Sicherheit bei hoher Dynamik

Bei der Entwicklung der neuen Linearachse CLDP (Closed Loop Differential Pump) stand bei Voith Turbo H + L Hydraulic die Idee eines cleveren Antriebskonzepts im Vordergrund. Das Resultat ist eine hochdynamische, einfach zu installierende und in Betrieb zu nehmende autarke Einheit, die die Vorzüge von Servo-Elektronik und Hydraulik miteinander vereint. Dazu gehören Überlastsicherheit, eine hohe Leistungsdichte und ein nahezu verschleißfreier Betrieb. Für die Lageregelung setzen die Ingenieure auf magnetostrikitve Positionssensoren von MTS Sensor Technologie.

09. Oktober 2013

Voith entwickelt innovative Komponenten und Systeme der fluidtechnischen Antriebs-, Steuerungs- und Regeltechnik. In zahlreichen Anwendungen des Maschinenbaus sind die anwendungsorientierten, hydraulischen Systemlösungen anzutreffen.

Schon längere Zeit beschäftigt sich Voith mit dem Thema der Kopplung von Servomotor, Pumpe und Antriebszylinder. Mit der im geschlossenen Kreislauf betriebenen Hybridachse CLDP beschreitet Voith nun neue Wege in der stationären Industriehydraulik. Bei der Neu-Entwicklung handelt es sich um eine kompakte und autarke Einheit, die sich einfach in neue oder bestehende Anlagen integrieren lässt und darüber hinaus energieeffizient arbeitet.

„Im Prinzip ist die CLDP eine Weiterverfolgung des Trends, der zunächst in Kunststoffmaschinenmarkt zu beobachten war, nämlich hydraulische durch elektromechanische Antriebe zu ersetzen“, erläutert Voith Vertriebsleiter Harald Branz den Hintergrund der Entwicklung. „In der neuen CLDP haben wir einfach die Vorzüge beider Systeme miteinander kombiniert.“

Die Hybridachse eignet sich insbesondere für alle direkten Linearbewegungen, bei denen eine hohe Leistungsdichte und eine hohe Dynamik eine zentrale Rolle spielen, z. B. Biegen, Trennen, Formen und Handling. Eine spezifische Anwendung steht nach Aussagen von Voith dabei nicht im Fokus.

Direkte Kopplung sorgt für hohen Wirkungsgrad

Die neue Linearachse ist wie folgt aufgebaut: Ein Servomotor übernimmt den Antrieb der CLDP. An den Servoantrieb ist eine Innenzahnradpumpe direkt und starr gekop-pelt. Auf die Innenzahnradpumpe folgt ein ebenfalls direkt gekoppelter Hydraulikzylinder. Die integrierte Servopumpe ist auf das Flächenverhältnis des Zylinders abgestimmt, wodurch zur Steuerung und der Bewegungsrichtung keine Ventiltechnik benötigt wird. Die Pumpe wird mit dem Differentialzylinder im geschlossenen Ölkreislauf betrieben. Die direkte Ankopplung vermeidet Verluste, die üblicherweise durch eine Drosselsteuerung auftreten und erhöht den hydraulischen Wirkungsgrad auf nahezu 100 Prozent. Durch die direkte Kopplung von Motor, Pumpe und Zylinder stellt sich das System eigentlich wie ein Servomotor mit hydrostatischem Spindelantrieb dar. Das geschlossene System benötigt weder einen Tank, noch ist der Einsatz eines Hydraulikaggregates erforderlich.

Plug & Play mit einer einzigen Schnittstelle

Herkömmliche Hydrauliksysteme bestehen in der Regel aus einem Antriebsaggregat, separaten Steuerelementen und einem Aktuator. Bei der neuen Linearachse ist alles in einer kompakten und autarken Einheit untergebracht, wodurch sich insbesondere Vorteile in der Inbetriebnahme ergeben.

Es ist keine externe Verrohrung notwendig und es existiert nur die elektrische Schnittstelle des Servomotors. Der Motor wird an einen handelsüblichen Servoverstärker angeschlossen und kann dann direkt die Achse bewegen. Ein Ventiltuning oder die Inbetriebnahme eines Hydraulikaggregates ist nicht notwendig.

Der Antrieb kann sowohl mit Lageregelung als auch mit Druck- oder Kraftregelung betrieben werden. Ein von MTS Sensor Technologie integriertes Wegmesssystem übernimmt die Lageregelung der Achse.

Neben der sehr hohen Energieeffizienz ist der nahezu verschleißfreie Betrieb charakteristisch für die CLDP. Neben der in der Hydraulik gegebenen hohen Überlastsicherheit zeichnet sich die Anwendung durch ihre hohe Lebensdauer aus.

Magnetostriktive Sensorik sorgt für die Lageregelung

Für die Lageregelung des Antriebs hat sich Voith Turbo für den Einsatz eines magnetostriktiven Positionssensors von MTS Sensor Technologie entschlossen. Der verwendete Temposonics RD4 mit SSI-Schnittstelle ist ein Sensor mit abgesetzter Elektronik, der sich besonders für extrem beengte Einbauverhältnisse eignet.

Er liefert das Positionssignal an den Servoumrichter oder auch direkt an die angeschlossene Steuerung. Seine spezielle Bauform bietet entscheidende Vorteile hinsichtlich Einbau und Wartungsfreundlichkeit: Der druckfeste Sensorstab liegt in einem flexiblen Kabel aus ölfestem PUR und ist mit dem abgesetzten Elektronikkopf verbunden.

Ein passiver Positionsgeber fährt berührungslos über das Sensorrohr und sorgt für das eigentliche Positionssignal. Das Sensorrohr kann in den Hydraulikzylinder eintauchen, während sich der Sensorkopf mit der Auswerteelektronik extern auf dem Zylinder installieren lässt. Sein berührungsloses Messverfahren macht den Sensor verschleißfrei.

Der Kompaktsensor verfügt über alle Eigenschaften der magnetostriktiven Temposonics-R-Serie-Sensoren: Mit einer Linearität von

Vorteile gegenüber Spindelantrieben

Üblicherweise findet man Hydraulikachsen in Maschinen mit hohen Bearbeitungskräften oder hohen Bewegungskräften. Überall dort, wo man heute einen Spindelantrieb mit Servomotor verwendet und Schwierigkeiten hat, hohe Kräfte über die Spindel zu erzeugen, oder wo die Spindel keine Lebensdauer hat, ist die verschleißfreie Hydraulik der CLDP von Vorteil.

Für Anwender, die bis jetzt servoelektrische Antriebe eingesetzt haben, bedeutet die neue Linearachse kein Umdenken oder zusätzliche Kenntnisse der Hydraulik, denn vom Funktionsmodell handelt es sich nach wie vor um einen Servoantrieb.

Prinzipiell lassen sich mit der CLDP sehr hohe Kräfte abbilden. Voith konzentriert sich in den derzeitigen Baureihen noch auf 500 KN und erreicht Geschwindigkeiten von 1200 m/s. Aufgrund der festgelegten Pumpen- und Motorenabstufungen ergibt sich mit steigender Kraft eine reduzierte Dynamik.

Voith produziert zunächst zwei Grundmodelle, die durch den Motordurchmesser und in die installierte Pumpengröße definiert sind. Diese Grundmodelle sind mit Hublängen von 50, 100, 200, 300 und 400 mm erhältlich. Eine dritte Baugröße, bei der mit einer kleineren Pumpengröße gearbeitet wird, ist in Vorbereitung.

„Bei der Wahl des Wegmess-Systems für die Lageregelung fiel uns die Entscheidung leicht“, so Branz. „Zum einen haben wir mit der Genauigkeit, der Zuverlässigkeit und der Lebensdauer der Sensoren von MTS Sensor Technologie bereits in anderen Anwendungen bereits gute Erfahrungen gemacht, zum anderen kam aufgrund der sehr kompakten Bauform und des geringen Zylinder-Durchmessers nur ein Messsystem in Frage, das sich auch unter schwierigen Einbauverhältnissen problemlos installieren lässt. Der Temposonics RD4 erfüllt all diese Anforderungen. Zudem unterstützt der Sensor mit seiner Verschleißfreiheit und der langen Lebensdauer vortrefflich den Nachhaltigkeitsgedanken der gesamten Linearachse.“