt ausgeführt werden

Unser Fazit:

Ob Geschwindigkeiten, Beschleunigungen oder Positionen. Elektrische Antriebe ermöglichen es, einen Prüfstand in vielfältiger Weise zu nutzen und erleichtern somit Anwendung und Dokumentation. Weil die Schnittstellen zum Anwender dabei durch moderne Software realisiert werden, lassen sich die Systeme heute kinderleicht bedienen. Software lässt sich zudem auch im Nachhinein weiterentwickeln und verbessern, so dass mit neuen Funktionen und Features zu rechnen ist. Eine ehemals komplizierte Technik wird somit universell einsetzbar und ist durch Ihre hohe Funktionsdichte ein wichtiger Baustein in der modernen Prüftechnik.

Nützliche Links

Elektrische Antriebstechnik von Beckhoff:

Pneumatische und elektrische Antriebe von Festo:

SMARTTESTER® Software für die Prüftechnik:

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