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Hydraulikzylinder vs. elektrischer Servozylinder

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Systemkomponenten und Funktionen zur Bewegungssteuerung/Kraft-/Geschwindigkeitsmessung

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Hydraulikzylinder, die für ihre hohe Kraft bei erschwinglichen Kosten bekannt sind, werden seit Jahrzehnten in der Fabrikautomation und anderen speziellen Automatisierungsanlagen eingesetzt. Hydrauliksysteme sind robust, relativ einfach zu implementieren und bieten niedrige Kosten pro Krafteinheit. In den letzten Jahren sind elektrische Stangenantriebe (Servozylinder) flexibler, präziser und zuverlässiger geworden und verfügen über immer größere Kraftkapazitäten. Diese Fortschritte haben eine anhaltende Debatte darüber ausgelöst, welche Technologie – Hydraulikzylinder oder elektrischer Antrieb – die beste Gesamtlösung bietet.

1. Elektrische Stangenantriebe vs. Hydraulikzylinder: Systemkomponenten

Die Anzahl der Komponenten und der Gesamtplatzbedarf für ein Hydraulikzylindersystem sind deutlich größer als bei einem elektrischen System. Hydrauliksysteme erfordern:

Einen Zylinder
Ein Aggregat zur Erzeugung des Öldrucks
Steuer- und Zusatzventile
Filter
Schläuche
Anschlussstücke
Weitere Komponenten

Hydraulikzylinder bieten eine kompakte Bauweise am Arbeitspunkt (wo die Leistungsdichte benötigt wird), doch das Hydraulikaggregat (HPU), das Durchfluss und Druck zu diesen Antrieben und anderen Komponenten regelt, kann einen großen Platzbedarf erfordern. HPUs sind nicht klein und werden in der Regel in der Nähe des eigentlichen Zylinders selbst platziert, was den Platzbedarf des Systems weiter erhöht. In sehr großen Systemen mit entfernt montierten HPUs können lange Schlauchlängen die Gesamtsteifigkeit und den Wirkungsgrad des Hydrauliksystems verringern.

Elektrische Stangenantriebe bieten einen geringeren Gesamtplatzbedarf. Diese Systeme bestehen aus einem mechanischen Antrieb, einem Motor (Servomotor oder anderweitig), einem optionalen Getriebe, Kabeln sowie einem Antrieb/Verstärker, der in der Regel in einem Schaltschrank untergebracht ist.

Obwohl der elektrische Stangenantrieb – aufgrund seiner Konstruktion, bei der ein Kraftgewinde- und Lagersystem integriert ist – im Vergleich zu einem Hydraulikzylinder zusätzliche Länge benötigt, wird diese zusätzliche Länge unter Berücksichtigung des gesamten Platzbedarfs des Systems durch den deutlich geringeren Platzbedarf des Servoantriebs – dem funktionalen Äquivalent der HPU – mehr als ausgeglichen. In der Regel verwenden Automatisierungsanlagen einen Schaltschrank und können für einen zusätzlichen Antrieb ausgelegt werden. Die Platzanforderungen für einen Servoantrieb betragen normalerweise nur einen Bruchteil derjenigen einer HPU.

Bei neuen Systemkonzepten lässt sich der Gesamtplatzbedarf der Maschine erheblich reduzieren, indem auf große Aggregate verzichtet wird – vorausgesetzt, am Arbeitspunkt kann der zusätzliche Platz für den Arbeitshub und die Gesamtlänge des elektrischen Stangenantriebs geschaffen werden.

2. Elektrische Stangenantriebe im Vergleich zu Hydraulikzylindern: Bewegungssteuerungsmöglichkeiten

Der Hauptgrund, warum Ingenieure ein elektrisches Antriebssystem einem Hydraulikzylindersystem vorziehen, ist die Flexibilität seiner Bewegungssteuerungsmöglichkeiten: Positionssteuerung (mehrere Positionen, Genauigkeit); Geschwindigkeitssteuerung; Steuerung von Beschleunigung und Verzögerung; Steuerung der Ausgangskraft; sowie die komplexe Steuerung all dieser Bewegungsvariablen in Echtzeit. Elektrische Aktuatoren, gekoppelt mit einem Servoantrieb und einem Motorsystem, ermöglichen eine stufenlose Positionssteuerung. Die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Position liegen weit über den Möglichkeiten eines Hydrauliksystems.

Standardhydraulik eignet sich hervorragend für Anwendungen mit End-zu-End-Positionierung, doch die Positionierung in der Mitte des Hubs ist komplizierter und erfordert ein Steuerventil sowie die Unterstützung durch den Bediener. Die Positionierung in der Hubmitte erfolgt im offenen Regelkreis und erfordert, dass ein Bediener entscheidet, welche Position akzeptabel ist. Zudem wird die Geschwindigkeitsregelung über ein Regelventil überwacht und erfordert wiederum, dass ein Bediener die für eine Anwendung akzeptable Geschwindigkeit einstellt; das Erreichen einer exakten Geschwindigkeitseinstellung ist jedoch oft schwer zu bewerkstelligen. Sobald die Geschwindigkeitseinstellung angepasst ist, wird die vom Hydraulikzylinder erforderliche Druckkraft über das Druckventil geregelt. Schließlich unterliegen die Wiederholgenauigkeit von Position, Geschwindigkeit und Kraft eines Hydraulikzylinders dem Verschleiß der Dichtungen, Leckagen, Druckabfällen und Druckspitzen seitens der Pumpe sowie anderen Wartungsfaktoren. In einer Produktionsumgebung ist es schwierig, von Tag zu Tag, von Monat zu Monat oder von Jahr zu Jahr wiederholbare Leistungen zu erzielen, wenn sich Ölqualität und Viskosität aufgrund von Temperaturschwankungen ändern. Um das gewünschte Leistungsniveau zu erreichen, sind ständige Eingriffe des Bedieners erforderlich.

Fortgeschrittenere Hydrauliksysteme, sogenannte „Servohydrauliksysteme“, können Position, Geschwindigkeit und Kraft präzise steuern, erfordern jedoch zusätzliche Komponenten – einen Servoregler, ein elektrohydraulisches Servoventil und eine Positionsrückmeldung wie beispielsweise einen linearen Wegaufnehmer –, was zu einer erheblichen Zunahme an Komplexität, Platzbedarf und Kosten führt. Diese Komponenten regeln den Druck und den Durchfluss in den Hydraulikzylinder, ähnlich wie ein Servoantrieb den Strom zu einem Servomotor steuert. In der Hydraulik gibt es auch noch fortschrittlichere Steuerungen, die die koordinierte Steuerung mehrerer Achsen ermöglichen. Dies ist jedoch bei der Implementierung von Hydrauliksystemen selten der Fall, und diese Steuerungen erhöhen die Komplexität und die Kosten des Gesamtsystems erheblich. Zudem können sie recht empfindlich sein und erfordern eine strenge Wartung, um die gewünschte Leistung zu gewährleisten.

In Kombination mit einem Servoregelsystem bieten elektrische Aktuatoren mehr als nur stufenlose Regelung sowie überragende Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit. Mehrachsige Servoregler sind heute bei den meisten modernen Steuerungssystemen serienmäßig erhältlich. Regler und elektrische Aktuatoren lassen sich in komplexen Konfigurationen einfacher und kostengünstiger aufeinander abstimmen als bei den eher begrenzten hydraulischen Varianten. Die Geschwindigkeit eines oder mehrerer elektrischer Aktuatoren wird jederzeit präzise und genau geregelt und kann problemlos von einer Geschwindigkeit in eine andere übergehen, ohne anzuhalten oder die Position zu überschreiten. Dank der Beschleunigungs- und Verzögerungsregelung stoßen elektrische Stellantriebe nicht mit einem „Ruck“ gegen Endanschläge und setzen sich nicht ruckartig in Bewegung. Dies entlastet die Rahmenelemente und macht eine überdimensionierte Auslegung der Konstruktionen zur Aufnahme von Stoßbelastungen überflüssig. Alle Bewegungen verlaufen sanft – wodurch elektrische Stellantriebe in missionskritischen Prozessen eingesetzt werden können, in denen Maschinenvibrationen nicht akzeptabel sind oder die Prozessgeschwindigkeit beeinträchtigt wird. Die Kraft wird über den Strom zum Servomotor geregelt. Da Servoregler eine präzise Steuerung des Stroms ermöglichen, bieten fast alle elektrischen Stellantriebe eine genaue und wiederholbare Regelung der Kraftabgabe am Arbeitspunkt.

Schließlich ist ein wichtiges Merkmal elektrischer Aktuatoren ihre Fähigkeit, alle Variablen des Bewegungsprofils programmierbar zu steuern. Daher besteht die einzige erforderliche Bedienereingabe in der anfänglichen Konstruktionsphase, in der die gewünschten Leistungsvariablen in die Programmierumgebung einer SPS oder einer anderen Steuerung integriert werden. Einmal eingestellt, wiederholt sich der Betrieb von Tag zu Tag, von Monat zu Monat und von Jahr zu Jahr. Darüber hinaus lassen sich die Variablen Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung/Verzögerung und Kraft mithilfe von HMI-Bildschirmen (Human Machine Interface) jederzeit problemlos ändern, was maximale Flexibilität gewährleistet. In einer OEM-Umgebung lässt sich die Systemleistung aufgrund der höheren Konsistenz eines elektrischen Systems im Vergleich zu einem hydraulischen System leichter steuern.

3. Elektrische Stangenantriebe im Vergleich zu Hydraulikzylindern: Kraftkapazitäten

Aufgrund ihrer hohen Betriebsdrücke eignen sich Hydraulikzylindersysteme hervorragend zur Erzeugung extrem hoher Kräfte. Typische Drücke liegen im Bereich von 1800 bis 3000 psi (124,1 bis 206,8 bar). In einigen Hochdruck-Hydrauliksystemen werden Nenndrücke von bis zu 5.000 psi (344,7 bar) eingesetzt, um die Leistungsdichte weiter zu steigern. Da Hydraulikzylinder nach dem fluidtechnischen Prinzip „Kraft = Druck × Fläche“ arbeiten, ermöglichen die hohen Drücke es, mit kleineren Zylindern sehr große Kräfte zu erzielen. Beispielsweise könnten Zylinder mit 3-Zoll- und 5-Zoll-Bohrung bei 2200 psi etwa 15.000 lbf (66.723,3 kN) bzw. 43.000 lbf (191.273,5 kN) erreichen. Hydraulikzylinder werden jedoch in der Regel nicht bis zu ihrer vollen Kraftkapazität genutzt; sie sind typischerweise überdimensioniert, um die Regelbarkeit zu verbessern.

Bei der Auswahl elektrischer Antriebe ist es wichtig, die erforderliche Arbeitskraft zu bestimmen. Um die ungefähr erforderliche Kraft für einen elektrischen Aktuator abzuschätzen, wird üblicherweise der Druck am hydraulischen Arbeitsanschluss oder der Systemdruck so lange angepasst, bis der Vorgang nicht mehr ausgeführt werden kann. Elektrische Aktuatorsysteme nutzen den durch den Servomotor fließenden Strom, um ein Drehmoment auf das mechanische System zu übertragen, das die Kraftschraube antreibt, sodass diese sich dreht und Kraft erzeugt. Dies ist ein enormer Vorteil: Die Kraft steht sofort zur Verfügung. In Hydrauliksystemen, bei denen die Systemsteifigkeit nicht optimiert ist, muss der hydraulische Antrieb warten, bis sich der Druck aufgebaut hat, bevor die Kraft erreicht wird. Ein weiterer großer Vorteil elektrischer Systeme besteht darin, dass die Servosteuerung den Strom automatisch regelt. Das elektrische Antriebssystem nutzt den Strom im Wesentlichen „nach Bedarf“. Jede Anpassung erfolgt automatisch. Ein Hydraulikaggregat muss stets den Druck im System aufrechterhalten, damit der Hydraulikzylinder betätigt werden kann, was sehr schwierig sein kann.

Bei der Auswahl eines elektrischen Antriebssystems ist es wichtig, die Drehzahl und das Drehmoment des Motors in Verbindung mit der Steigung der Gewindespindel im elektrischen Antrieb zu berücksichtigen. Die Abstimmung von Drehzahl und Drehmoment des Servomotors auf die mechanische Leistung der Gewindespindel kann komplex sein. Das Erreichen der extremen Kräfte, die Hydraulik erzeugen kann, ist mit elektrischer Technologie durchaus möglich, doch in der Regel weist der eingesetzte elektrische Stellantrieb einen größeren Gehäusedurchmesser auf, und das elektrische Antriebssystem hat eine maximale Geschwindigkeit, die nicht überschritten werden kann. Die Komplexität bei der Auslegung eines Systems lässt sich leicht bewältigen, da Hersteller von Antrieben und Servokomponenten benutzerfreundliche Softwarepakete zur Auslegung von Bewegungssteuerungen bereitstellen, die all diese Variablen berücksichtigen.

4. Elektrische Stangenantriebe vs. Hydraulikzylinder: Geschwindigkeitsleistungen

Das Erreichen hoher Geschwindigkeiten bei hohen Kräften stellt sowohl für die Hydraulik als auch für die Elektrik eine Herausforderung dar. Die Hydraulik benötigt Druck für die Kraft und Durchfluss für die Geschwindigkeit. Um höhere Geschwindigkeiten bei höheren Kräften zu erreichen, muss genügend unter Druck stehendes Öl im System vorhanden sein, um im Grunde das erforderliche Ölvolumen in der erforderlichen Zeit (definiert als Durchfluss) in einen Zylinder zu drücken. Dies erfordert in der Regel ein Speichersystem, um das unter Druck stehende Volumen zu halten. Bei Zylindern mit langem Hub kann sich das Problem vervielfachen; ungeladene Speicher können dem System das Öl entziehen. Letztendlich ermöglicht der Einsatz zusätzlicher Kapazität in hydraulischen Speichersystemen das Erreichen hoher Geschwindigkeiten bei hohen Kräften. Der Nachteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass ohne servohydraulische Regelung des Hydrauliksystems überschüssige Energie (Kraft × Geschwindigkeit) im Wesentlichen in einem Regelkreis ohne Rückkopplung genutzt wird.

Wie bereits erwähnt, hängen die Kraftleistungen eines elektrischen Antriebssystems von der richtigen Kombination aus Drehzahl des Servomotors, Drehmoment des Servomotors und der mechanischen Kraftverstärkung durch die Gewindesteigung der Spindel und gegebenenfalls ein Getriebe ab. Mit zunehmender Größe der Servomotoren steigt das Drehmoment in der Regel deutlich an, während die Drehzahl abnimmt. Bei extremen Anforderungen an Kraft und Geschwindigkeit kann ein elektrisches Antriebssystem die gewünschte Leistung möglicherweise nur durch eine erhebliche Überdimensionierung des Systems erreichen – was mit unerschwinglichen Kosten verbunden sein kann. Bedenken Sie alternativ, dass ein elektrisches Antriebssystem die vollständige Kontrolle über das Bewegungsprofil hat; es muss nicht bei jedem Zyklus den gesamten Hub zurücklegen. Zudem kann sich das elektrische System durch die Steuerung von Beschleunigung und Verzögerung schneller einpendeln, was die Zykluszeit verkürzt und die Effizienz steigert. Schließlich kann die elektrische Antriebstechnik einige der erforderlichen Spitzengeschwindigkeiten verringern, da intelligentere, kürzere Bewegungen ausgeführt werden können.