Neue Dimensionen

Hydraulik - Hydraulische Antriebe bieten mehr als hohe Kräfte: Neu entwickelte feldbusfähige elektrohydraulische Achsen eröffnen völlig neue Möglichkeiten an Genauigkeit, Geschwindigkeit und Flexibilität und senken deutlich die Kosten einer Achse über den gesamten Lebenszyklus hinweg.

23. August 2005

In der Hydraulik findet derzeit eine Revolution statt: Bislang ermöglichte dieses Antriebsverfahren vor allem die Übertragung von besonders hohen Kräften. Bei der Genauigkeit und Dynamik allerdings stieß die Hydraulik im Vergleich zu anderen Antriebsprinzipien an ihre Grenzen.

Völlig neue Dimensionen für feldbusfähige elektrohydraulische Achsen eröffnet die bewährte Mechanik heute jedoch in Verbindung mit schneller Aktuatorik und hochauflösender Sensorik. Industrielle Praxis sind mittlerweile beispielsweise Beschleunigungen bis 80 g, Eilgänge bis zu 10 Meter pro Sekunde oder Regelzyklen im Millisekundenbereich. Bei Nibbelmaschinen bewegen elektrohydraulische Achsen inzwischen Kräfte bis zu 30 Tonnen mit bis zu 1.500 Doppelhüben die Minute, im Graviermodus sogar bis zu 4.000 Doppelhübe. Bei Aluminium-Druckgußmaschinen verzögern elektrohydraulische Achsen innerhalb von 30 bis 40 Millisekunden von 10 Meter pro Sekunde auf Null. Gleichzeitig genügt die Präzision höchsten Ansprüchen, denn je nach Wegmeßsystem lassen sich Genauigkeiten bis zu 1 Mikrometer erreichen.

Aber nicht nur die Leistungsdaten haben sich deutlich verbessert, sondern vor allem ist die Einbindung in moderne Steuerungsarchitekturen wesentlich vereinfacht. Eine konsequente Entkoppelung von Antriebsphysik und Automatisierungstechnik erschließt damit völlig neue Einsatzgebiete für die Elektrohydraulik, und die Anwender können bei gleichem Komfort unter den verschiedenen Antriebstechnologien die jeweils am besten geeignete und wirtschaftlichste Lösung auswählen und miteinander kombinieren.

Besonders empfehlen sich deshalb Anbieter, deren Produktsortiment sämtliche Antriebs- und Steuerungstechnologien umfaßt. Bosch Rexroth beispielsweise bietet komplette einbaufähige elektrohydraulische Achsen, die sich auf einfache Weise in dezentrale Steuerungssysteme einbinden lassen. Die Antriebstechnikspezialisten aus Lohr am Main setzen dabei konsequent auf dezentrale Intelligenz und offene Systeme mit einer vollständigen Trennung von Antrieb und Automatisierung.

Eigens entwickelte Software-Module gleichen die Nichtlinearitäten der Hydraulik automatisch aus. So kompensiert die Regelelektronik den Einfluß des Differentialzylinders, linearisiert die Durchflußcharakteristiken und Magnetkennlinien der Ventile oder erhöht den Dämpfungsgrad des Antriebs durch eine Rückführung der Zustandsgrößen. Dabei laufen sämtliche Algorithmen nach einer einmaligen Kalibrierung ohne manuelle Bedienereingriffe im Hintergrund ab.

Durch diese Entkoppelung der spezifischen Eigenheiten entfällt für die Automatisierung die Frage nach der jeweiligen Antriebstechnik: Zur Steuerung genügt die Eingabe der Parameter wie Position, Geschwindigkeit oder Kraft über die Bedieneroberfläche: Ob eine Achse elektromechanisch oder elektrohydraulisch angetrieben wird, ist für den Bediener weder relevant noch an der Qualität zu erkennen.

Die intelligenten Antriebe besitzen Schnittstellen zu allen gängigen Feldbussystemen wie Profibus, Interbus oder CANopen.

Mit der HNC100 bietet Rexroth darüber hinaus die weltweit einzige intelligente Achslösung, die sowohl elektrische als auch hydraulische Antriebe über die international genormte offene Antriebsschnittstelle Sercos Interface ansteuert. Dem Maschinenhersteller ermöglicht dies die einfache Integration hydraulischer Antriebe in moderne Maschinendesigns auch ohne tiefgehende Kenntnisse dieser Technologie. Zudem bietet der Einsatz von standardisierter PC-Technologie alle Vorteile der dezentralen Steuerungsarchitektur wie Modularisierung der Baugruppen oder transparenten Datenzugriff.

Skalierbar sind bei diesen elektrohydraulischen Antrieben nicht nur die mechanischen Komponenten, sondern auch die Hard- und Software der Steuerungen. So reicht das Steuerungsprogramm für Elektrohydraulik vom Ein-Achs-Regler bis zur 32-Achs-NC-Steuerung. Zur Wahl stehen dabei grundsätzlich sowohl externe Regelelektroniken für den Schaltschrank als auch in den Aktoren integrierte Regler. Die externen Einschubkarten verfügen über maximal 24 digitale Ein-/Ausgänge und ermöglichen die Regelung von Position, Kraft und Geschwindigkeit, eine ablösende Lage- und Druckregelung sowie Gleichlaufregelung für die Bewegung mehrerer Achsen. Durch Interpolation zwischen zwei oder mehr Achsen lassen sich Bahnsteuerungen realisieren.

Ein wesentlicher Vorteil gegenüber Schaltschrankelektroniken ist zudem die vereinfachte Inbetriebnahme durch einen deutlich reduzierten Verdrahtungsaufwand.

Neue temperatur- und vibrationsfeste Microcontroller erlauben es, die Achsregelfunktion direkt in den fluidischen Stellgliedern wie Stetigventil oder Verstellpumpen zu realisieren. Bei den neuen Regler-Baureihen IAC-P und IAC-R ist die Regelelektronik komplett im Ventil integriert. Zum Einsatz kommen die elektrohydraulischen Antriebe beispielsweise für Vorschubachsen in Rundtakt-CNC-Werkzeugmaschinen oder bei der Papierherstellung. Mit Schnittstellen zu inkrementalen Meßsystemen lassen sich Achsgenauigkeiten von 1 Mikrometer erreichen. Dabei werden die Meßsignale direkt vor Ort eingelesen und der Regelkreis im Antrieb geschlossen. Die Integration mehrerer Drucksensoren erlaubt darüber hinaus ablösende Regelungen mit nur wenigen Komponenten.

Die IAC-Achsregler lassen sich sowohl im Open-Loop- als auch im Closed-Loop-Betrieb einsetzen und ermöglichen durch Differenzdruckmessung eine echte Volumenstromregelung ohne Druckwaage. Die dazu notwendige Ventilkennlinie ist als Tabelle in der integrierten Elektronik abgelegt. Ablösende Positions-/Druck- und Positionskraftregelungen werden mit weichen Übergängen zwischen den Regelmodi realisiert.

Die elektrohydraulischen Achsen lassen sich in marktübliche SPS-, Motion Control- und CNC-Steuerungen integrieren. Bei SPS-Anwendungen, bei denen lediglich Parameter und Startzeitpunkt übermittelt werden, erfolgt die Ablaufsteuerung in der Antriebselektronik. Neben Standardbefehlen für die Erstellung von NC-Programmen verfügen die Regelelektroniken über spezielle, auf die Hydraulik abgestimmte NC-Befehle. Offline erstellt und dann geladen wird das Programm mit einer Software, die im Internet zum kostenlosen Download bereitsteht. Die Feldbusanbindung ermöglicht auch den durchgängigen Datenzugriff für Diagnose und Wartung der Antriebe in gleicher Weise wie bei elektromechanischen Achsen. So lassen sich Statusinformationen, Sollwerte und Parameteränderungen zwischen übergeordneter Steuerung und intelligenter Achse austauschen oder via Internet abrufen. Mit dieser konsequenten Trennung von Mechanik und Automatisierungstechnik liefert Rexroth nicht mehr allein Komponenten, die der Anwender individuell zusammenstellt, sondern komplette, vorgeprüfte und einbaufertige elektrohydraulische Systeme. Das Unternehmen übernimmt damit die Systemverantwortung für die Dimensionierung, Konfektionierung und Kalibrierung

von Achsen, Steuerung und Feldbussystemen mit Hilfe von speziellen Simulationsprogrammen auf Basis von Rahmendaten wie Geschwindigkeit, Weg, Dynamik oder Positioniergenauigkeit.

Roland König, Bosch Rexroth

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2005