Optimierung von linearen Bewegungslösungen mit hybriden Automatisierungssystemen

Die Kombination einer integrierten Lösung für Bewegung und Maschinenlogik.

Es gibt viele technische und wirtschaftliche Faktoren, die Erstausrüster (OEMs) bei der Entwicklung von Bewegungssteuerungslösungen für Industriemaschinen berücksichtigen müssen. Viele Arten von Industriemaschinen verwenden Bewegungssteuerung, um ihre Funktionen auszuführen, und einige der beliebtesten Technologien, auf die OEMs für lineare Bewegungssteuerung angewiesen sind, sind Pneumatik und elektrische Linearaktuatoren. Die Bewegungssteuerung kann manuell durch Bediener oder automatisch durch fortschrittliche Steuerungsplattformen initiiert werden.

Bei der Entwicklung von Automatisierungssystemen mussten OEMs in der Vergangenheit zwischen verschiedenen Technologien zur Bewegungssteuerung wählen. Pneumatische und elektrische Antriebe haben jeweils ihre Stärken: Pneumatische Antriebe gelten als robust und einfach zu bedienen und zu warten, während elektrische Antriebe als intelligent, schnell und präzise angesehen werden. OEMs mussten sich für die Technologie entscheiden, die den größten Nutzen für eine Anwendung bietet, aber bei einigen Anwendungen wurden wichtige Anforderungen zugunsten anderer geopfert.

Prozesse und Anwendungsprioritäten haben sich im Laufe der Zeit weiterentwickelt. Nachhaltigkeit hat heute in fast allen Branchen oberste Priorität, während die Prozesse komplexer geworden sind und präzisere, effizientere Bewegungen erfordern. Funktionen werden auf kleinerem Raum mit weniger Komponenten zusammengefasst.

Auch etwas anderes Wichtiges hat sich geändert. OEMs müssen sich nicht mehr nur für eine Technologie entscheiden. Es gibt hybride Automatisierungssysteme, die die Stärken von pneumatischen und elektrischen Technologien kombinieren und so den größten Nutzen für komplexe Bewegungssteuerungsanwendungen bieten.

Trends für hybride Automatisierungssysteme

Einige OEMs fragen sich vielleicht, warum es neben der pneumatischen auch eine elektrische Linearbewegung geben muss. Wenn wir einige Trends erkennen, die die Entwicklung und den Einsatz von hybriden Automatisierungssystemen vorantreiben, können wir besser verstehen, wie technologieübergreifende Lösungen entstanden sind. Nachhaltigkeit, digitale Transformation, Maschinenkonstruktion und Wettbewerbsdruck beeinflussen die Popularität dieser Systeme.

Nachhaltigkeit

Energieverbrauch, Kohlendioxidemissionen und Kosteneinsparungen stehen in allen Branchen zunehmend im Mittelpunkt. Persönliches Verantwortungsbewusstsein, Kundennachfrage, staatliche Vorschriften und der Druck von Interessengruppen verstärken diesen Fokus, und viele Unternehmen gehen Verpflichtungen und langfristige Ziele ein, die auf ehrgeizigen Netto-Null-Initiativen basieren.

Bewegungssteuerungssysteme, die weniger Energie verbrauchen und mit erneuerbaren Ressourcen betrieben werden können, sind der Schlüssel zu energieeffizienten Anlagen und Teil einer nachhaltigen Unternehmensstrategie.

Digitale Transformation

Die Hersteller von heute interagieren in ihrem täglichen Leben mit digitaler Automatisierung und detaillierten Benutzeroberflächen und erwarten die gleichen digitalen Fähigkeiten von industriellen Systemen. Unternehmen, die ihre Betriebsabläufe digital umgestalten, sehen echte, zuverlässige Vorteile.

Eingebettete Sensoren in Geräten erfassen kontinuierlich Temperatur, Position, Last und Verschleiß in Echtzeit. Überwachung, automatische Konfiguration und Diagnose sowie gesammelte Prozessdaten, die in Dashboards dargestellt werden, geben den Bedienern den Einblick, den sie brauchen, um sichere und fundierte Entscheidungen zu treffen. Vernetzte Bewegungssteuerungssysteme ermöglichen es den Bedienern, die Produktionsleistung, den Energieverbrauch und die Zuverlässigkeit zu analysieren.

Der Zugang zu diesen Erkenntnissen über Dashboards ermöglicht den Herstellern eine bessere Kontrolle und kontinuierliche Verbesserung ihrer Abläufe und letztlich ihrer Produktion.

Marktwettbewerb

Angesichts von Arbeitskräftemangel und Lieferkettenproblemen war es für Unternehmen noch nie so schwierig wie heute, sich einen Wettbewerbsvorteil zu sichern. Darüber hinaus haben die digitale Transformation der industriellen Fertigung und die fortschrittlichen Technologien, die sie vorantreiben, es den Unternehmen, die in sie investieren, ermöglicht, ihre Abläufe erheblich zu optimieren.

Es ist wichtiger denn je, flexibel auf sich ändernde Marktanforderungen zu reagieren und die Kundennachfrage zuverlässig zu erfüllen, um an der Spitze des Marktes zu bleiben. Hersteller müssen Maschinenstillstandszeiten minimieren und die Produktion maximieren. Der Einsatz von vernetzten hybriden Automatisierungslösungen kann dazu beitragen, die Zuverlässigkeit und Betriebszeit von Maschinen zu verbessern.

Um den Energieverbrauch zu optimieren, die Betriebsabläufe zu verbessern und in ihrer Branche an der Spitze zu bleiben, suchen Unternehmen nach einem kompletten Motion-Control-Paket. Führende Technologieanbieter sind sich dessen bewusst und haben eine Reihe fortschrittlicher, integrierter Lösungen entwickelt, die Servoantriebe, Motoren und elektrische Aktuatoren sowie Pneumatik kombinieren.

OEMs haben die Möglichkeit, hybride Automatisierungssysteme in Maschinenkonstruktionen zu integrieren, die besser auf die wichtigsten Bedürfnisse und Anliegen ihrer Kunden abgestimmt sind.

Automatisierung und modernes Maschinendesign

Eine Möglichkeit für Unternehmen, Herausforderungen zu meistern und die Produktion zu steigern, ist die Integration kleinerer, hochentwickelter Maschinen in ihre Produktionslinien. Kleinere Stellflächen ermöglichen es, mehr Maschinen auf der gleichen Produktionsfläche unterzubringen, und fortschrittliche Bewegungssteuerungstechnologie kann es ermöglichen, Aufgaben mit höherer Präzision zu automatisieren, von der Montage bis zur Endkontrolle des Produkts.

Die Hersteller suchen außerdem nach einer Bewegungssteuerungstechnologie mit folgenden Merkmalen: höhere Genauigkeit, um Ausschuss zu vermeiden, kürzere Zykluszeiten, um den Ausstoß zu erhöhen, und größere Positionsflexibilität, damit die Bediener die Maschinenprogramme auf Knopfdruck ändern können. Der Einsatz von Maschinen mit diesen Merkmalen kann zu einer höheren Produktion in kürzerer Zeit führen, die Nachhaltigkeit verbessern und die Kosten senken.

Auswahl von pneumatischen, elektrischen oder hybriden Bewegungssteuerungen

Es gibt viele Angebote für Bewegungssteuerungen, und es kann verwirrend sein, zwischen ihnen zu wählen. Wann setzen OEMs elektrische, wann pneumatische und wann beides ein?

Bei der Auswahl von Antriebslösungen gibt es viele Faktoren und Bedenken zu berücksichtigen:

1. Erfüllen sie die Anforderungen an Leistung, Flexibilität und Genauigkeit der Anwendung?

2. Wie hoch sind die anfänglichen Betriebs- und laufenden Wartungskosten?

3. Wie wirken sie sich auf die Energieeffizienz der Maschine aus?

4. Wie lassen sich die Produkte der Antriebstechnik mit anderen Geräten integrieren?

5. Können sie Daten sammeln und den Gerätezustand analysieren?

6. Werden sie die Entwicklung einer Maschine einfacher und schneller machen?

7. Wie hoch ist die Lernkurve für neue Technologien?

Pneumatische und elektrische Bewegungssteuerung haben je nach den Anforderungen einer Anwendung unterschiedliche Vorteile, und eine Anwendung kann von einer oder beiden Technologien profitieren. Bei einigen Anwendungen ist es ganz klar, welche die beste Lösung ist. Für einen einfachen Mechanismus zum Abschieben von Kartons von einem Förderband ist ein Pneumatikzylinder am sinnvollsten. Sollen diese Kisten jedoch auf verschiedene Linien oder Positionen auf dem Förderband sortiert werden, ist ein elektrischer Antrieb mit mehreren Positionen erforderlich.

Bei komplexeren Anwendungen kann die Wahl unklar sein. Dies ist ein Zeichen dafür, dass Anwendungen den größten Nutzen aus dem Einsatz beider Systeme ziehen können. Elektromechanische Zylinder können über einen Pneumatikanschluss Druckluft für Sperrluft in Abfüllanwendungen nutzen. In Montagesystemen kann ein elektrisches Linear-Mehrachsensystem einen pneumatischen Greifer verwenden. Und eine elektrische Linearachse, die in vertikaler Richtung arbeitet, kann einen Pneumatikzylinder zum Gewichtsausgleich verwenden.

Die technologieübergreifende Automatisierung ermöglicht es OEMs, die komplementären Stärken der pneumatischen und elektrischen Antriebstechnik in derselben Anwendung zu nutzen und die Vorteile an ihre Kunden weiterzugeben.

Schauen wir uns die Stärken der einzelnen Technologien an, um besser zu verstehen, wie sie zusammenarbeiten können:

Pneumatische Bewegungssteuerung

Bei der pneumatischen Bewegungssteuerung wird ein komprimiertes Gas verwendet, das physikalisch auf einen Mechanismus wirkt, um die gewünschte Bewegung zu erzeugen. Pneumatische Lösungen bieten nachweislich einen robusten Betrieb in Bezug auf Hardware, Design und Installation, und bei der Aufrüstung eines pneumatischen Systems müssen in der Regel weniger Komponenten geändert oder ersetzt werden als bei einem Servosystem.

Das bekannteste Beispiel für eine pneumatische Bewegungssteuerung ist ein Zylinder mit internem Kolben, der eine lineare Bewegung erzeugt. Dies mag der Grund dafür sein, dass die Pneumatik oft als eine diskrete Bewegungstechnologie angesehen wird, die nur zum vollständigen Ausfahren oder Einfahren eines Mechanismus geeignet ist.

Die kontinuierliche Innovation durch die Anbieter von Bewegungssteuerungs-Technologien hat jedoch das Spektrum der Möglichkeiten erweitert. So können beispielsweise mit Schwenkantrieben kontinuierliche Drehbewegungen erreicht werden.

Sensoren und Durchflusssteuerungen sind ebenfalls verfügbar, um den Betrieb zu überwachen und zu optimieren, während die Differenzdrucksteuerung eine kontinuierliche pneumatische Positionierung der Geräte ermöglicht. Mit relativ kleinen elektropneumatischen Ein/Aus-Magnetventilen oder modulierenden Stellventilen wird ein kontrollierter Druck gegen einen konstanten Gegendruck angelegt.

Der Bediener kann die Position manuell über Taster und Schalter oder automatisch über eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) oder einen Loop Controller steuern.

Elektrische Bewegungssteuerung

Elektrische Stellantriebe in Kombination mit Servomotoren sind für ihre hohe Geschwindigkeit, Genauigkeit und Effizienz bekannt. Die Bewegung wird durch die Umwandlung von Elektrizität in eine Rotations- oder Linearbewegung erreicht. Diese Systeme mit geschlossenem Regelkreis umfassen in der Regel komplexere Komponenten, wie z. B. einen Bewegungsregler, einen Servoantrieb, einen Motor und einen Rückführungssensor sowie Konstruktionsverfahren als pneumatische Bewegungslösungen.

Jeder Servomotor ist mit einem Antrieb verbunden, der den befohlenen Signalen folgt, die die gewünschte Funktion erfüllen und eine genaue Positionierung, präzise Winkelgeschwindigkeiten und variable Beschleunigungsprofile liefern können. Mit einer solchen Bandbreite können Servosysteme eine Positionssteuerung für verschiedene Anwendungen bieten, von einem Roboterarm bis hin zu kontinuierlich rotierenden Förderbändern.

Da es sich bei Servoantrieben und -steuerungen um Mikroprozessorgeräte handelt, verfügen sie über ein hohes Maß an integrierter Funktionalität und können direkt lokale und entfernte Diagnose- und Datenprotokollierungsfunktionen für Armaturenbretter bieten.

Die Verbindung von SPS und anderen Steuerungen mit Servo-Antriebssystemen kann OEMs helfen, eine noch fortschrittlichere Bewegungssteuerung und Synchronisation zu erreichen. Zu den spezialisierten Funktionen gehören hochpräzise Positionierung mit Wiederholgenauigkeit im Submikrometerbereich, elektronische Nockensteuerung und elektronisches Getriebe, die selbst für die komplexesten Anwendungen wie Bearbeitung, Robotik und Fertigungsanlagen von Vorteil sind.

So kann beispielsweise eine Verpackungslinie von mechanischen Kurvenscheiben auf ein Servobewegungssystem mit elektrischen Kurvenscheiben umgestellt werden. Während der Formatwechsel mit mechanischen Kurvenscheiben komplex, zeitaufwändig und fehleranfällig ist, erfolgt die Umstellung der Maschine mit elektrischen Kurvenscheiben auf Knopfdruck. Das spart Zeit, verbessert die Genauigkeit, minimiert den Ausschuss und senkt die Kosten.

Hybride Bewegungssteuerung

Ein elektropneumatisches Hybrid-Automatisierungssystem kann Herstellern dabei helfen, die geeigneten Technologien für jede spezifische Funktion einzusetzen. Wenn Nachhaltigkeit, Positionsflexibilität, Präzision, Stabilität, leiser Betrieb, Konnektivität und Überwachung am wichtigsten sind, hat die elektrische Bewegung große Vorteile. Bei Anwendungen mit begrenztem Platzangebot, die einen robusten Betrieb oder eine schnelle Konstruktion, Installation und Inbetriebnahme erfordern, ist die pneumatische Bewegungssteuerung die beste Wahl.

Die Produktionslinien in den meisten Fertigungsstätten umfassen verschiedene Arten von OEM-Ausrüstung, wobei das Produkt zwischen den Maschinen über Transport- und Stauförderer bewegt wird. Diese Linien bieten viele Möglichkeiten, sowohl pneumatische als auch elektrische Linearbewegungen zu integrieren.

Eine typische Produktionslinie für Getränkeverpackungen umfasst beispielsweise die folgenden Funktionen: Streckblasen von Flaschen, Füllen und Verschließen von Flaschen, Fördern und Stauen, Etikettieren von Flaschen, Prüfen von Füllung und Etikett, Verpacken von Flaschen in Kartons sowie Palettieren und Einschweißen von Kartons. Das Streckblasen, das Falten von Kartons und das Auftragen von Leim profitieren alle von pneumatischen Bewegungen, während der Transport und die Positionierung von Flaschen in der Abfüll- und Etikettieranlage von Servobewegungen profitieren.

Einfache Transportbänder und Palettiersysteme profitieren von beiden Formen der Bewegung: Förderbänder können mit Elektromotoren angetrieben werden, und Produktstopps und Tore können mit pneumatischen Antrieben betrieben werden. Die Handhabung von Schüttgutkisten kann mit Pneumatik erfolgen, während Interpolation und feine Positionsanpassungen mit Servobewegungen gesteuert werden können.

Vorteile von hybriden Automatisierungssystemen

Führende Anbieter von Bewegungssteuerungen bieten heute integrierte Komplettlösungen an, die elektrische, pneumatische oder hybride Bewegungssteuerungen umfassen. Diese umfassenden Lösungen beinhalten intelligente Geräte auf der Feldebene, Bewegungssteuerung, Maschinensteuerung und Analytik.

Die pneumatischen Optionen umfassen einen Pneumatikzylinder, ein Ventilsystem, eine Steuerung, Analysefunktionen und ein Dashboard über ein Gateway, während die elektrischen Optionen einen elektrischen Linearantrieb, einen Servomotor und einen Antrieb, eine Steuerung und ein Dashboard über ein Gateway umfassen. Während beide Technologien Dashboards bieten, sind die Daten direkt vom Servoantrieb verfügbar, während für pneumatische Systeme zusätzliche Sensoren erforderlich sind.

Vollständige, integrierte Lösungen wie diese bieten sowohl für OEMs als auch für ihre Kunden viele Vorteile. Da sie bereits konstruiert und montiert sind, können hybride Automatisierungssysteme Beschaffung, Entwicklung und Inbetriebnahme rationalisieren. Andernfalls müssen die OEMs die Komponenten separat beschaffen und sie selbst aufeinander abstimmen und entwickeln. Dies dauert nicht nur länger und erhöht die Komplexität der Lieferkette, sondern kann auch zu Problemen bei der Dimensionierung führen.

Hybride Automatisierungssysteme bieten außerdem eine Flexibilität, die es OEMs ermöglicht, Maschinen zu entwickeln, die eine Vielzahl von Produkttypen herstellen, die Umrüstzeiten minimieren und den sich im Laufe der Zeit ändernden Anforderungen gerecht werden können. Da viele Unternehmen unter dem ständigen Druck stehen, den Durchsatz zu erhöhen und gleichzeitig die Betriebskosten zu senken, kann dies die Produktionsläufe verkürzen, die Maschinenauslastung erhöhen und die Lebensdauer der Anlagen verlängern.

Mit der elektronischen Rekonfiguration der Bewegungssteuerung können die Bediener Bewegungsprofile im Handumdrehen ändern, und einige Systeme bieten ein zukunftssicheres Design und sind mit Funktionen ausgestattet, die jetzt oder in zukünftigen Maschinengenerationen implementiert werden können. Um den Kunden ein Höchstmaß an Flexibilität zu bieten, sollten sie nach Systemen mit extrem vielseitigen elektrischen Antrieben suchen, die ein breites Spektrum von Anwendungsanforderungen abdecken.

Hybride Automatisierungssysteme bleiben nicht nur wettbewerbsfähig, sondern können auch die Nachhaltigkeit der Hersteller verbessern. Diese Systeme können eine bessere Maschineneffizienz bieten und den Ausschuss reduzieren, was wiederum den Ressourcenverbrauch und die Kosten senkt. Durch Energieeffizienz können Nachhaltigkeitsziele besser erreicht werden, während Kosteneinsparungen die Gesamtbetriebskosten senken können. Um eine höhere Wiederholbarkeit und Gleichmäßigkeit zu erreichen, ist es wichtig, ein System mit elektrischer Linearbewegung zu wählen, das ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit und Genauigkeit bietet.

Größere Flexibilität, Effizienz und Leistung

OEMs können feststellen, ob ein hybrides Automatisierungssystem für eine Anwendung von Vorteil ist, indem sie die wichtigsten Anwendungsfaktoren bewerten, darunter:

1. energieverbrauch,

2. betriebskosten,

3. flexibilität der Position,

4. genauigkeit,

5. vibrationen und Lärm,

6. CAP-EX,

7. konnektivität,

8. größe,

9. installations- und

10. inbetriebnahmezeit und Haltbarkeit.

Um die am besten geeigneten Lösungen auszuwählen, die die gewünschten Ergebnisse erzielen, ist es entscheidend, mit einem erfahrenen Partner für Bewegungssteuerung und digitale Transformation zusammenzuarbeiten, der über ein umfassendes Portfolio an Technologien und Größenoptionen verfügt. Ein solcher Partner kann OEMs bei der Inbetriebnahme von Lösungen helfen und langfristigen Support bieten.

Mit hybriden Automatisierungssystemen müssen Unternehmen nicht zwischen Leistung, Flexibilität, Nachhaltigkeit, Konnektivität und Kosten wählen. Sie können alles haben - präzise, leistungsstarke lineare Bewegungen, die Flexibilität, sich ändernden Produktionsanforderungen gerecht zu werden, Daten und Erkenntnisse zur Maximierung der Produktion, optimierter Energieverbrauch und niedrigere Gesamtbetriebskosten.