21.08.2019

Linearmotormodul als Ersatz für Servohydraulik

Umstieg auf Elektro

Bei Prüfmaschinen für Dauer- oder Schwingungsfestigkeitstests von Materialien wird der Prüfling oft zyklisch auf Zug und Druck be- und entlastet. Er soll hohe, wohldefinierte Kräfte aufnehmen, während die Häufigkeit der Prüfvorgänge als Takt die Nutzungsdauer simuliert. Um z.B. den Energieverbrauch und den Wartungsaufwand im Prozess zu verringern, bieten sich hierbei rein elektrische Linearmotormodule an.

Autor: Jörn Jacobs


Wie die Elektrifizierung den Wandel zu Linearmodullösungen bestimmen kann.
Bild: VSM Antriebstechnik GmbH

Bei Fertigungsmaschinen, in denen Teile verpresst oder gefügt werden, kommt es auf hohe Taktraten und wohldefinierte Kräfte an. Weil keine langen Wege für die Aufgabe zurückgelegt werden müssen, sind die Hübe gering. Gleiches gilt bei Material oder Werkstückzuführung mit hohen Massen und Taktraten oder auch für Siegelvorgänge in schnellen Verpackungsmaschinen wie Schlauchbeutelmaschinen.

Elektrische Lösungen

Bislang wurden solche Kombinationen von Kraft und Geschwindigkeit nur mit Servohydraulik erreicht, wobei immer das Risiko von Leckagen besteht. Bedingt durch die hohen Betriebsdrücke kann es im Störungsfall nicht nur zur Produktkontamination, sondern auch zum Personenschaden kommen. Daher unterliegen hydraulische Anlagen einer zyklischen Prüfpflicht - Öl, Filter und Schläuche müssen regelmäßig getauscht werden. Zudem weist die hydraulische Lösung durch die zweifache Energieumwandlung von elektrischer zu hydraulischer zu mechanischer Leistung auch hohe Energieverluste auf. Insofern bietet eine rein elektrische Lösung verschiedene Vorteile: vom Energieverbrauch und Wartungsaufwand über die Parametrierbarkeit bis zum geringeren Sicherheitsrisiko. Allerdings gab es bis vor kurzem kaum eine Möglichkeit, die geforderten hydraulischen Leistungen elektrisch nachzubilden.

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Hohe Anforderungen

Der klassische Servoaktuator mit Kugelgewindetrieb kann wegen der geringen Hübe und hohen Frequenzen nicht punkten. Sein Trägheitsmoment im linear-rotativen System und Probleme mit der Schmierung bei Bewegungen unter einer Umdrehung würden verhindern, dass bei solchen Betriebsbedingungen ausreichend Leistung und eine befriedigende Lebensdauer geliefert wird. Eisenlose Linearmotoren oder verfügbare zylindrische Linearantriebe schieden aufgrund ihrer zu geringen Leistung ebenfalls aus. Was also tun, wenn der Anwender einen Antrieb verlangt, der 3kN bei 100 Doppelhüben pro Sekunde leisten und außerdem noch skalierbar sein soll? Das Unternehmen VSM und das Ingenieurbüro IBD haben dazu gemeinsam eine Lösung präsentiert.

Hohe Leistungsfähigkeit

Die geforderte Leistung wird hierbei durch die Kombination hochwertiger Linearmotorkomponenten von Moog, einem hochauflösenden Lineargeber, steifer mechanischer Komponenten in Verbindung mit hoher Reduzierung der bewegten Massen sowie einem leistungsfähigen Servoregler erreicht. Das Modul ist wie gewünscht skalierbar und so auch für hohe oder niedrige Kräfte verfügbar. Die größte Ausbaustufe erreicht eine Spitzenkraft von 30kN. Eine Wasserkühlung ist optional möglich und steigert so die verfügbare Dauerleistung. Ebenso lassen sich größere Geschwindigkeiten als die 1m/s der konkreten Anwendung realisieren. Bei vertikalem Einbau und schweren Lasten kann zudem eine Haltebremse eingebaut werden. Ansonsten ist die Funktion von der Einbaulage unabhängig. Wichtig ist dabei: Das Maschinengestell ist in der Lage, die Kräfte beim Beschleunigen und Bremsen aufzunehmen ohne dadurch selbst in Resonanz zu geraten. Das lässt sich z.B. durch große Massen wie Granit- oder Betonfundamente in Kombination mit steifen Rahmenteilen erreichen.

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Spürbare Kostenvorteile

Durch die Zusammenarbeit der Beteiligten konnte mit der Entwicklung der Maschine ein weiterer Schritt gegangen werden, um Hydraulik im Prüf- und Fertigungsbereich zu ersetzen. Die Kostenvorteile in einer Betrachtung der Gesamtkosten zeigen, dass sich die Investition schnell amortisieren kann. Parallel wurden durch die rein elektrische Konstruktion des Systems Voraussetzungen geschaffen, um die Anlagen genauer zu parametrieren.

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