Welche drei Arten von Zylindern gibt es? Pneumatisch, hydraulisch und elektrisch

Ein Maschinenbauer ruft an einem Dienstagnachmittag mit einem Problem an. Seine Verpackungslinie läuft mit 90 Takten pro Minute, die Pneumatikzylinder der Siegelstation verschieben sich nach einigen Betriebsstunden um etwa 1,5 mm und die Ausschussquote steigt. Er möchte wissen, ob er auf Hydraulik oder Elektro umsteigen soll, und möchte vor dem nächsten Produktionstreffen eine Antwort erhalten. Die Antwort beginnt mit einer Zahl: drei. Es gibt drei Arten von Linearantrieben, die diese Art von Arbeit ausführen: Pneumatikzylinder, Hydraulikzylinder und Elektrozylinder. Jeder wandelt Energie in geradlinige Bewegung um, und jeder tut dies durch einen völlig anderen physikalischen Mechanismus. Dieser Mechanismus entscheidet über alles, was nachgelagert ist, einschließlich der Kraft, die Sie erhalten, wie genau Sie anhalten können, wie schnell Sie fahren können, wie viel Wartung Sie bezahlen müssen und was passiert, wenn die Maschine in einem Reinraum, einem Gefrierschrank oder einer explosionsfähigen Atmosphäre installiert wird.

Die drei Arten von Zylindern und warum die Antwort von der Frage abhängt

Wenn Sie nach den drei Zylindertypen suchen, werden Sie zwei unterschiedliche Antworten finden, und beide sind richtig. Bei der Verwirrung geht es nicht um Fakten, sondern um Kategorien. Das Wort Zylinder beschreibt eine Form, und mehrere verschiedene Ingenieurdisziplinen haben diese Form für unterschiedliche Zwecke übernommen. Die Antwort hängt also davon ab, nach welcher Eigenschaft Sie sortieren.

Sortierung nach Stromquelle

Dies ist die Klassifizierung, die in der industriellen Automatisierung am wichtigsten ist und der sich dieser Artikel am meisten widmet. Ein Zylinder kann durch Druckluft, durch unter Druck stehendes Hydrauliköl oder durch einen Elektromotor über ein mechanisches Getriebe angetrieben werden. Das sind die drei Arten von Zylindern in dem Sinne, wie ein Konstrukteur sie normalerweise meint.

• Pneumatikzylinder verwenden Druckluft, die normalerweise mit 6 bar von einem Kompressornetzwerk in der Anlage geliefert wird.
• Hydraulikzylinder verwenden Öl mit Drücken, die üblicherweise zwischen 70 bar und 350 bar liegen, bei Spezialwerkzeugen sogar viel höher.
• Elektrische Zylinder verwenden einen Servo- oder Schrittmotor, der eine Schraube, ein Band oder eine Zahnstange dreht, ganz ohne Flüssigkeit.

Sortierung nach Arbeitsprinzip

Die zweite Klassifizierung befasst sich mit der Art und Weise, wie der Kolben im Lauf angetrieben wird, und ergibt einen weiteren Dreiersatz: einfachwirkende, doppeltwirkende und teleskopische Zylinder. Ein einfachwirkender Zylinder wird in eine Richtung angetrieben und kehrt durch Federkraft oder Schwerkraft zurück. Ein doppeltwirkender Zylinder wird in beide Richtungen angetrieben. Ein Teleskopzylinder verwendet ineinander verschachtelte Stufen, um aus einer kurzen eingefahrenen Länge einen sehr langen Hub zu erzeugen. Diese Gruppierung gilt am häufigsten für pneumatische und hydraulische Zylinder, und für elektrische Stellantriebe gibt es eine eigene Version davon, die später behandelt wird.

Es gibt eine dritte und viel weniger nützliche Antwort, die in den Suchergebnissen angezeigt wird: der mathematische Zylinder, der eher durch Geometrie als durch Funktion definiert wird und in kreisförmige, schräge, elliptische und hohle Formen unterteilt ist. Diese Klassifizierung gehört in ein Geometrielehrbuch. Wenn Sie Motion-Hardware kaufen, ignorieren Sie diese.

Für den Rest dieses Artikels werden die drei Typn pneumatisch, hydraulisch und elektrisch unterschieden, wobei die Unterscheidung zwischen einfachwirkendem, doppeltwirkendem und teleskopischem Antrieb als zweite Schicht behandelt wird, die über allen drei liegt.

Pneumatikzylinder: Druckluft erledigt die Arbeit

Ein Pneumatikzylinder saugt Luft mit einem Druck von etwa 6 bar an, lässt sie auf einer Seite eines Kolbens zu und lässt die Druckdifferenz die Stange herausdrücken. Luft ist komprimierbar und diese einzelne physikalische Tatsache erklärt fast alle Stärken und Schwächen der Technologie.

Wie sie sich in der Praxis verhalten

Da Luft komprimiert wird, hat ein Pneumatikzylinder keine starre Position. Steigt die Belastung plötzlich an, bewegt sich die Stange. Aus diesem Grund werden pneumatische Aktuatoren als Kraftgeräte und nicht als Positionsgeräte beschrieben. Ein Standardzylinder mit einem magnetischen Reed-Schalter und einem 5/2-Magnetventil hält die Position im besten Fall auf etwa 1 mm und oft noch schlechter, nachdem die Dichtungen einige Millionen Zyklen durchlaufen haben. Durch das Hinzufügen eines Proportionalventils und einer Rückkopplung mit geschlossenem Regelkreis wird dieser Wert auf etwa 0,5 mm verbessert, aber zu diesem Zeitpunkt ist der Kostenvorteil gegenüber einem kleinen elektrischen Aktuator weitgehend verschwunden.

Was Luft einem gibt, ist Geschwindigkeit und Robustheit. Ein ausreichend dimensionierter Pneumatikzylinder kann bei einem kurzen Hub eine Geschwindigkeit von 1 m/s erreichen und mehrere zehn Millionen Zyklen ausführen, wobei nur gelegentliche Schmierung und Dichtungsaustausch erforderlich sind. Die Komponenten sind billig, die Ventile sind billig und die Wartungstechniker wissen bereits, wie man daran arbeitet.

Einfachwirkend, doppeltwirkend und teleskopierbar in der Pneumatik

Die meisten Pneumatikzylinder in Produktionsmaschinen sind doppeltwirkend, da sie zuverlässig und schnell in den Ruhezustand gefahren werden müssen. Einfachwirkende Versionen werden dort eingesetzt, wo eine Federrückstellung akzeptabel ist, beispielsweise bei Spannvorrichtungen und einfachen Auswurfmechanismen, und sie sparen die Kosten für einen Ventilanschluss und eine Schlauchleitung. Es gibt teleskopische Pneumatikzylinder, diese sind jedoch vergleichsweise selten, da der Luftdruck zu niedrig ist, um Verschachtelungsschritte zu rechtfertigen, es sei denn, die Anwendung erfordert eine große Reichweite aus einem kompakten Gehäuse.

Wo die Pneumatik immer noch gewinnt

• Aufgaben mit hohem Takt und geringer Präzision wie Schieben, Klemmen, Auswerfen und Umlenken.
• Umgebungen, in denen die Zertifizierung elektrischer Geräte schwierig wäre, sofern die Druckluft selbst ordnungsgemäß geerdet und trocken ist.
• Anwendungen, bei denen eine fehlende Bewegung sicherer ist als eine unkontrollierte Bewegung, da ein druckloser Pneumatikzylinder einfach stoppt.
• Kostensensible Maschinen mit vielen Achsen, bei denen der Preis eines Servoantriebs pro Achse unerschwinglich wäre.

Was es Sie kostet

Der Anschaffungspreis ist niedrig, die laufenden Kosten jedoch nicht. Druckluft ist eine der teuersten Energieformen in einer Fabrik, da ein typischer Kompressor nur einen kleinen Teil seines elektrischen Eingangs in nutzbare pneumatische Energie umwandelt und der Rest in Form von Wärme, Lecks und Druckabfall verloren geht. Ein 1-mm-Leck in einer Armatur kann im Laufe eines Jahres mehr Luft verschwenden, als der Zylinder selbst kostet. Pneumatiksysteme sind außerdem laut und benötigen Trockner, Filter und Regler, die ihren eigenen Wartungsaufwand mit sich bringen. Nichts davon macht Pneumatik zu einer schlechten Wahl, aber es bedeutet, dass ein fairer Vergleich über die Rechnung hinausgehen muss.

Hydraulikzylinder: Öl, Druck und rohe Kraft

Ein Hydraulikzylinder ersetzt Luft durch Öl und Öl ist im Wesentlichen inkompressibel. Das verändert die Mathematik dramatisch. Während eine 63-mm-Pneumatikbohrung bei 6 bar einen Schub von etwa 1,9 kN erzeugt, erzeugt die gleiche Bohrung bei 160 bar etwa 50 kN. Mit der Hydraulik bewegen Sie tonnenschwere Dinge.

Die beiden Arbeitsmodi

Hydraulikzylinder werden am häufigsten in einfachwirkende und doppeltwirkende Typen unterteilt, und die Wahl bestimmt das gesamte Schaltungsdesign.

Einfachwirkende Hydraulikzylinder

Ein einfachwirkender Zylinder verfügt über eine Druckkammer. Öl drückt den Kolben heraus und die Rückkehr erfolgt durch eine Last, eine Feder oder die Schwerkraft. Sie sind einfach, kompakt und kostengünstig und die Standardwahl für Wagenheber, Hebebühnen und viele Pressenanwendungen, bei denen der Rückzugshub keine sinnvolle Arbeit leistet. Ihre Einschränkung besteht darin, dass die Rücklaufgeschwindigkeit und -kraft nicht kontrolliert werden, was sie für eine Maschine ungeeignet macht, die einem präzisen Bewegungsprofil in beide Richtungen folgen muss. In einem doppeltwirkenden Kreislauf muss auch die Rückzugsseite in der Lage sein, eine Last zu halten. Daher ist normalerweise ein vorgesteuertes Rückschlagventil erforderlich, um ein Kriechen zu verhindern, wenn die Pumpe ausgeschaltet ist.

Doppeltwirkende Hydraulikzylinder

Bei einem doppeltwirkenden Zylinder befindet sich Öl auf beiden Seiten des Kolbens, sodass sowohl der Ausfahr- als auch der Einfahrhub angetrieben und gesteuert werden. Dies ist die Konfiguration, die in fast allen hydraulischen Maschinen verwendet wird, die wiederholbare, bidirektionale Bewegungen erfordern: Bagger, Spritzgießmaschinen, hydraulische Pressen und schwere Automatisierung. Es kostet mehr, weil es zwei Anschlüsse, ein Wegeventil, das den Durchfluss bewältigen kann, und einen Kreislauf benötigt, der den Volumenunterschied zwischen den beiden Kammern regelt. Dieser Lautstärkeunterschied ist keine Kleinigkeit. Da die Stange auf einer Seite Platz einnimmt, ist die Rückzugsgeschwindigkeit bei gleichem Durchfluss höher als die Ausfahrgeschwindigkeit und die Rückzugskraft ist um das Verhältnis der Ringfläche zur Vollbohrungsfläche geringer. Dies zu ignorieren ist einer der häufigsten Dimensionierungsfehler bei der hydraulischen Konstruktion.

Die vier Karosserievarianten werden Ihnen tatsächlich genannt

Über den Arbeitsmodus hinaus werden Hydraulikzylinder normalerweise nach der Art des Zylinders sortiert. Dies wirkt sich auf Druckstufe, Wartungsfreundlichkeit und Preis aus.

• Zugstangenzylinder verwenden vier Stahlstangen mit Gewinde, um die Endkappen am Zylinder festzuklemmen. Sie können vor Ort mit gewöhnlichen Werkzeugen zerlegt werden, was den Austausch der Dichtungen vereinfacht, und sie sind in einer breiten Palette von Standardkombinationen aus Bohrung und Hub erhältlich. Der Kompromiss besteht in der Masse und einer höheren Teileanzahl.
• Bei geschweißten Zylindern sind die Endkappen mit dem Zylinder verschweißt. Sie sind kompakter, leichter und bei gegebener Bohrung im Allgemeinen günstiger und vertragen höhere Drücke und seitliche Belastungen besser. Der Nachteil besteht darin, dass sie in den meisten Werkstätten faktisch nicht reparierbar sind, sodass ein beschädigter Lauf normalerweise einen neuen Zylinder bedeutet.
• Ram-Zylinder verwenden einen einzelnen Kolben mit großem Durchmesser anstelle eines Kolbens und einer Stange. Sie werden für sehr hohe Kräfte bei kurzem Hub eingesetzt und kommen häufig in Hebe- und Pressgeräten vor.
• Teleskopzylinder verwenden zwei bis fünf oder mehr ineinander verschachtelte Stufen, um einen Hub zu erreichen, der die eingefahrene Länge der Einheit überschreiten kann. Sie werden auf Muldenkippern, Müllfahrzeugen und Kippaufbauten eingesetzt, bei denen der Montageraum zwar begrenzt ist, die Reichweite jedoch groß ist. Jede Stufe dehnt sich nacheinander aus, sodass die Kraft zu Beginn am höchsten ist und mit zunehmender Entfaltung der Stufen abnimmt.

Montageenden sind wichtiger, als die meisten Käufer erwarten

Ein Hydraulikzylinder ist nur so gut wie seine Verbindung zur Maschine. Gabelköpfe ermöglichen eine Drehung in einer Ebene, kugelförmige Stangenösen gleichen Ausrichtungsfehler in jede Richtung aus, Flanschbefestigungen fixieren den Zylinder starr an einem Rahmen und Stangenenden mit Gewinde ermöglichen die Anbringung einer Mutter oder eines kundenspezifischen Fittings. Durch die Wahl einer starren Halterung, bei der sich die Maschine tatsächlich biegt, werden Biegekräfte auf die Stange und die Stangendichtung übertragen, was eine zuverlässige Möglichkeit zur Entstehung vorzeitiger Leckagen darstellt. Wenn sich die Struktur bewegt, muss das Zylinderende mitbewegt werden können.

Die ehrlichen Nachteile

Die Hydraulik liefert eine enorme Kraft in einem kleinen Paket und hält die Position bei Belastung gut. Außerdem lecken sie, sie benötigen ein Netzteil, sie reagieren empfindlich auf Öltemperatur und Verunreinigungen, und ein Schlauchdefekt kann dazu führen, dass heißes Öl unter Druck austritt. Eine Filterung nach ISO 4406-Reinheitsnormen, regelmäßige Ölanalysen und ein ordnungsgemäß dimensionierter Behälter sind keine optionalen Extras; Sie sind der Eintrittspreis. In Lebensmittel-, Pharma- und Halbleiterumgebungen schließt allein schon das Leckagerisiko die Hydraulik oft aus, bevor der Leistungsvergleich überhaupt beginnt.

Elektrozylinder: Ein Servomotor, der eine Schraube antreibt

Ein elektrischer Zylinder ersetzt die Flüssigkeit durch ein mechanisches Getriebe. Ein Servomotor dreht eine Schraube, die Schraube treibt eine Mutter an und die Mutter ist an einer Stange befestigt, die sich in den Zylinder hinein und aus ihm heraus bewegt. Alles, was mit Druck gemacht wurde, wird mit Position gemacht, und das ist die Quelle sowohl der Präzision als auch der Programmierflexibilität der Technologie.

Was Ihnen der Mechanismus bietet

Da der Motor von einem Antrieb mit Encoder-Rückführung gesteuert wird, weiß ein Elektrozylinder jederzeit, wo er sich befindet. Eine Wiederholgenauigkeit von 0,01 mm ist bei einer Kugelumlaufspindeleinheit Standard, und selbst ein bescheidener Aktuator hält besser als 0,05 mm. Geschwindigkeit und Kraft sind unabhängig voneinander programmierbar, sodass eine einzelne Einheit schnell anfahren, langsam drücken und schnell zurückfahren kann, ohne dass Änderungen an der Hardware erforderlich sind. Beschleunigungs- und Verzögerungsprofile werden in der Software eingestellt, wodurch mechanische Stöße vermieden werden, die die Lebensdauer von Fluidtechnikkomponenten verkürzen.

Der Effizienzvergleich ist krass. Ein Kugelumlaufspindelgetriebe wandelt das Motordrehmoment mit einem Wirkungsgrad von etwa 90 Prozent in Schub um. Eine Trapezgewindespindel erledigt die gleiche Aufgabe bei 30 bis 50 Prozent, kann sich jedoch selbst blockieren, wenn der Motor stromlos ist, was für vertikale Halteanwendungen nützlich ist, bei denen eine Kugelumlaufspindel unter Last zurückdrehen würde. Die Wahl zwischen Schraubentypen ist in Wirklichkeit eine Entscheidung zwischen Effizienz und sicherem Halt.

Drei mechanische Layouts

• Inline-Elektrozylinder montieren den Motor direkt hinter der Schnecke auf derselben Achse. Dies ergibt den kürzesten Kraftweg, die höchste Steifigkeit und die beste Genauigkeit, allerdings ist der Aktuator lang.
• Foldback-Elektrozylinder drehen den Motor über einen Riemen oder eine Getriebeanordnung, sodass er parallel zum Lauf sitzt. Die Gesamtlänge verringert sich ungefähr um die Länge des Motors, was wichtig ist, wenn Sie einen Aktuator in einen vorhandenen Maschinenraum einbauen.
• Teleskop-Elektrozylinder nutzen ineinander verschachtelte Stufen, um weit über ihre eingefahrene Länge hinaus auszufahren. Ein vierstufiges Design kann ein Vielfaches seiner geschlossenen Länge erreichen, wodurch es sich zum Heben, Kippen und Erreichen in enge Räume eignet.

Ein Inline-Zylinder ist die Standardlösung für präzise Einpress- und Dosierarbeiten, bei denen sich die Steifigkeit direkt in der Prozessqualität niederschlägt. Eine Foldback-Einheit ist die praktische Lösung, wenn das Maschinengestell bereits aufgebaut ist und hinter der Montageplatte kein Platz mehr ist. Eine Teleskopeinheit löst ein Reichweitenproblem, das kein Aktuator mit fester Länge überhaupt lösen kann.

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Umgebungsspezifische Varianten

Früher galten elektrische Stellantriebe als ungeeignet für raue Umgebungen, und dieser Einwand wurde größtenteils durch Änderungen an der Dichtung und dem Material und nicht durch eine Änderung des grundlegenden Designs ausgeräumt.

Wasserdichte Elektrozylinder bestehen aus abgedichteten Zylindern, abgedichteten Kabeleinführungen und rostfreier oder beschichteter Hardware. Bei IP65 vertragen sie Spritzwasser und Spritzwasser, was bei den meisten Verpackungsgeräten für Lebensmittel und Getränke der Fall ist. Bei IP68 vertragen sie vorübergehendes Eintauchen, was Sie bei einer Maschine benötigen, die am Ende jeder Schicht abgespritzt wird oder in einem Nassprozessbereich betrieben wird.

Explosionsgeschützte Elektrozylinder lösen ein ganz anderes Problem. In einer Atmosphäre, die Lösungsmitteldampf, Feinstaub oder Wasserstoff enthält, stellt ein Funke eines normalen Motors eine Gefahr dar. Explosionsgeschützte Geräte verwenden druckfeste Gehäuse und zertifizierte Kabelverschraubungen und werden anhand der entsprechenden Gefahrenbereichsklassifizierung spezifiziert und nicht anhand eines allgemeinen Sicherheitsanspruchs. Die Zertifizierung ist Teil des Produkts und kein Zubehör.

Elektrozylinder mit breitem Temperaturbereich berücksichtigen die Tatsache, dass Fett bei Kälte dicker und bei Hitze dünner wird. Ein Standardgerät kann für einen Temperaturbereich von 0 bis 40 Grad Celsius ausgelegt sein, was in einer klimatisierten Anlage in Ordnung ist und in einem Kühlhaus bei minus 30 Grad oder neben einem Ofen bei 80 Grad unbrauchbar ist. Varianten, die Niedertemperaturlegierungen, Hochtemperaturdichtungen und adaptive Schmierstoffe verwenden, behalten über diese Extreme die gleiche Positionierungsleistung bei, was oft den Unterschied zwischen einer funktionierenden und einer blockierten Installation ausmacht.

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Wo Elektro klar gewinnt

• Jede Anwendung mit einem definierten Kraft- und Positionsprofil, wie zum Beispiel Einpressen, Nieten, Spenden, Prüfen und Servomontage.
• Mehrpunktbewegung, bei der ein Pneumatikzylinder mechanische Anschläge und ein Hydraulikzylinder ein Proportionalventil und die dazugehörige Abstimmung benötigen würde.
• Saubere und ruhige Umgebungen, einschließlich der Montage medizinischer Geräte, der Elektronik- und Halbleiterfertigung.
• Energiesensible Anlagen, da ein Elektrozylinder hauptsächlich während der Fahrt Energie aufnimmt und beim Bremsen regenerieren kann, während ein Kompressor oder ein Hydraulikaggregat kontinuierlich läuft.

Was es von dir verlangt

Ein Elektrozylinder benötigt einen Antrieb, eine Steuerung und ein Bewegungsprogramm, und die Leute, die ihn spezifizieren, müssen Drehmoment, Arbeitszyklus und thermische Grenzen verstehen. Die Vorabkosten pro Achse sind die höchsten der drei Technologien. Der Vorteil liegt in der Genauigkeit, Wiederholbarkeit, Programmierbarkeit und dem Fehlen eines Kompressors oder Antriebsaggregats dahinter. Bei einer Maschine mit vier oder fünf Achsen ist der Gesamtsystemvergleich oft enger, als die Aktuatorpreisliste vermuten lässt.

Vergleich der drei Typen nebeneinander

Die folgende Tabelle fasst die praktischen Unterschiede zusammen. Betrachten Sie die Zahlen als typische Bereiche für Standard-Industrieprodukte und nicht als absolute Grenzwerte, da jeder einzelne von einem Speziallieferanten gegen Aufpreis erweitert werden kann.

Die anderen drei Typen: einfachwirkend, doppeltwirkend und teleskopisch

Die Klassifizierung nach Arbeitsprinzip gilt für alle drei Stromquellen und ist verständlich, da sie häufig eher über die Schaltung oder Verkabelung als über die Technologie entscheidet.

Einfach wirkend

Ein einfachwirkender Zylinder ist der einfachste mögliche Aktuator. Ein Anschluss, ein Dichtungssatz, eine Bewegungsrichtung. In pneumatischer Form verfügt er normalerweise über eine interne Feder, die die Stange zurückführt, wenn die Luft erschöpft ist, und die Federkraft muss vom verfügbaren Schub abgezogen werden, ein Detail, das Leute überrascht, wenn sie die Größe des Zylinders anhand einer Katalogkraftzahl bestimmen. Bei der hydraulischen Ausführung ist die Rückstellung oft das Gewicht der Last selbst, was bedeutet, dass der Zylinder eine Last, für deren Heben er nicht ausgelegt ist, nicht zurückziehen kann.

Doppelt wirkend

Ein doppeltwirkender Zylinder treibt beide Hübe an, was eine vorhersehbare Zeitsteuerung in beide Richtungen ermöglicht. Aus diesem Grund dominiert es die Produktionsausrüstung. Es kostet mehr, weil es einen zweiten Anschluss, ein Vierwegeventil und in Hydraulikkreisläufen eine Möglichkeit benötigt, die unterschiedlichen Volumina auf beiden Seiten des Kolbens zu verwalten. Im Gegenzug erhalten Sie die Kontrolle über den Rückzugshub, der immer dann wichtig ist, wenn der Rückzugsweg durch Werkzeuge, Vorrichtungen oder einen Sicherheitsbereich verläuft.

Teleskopisch

Ein Teleskopzylinder stapelt mehrere Stufen, sodass die geschlossene Länge nur einen Bruchteil der ausgefahrenen Länge betragen kann. In der Hydraulik ist dies bei Kipp- und Hebegeräten gängige Praxis. Bei elektrischen Stellantrieben wird die gleiche Idee mit ineinander verschachtelten Schrauben oder ineinander verschachtelten Rohren umgesetzt und kommt dort zum Einsatz, wo eine Maschine in einen begrenzten Raum hineinreichen, eine Plattform von einer Basis mit niedrigem Profil anheben oder einen Manipulatorarm weit über sein Gehäuse hinaus ausfahren muss. Bei teleskopischen Konstruktionen geht ein gewisses Maß an Steifigkeit und Seitenlastkapazität verloren, sodass sie sorgfältig geführt werden müssen, wenn die Last nicht rein axial ist.

So wählen Sie zwischen den drei Typen

Die meisten Auswahlargumente entstehen, weil zwei Ingenieure unterschiedliche Variablen optimieren. Der Ausweg besteht darin, die Anforderungen zu bewerten, bevor man sich einen Katalog ansieht. Gehen Sie die folgenden Fragen der Reihe nach durch, da die Antworten das Feld schnell einengen.

1. Welche Kraft ist tatsächlich erforderlich, einschließlich der Spitzen?

Berechnen Sie die Kraft im ungünstigsten Moment, nicht den Durchschnitt. Bei einem Einpressvorgang sind möglicherweise 2 kN erforderlich, um ein Lager einzupassen, und 12 kN für den letzten halben Millimeter, wenn die Passung fest ist. Ein durchschnittlich großer Pneumatikzylinder wird zum Stillstand kommen. Fügen Sie der berechneten Kraft einen Sicherheitsfaktor von 1,5 bis 2 hinzu und denken Sie daran, dass bei einem doppeltwirkenden Zylinder die Einzugskraft geringer ist als die Ausfahrkraft.

2. Wie genau muss die Endposition eingehalten werden?

Wenn eine Toleranz von 1 mm akzeptabel ist und die Belastung konstant ist, erledigt die Pneumatik die Aufgabe mit den geringsten Kosten. Wenn Sie 0,2 mm benötigen und die Belastung variiert, sind Hydraulik mit Servosteuerung oder ein elektrischer Antrieb die realistischen Optionen. Wenn Sie 0,05 mm oder besser benötigen, ist Elektro die einzig sinnvolle Lösung. Seien Sie ehrlich, was die Toleranz angeht, denn die Angabe einer Präzision, die Sie nicht benötigen, ist die häufigste Art, zu viel für einen Aktuator auszugeben.

3. Wie schnell und wie oft?

Zykluszeit und Arbeitszyklus bestimmen zusammen, ob ein elektrischer Aktuator überhitzt. Ein Servozylinder, der kontinuierlich mit hoher Kraft laufen soll, wird schwächer, und der im Datenblatt angegebene Arbeitszyklus ist kein Vorschlag. Die Pneumatik bewältigt Dauerzyklen gut, solange die Luftzufuhr trocken ist und die Ventile für die Frequenz ausgelegt sind. Die Hydraulik bewältigt im Dauerbetrieb hohe Kräfte, aber die Öltemperatur muss mit einem Kühler geregelt werden, sobald der Arbeitszyklus ansteigt.

4. Was macht die Umgebung mit dem Aktuator?

Abwaschen, Staub, Lösungsmitteldämpfe, Salznebel, Kühlräume und an den Ofen angrenzende Positionen machen alle Optionen überflüssig. Ein Standard-Pneumatikzylinder in einer Lebensmittelfabrik korrodiert und sein Schmiermittel wird ausgewaschen. Ein Hydraulikzylinder in einem Halbleiter-Reinraum ist eine Kontaminationsquelle. Ein Elektrozylinder mit Schutzart IP65 übernimmt das Nassgehäuse und eine zertifizierte explosionsgeschützte Variante oder eine Variante mit breitem Temperaturbereich übernimmt die übrigen. Passen Sie die Einschließungsbewertung an die tatsächliche Exposition an und nicht an einen allgemeinen Eindruck der Anlage.

5. Was kostet der Einbau über den Stellantrieb hinaus?

Hier verliert die Fluidtechnik oft an Bedeutung. Ein Pneumatikzylinder benötigt einen Kompressor, einen Trockner, einen Filterregler, einen Ventilverteiler und eine Schlauchleitung. Ein Hydraulikzylinder benötigt ein Aggregat, einen Vorratsbehälter, Filterung, Kühlung und eine zertifizierte Schlauchinstallation. Ein Elektrozylinder benötigt einen Antrieb und eine Steuerung sowie bei den meisten modernen Maschinen einen bereits vorhandenen Netzwerkanschluss. Wenn man komplette Systeme und nicht einzelne Komponenten vergleicht, verringert sich der Abstand zwischen den Technologien erheblich, bei manchen Installationen kehrt er sich sogar um.

6. Nutzt die Maschine bereits eine Technologie?

Standardisierung hat einen echten Wert. Ersatzteile, Technikerschulung und Wartungsverfahren verbessern sich, wenn in einer Anlage eine dominante Technologie eingesetzt wird. Der Einbau elektrischer Stellantriebe in eine Anlage, die seit dreißig Jahren mit Luft betrieben wird, führt zu Schulungsproblemen, und der Einbau hydraulischer Antriebe in einen Elektronikmontagebereich führt zu Verschmutzungs- und Reinigungsproblemen. Die beste technische Antwort ist nicht immer die beste pflanzliche Antwort.

In der Praxis mischen die meisten automatisierten Maschinen Technologien. Die Pneumatik übernimmt das Spannen, Auswerfen und einfache Transferbewegungen. Elektrische Stellantriebe übernehmen die Positionierungs-, Press- und Messvorgänge. Die Hydraulik kommt nur dort zum Einsatz, wo der Kraftbedarf wirklich über dem liegt, was die anderen beiden wirtschaftlich liefern können. Diese Mischung ist kein Kompromiss, sie ist das Ergebnis der Anwendung jeder Technologie dort, wo sie am besten funktioniert, und es lohnt sich zu untersuchen, wie verschiedene Fertigungssektoren zu ihrer eigenen Version davon gelangen. Beispielsweise setzt die Automobilmontage bei Befestigungs- und Einpressarbeiten stark auf elektrische Servoachsen, während für die Teilehandhabung die Pneumatik beibehalten wird. Präzisionselektronik und Halbleiterleitungen treiben die Elektrik noch weiter voran, denn Sauberkeit und Wiederholbarkeit lassen keinen Platz für Öl oder Luftfeuchtigkeit.

Auswahlfehler, die echtes Geld kosten

Bei allen drei Typen treten immer wieder die gleichen Fehler auf. Die meisten davon sind mit zehn Minuten Rechnen vermeidbar.

Dimensionierung auf Nenndruck

Ein Pneumatikzylinder, der für 10 bar ausgelegt ist, verbringt seine Lebensdauer mit dem Wert, den das Pflanzenschneidwerk tatsächlich liefert, was am Ende einer langen Laufzeit bei Spitzenbedarf 5,5 bar sein kann. Die Größe richtet sich nach dem gemessenen Versorgungsdruck, nicht nach dem auf dem Zylinder eingeprägten Maximalwert.

Seitenlast ignorieren

Alle drei Typen sind hauptsächlich für Axialkräfte ausgelegt. Eine seitwärts gedrückte Stange verschleißt ihr Lager und ihre Dichtung, und der Ausfall erfolgt eher progressiv als plötzlich. Wenn die Last nicht koaxial gehalten werden kann, fügen Sie eine Führungsschiene oder ein Linearmodul hinzu und lassen Sie den Zylinder nur die Kraft liefern. Dies ist einer der Hauptgründe dafür, dass Präzisionslinearmodule und Elektrozylinder häufig zusammen als komplette Bewegungsachse und nicht als separate Teile spezifiziert werden.

Wiederholbarkeit mit Genauigkeit verwechseln

Die Wiederholbarkeit gibt an, wie genau der Aktuator in die gleiche Position zurückkehrt. Die Genauigkeit gibt an, wie nahe diese Position an der befohlenen Position liegt. Ein Pneumatikzylinder mit mechanischen Anschlägen kann sehr reproduzierbar sein und dennoch an der falschen Stelle landen, wenn sich der Anschlag verschoben hat. Fragen Sie Lieferanten, welche Zahl sie angeben, und bestehen Sie auf der Definition.

Thermikdrift vergessen

Die Viskosität des Hydrauliköls ändert sich mit der Temperatur, wodurch sich die Reaktionszeit und in schlecht kompensierten Systemen die Halteposition im Laufe einer Schicht ändert. Elektrische Stellantriebe sind weniger empfindlich, aber nicht immun, da sich sowohl die Schraubenausdehnung als auch das Fettverhalten mit der Temperatur ändern. Überprüfen Sie bei einem Prozess mit langer Laufzeit das Verhalten in der ersten und achten Stunde und nicht nur den Kaltstart.

Den Strich zu stark spezifizieren

Jeder zusätzliche Millimeter Hub erhöht die nicht unterstützte Länge der Stange oder Schraube, was die Steifigkeit und den Knickwiderstand verringert. Geben Sie den Hub an, den der Prozess benötigt, plus einen realistischen Spielraum, nicht die größte Zahl, die in den Montagebereich passt.

Anpassen des Typs an die Anwendung

Der schnellste Weg, in die engere Auswahl zu kommen, besteht darin, mit der Anwendung und nicht mit der Komponente zu beginnen. Wie die Entscheidung meist ausfällt, zeigen einige häufige Fälle.

Einfache Bewegung mit hohem Volumen

Umleiten, Klemmen, Auswerfen und Torbetätigung sind klassische pneumatische Aufgaben. Die Anforderungen an die Genauigkeit sind gering, die Taktrate hoch und die Kosten pro Achse spielen eine Rolle, da auf einer Maschine möglicherweise dreißig Achsen vorhanden sind. Elektrische Aktuatoren würden die Bewegungsqualität verbessern, aber die Kosten für die Steuerungshardware vervielfachen.

Präzise Montage und Presspassung

Das Einsetzen eines Lagers, das Einstecken eines Anschlusses oder das Einpressen eines Steckverbinders in ein Gehäuse erfordert gleichzeitig eine kontrollierte Kraft und eine kontrollierte Position. Dies ist das Gebiet der Elektrozylinder, und hier lohnt sich auch das programmierbare Kraft-Weg-Profil, da derselbe Aktuator ein falsch sitzendes Teil erkennen kann, indem er die Kraftkurve beobachtet, anstatt sich auf einen separaten Sensor zu verlassen.

Schweres Heben und Formen

Wenn der Kraftbedarf mehrere zehn oder hundert Kilonewton beträgt, bleibt die Hydraulik die kompakteste Lösung. Die Schaltkreiskosten und der Verwaltungsaufwand sind real, aber sie sind in der Regel geringer als die Alternative zum Bau eines sehr großen elektrischen Stellantriebs mit einer Leistungsaufnahme, die die elektrische Infrastruktur der Anlage möglicherweise nicht unterstützt.

Saubere, kalte und gefährliche Umgebungen

Elektronikmontage, Herstellung medizinischer Geräte und Halbleiterfertigung bevorzugen alle die elektrische Betätigung, weil sie keinen Ölnebel und keine Abluft erzeugt und weil die Bewegung über die Steuerung validiert und protokolliert werden kann. In Kühlhäusern werden elektrische Einheiten mit breitem Temperaturbereich und speziell vorbereitete Pneumatikanlagen bevorzugt, hydraulische Systeme haben jedoch Probleme, da die Ölviskosität bei sinkender Temperatur stark ansteigt. In explosionsgefährdeten Bereichen hängt die Antwort ausschließlich von der Zertifizierung und nicht von der Leistung ab, da ein nicht konformer Aktuator überhaupt nicht installiert werden kann, egal wie gut seine Anzahl ist.

Simulations- und Prüfstände

Mehrachsige Bewegungsplattformen, Vibrationstische und Driver-in-the-Loop-Simulatoren gehören nicht zur gewöhnlichen Zylinderdiskussion, da sie mehrere Aktuatoren zu einer koordinierten räumlichen Bewegung kombinieren. Diese Systeme verwenden typischerweise elektrische Aktuatoren mit hoher Bandbreitensteuerung, da die Synchronisation zwischen den Achsen darüber entscheidet, ob die Plattform die beabsichtigte oder eine unbeabsichtigte Bewegung erzeugt. Dieselben Bausteine, unterschiedlich angeordnet, kommen auch in seismischen Trainingsplattformen und in dynamischen Prüfständen für die Fahrzeugentwicklung vor. Die technische Disziplin ist die gleiche wie bei der Einzelachsenauswahl, jedoch sechsmal angewendet mit einem gemeinsamen Regelkreis.

Mit Zuversicht spezifizieren

Ein Zylinder ist eine der wenigen Maschinenkomponenten, bei denen die Wahl der Technologie die restliche Konstruktion bestimmt. Wenn Sie sich für Pneumatik entscheiden, erben Sie einen Kompressor, ein Luftaufbereitungssystem und eine Wartungskultur rund um Dichtungen und Ventile. Wenn Sie sich für Hydraulik entscheiden, erben Sie ein Antriebsaggregat, ein Filtersystem und eine Disziplin für das Leckmanagement. Wenn Sie sich für Elektro entscheiden, erben Sie einen Antrieb, eine Steuerung und ein Bewegungsprogramm, das in Betrieb genommen und dokumentiert werden muss.

Alle drei liefern zuverlässig lineare Bewegungen, wenn sie auf die Last, die Umgebung und die Genauigkeitsanforderung abgestimmt sind. Die Fehler passieren, wenn eine Technologie aus Gewohnheit und nicht aus arithmetischen Gründen ausgewählt wird. Nehmen Sie sich Zeit für Kraft, Toleranz, Zykluszeit, Umgebung und Gesamtinstallationskosten, ordnen Sie die Antworten, und die Entscheidung fällt normalerweise von selbst. Vergleichen Sie die Zahlen dann noch einmal mit dem tatsächlichen Versorgungsdruck, den tatsächlichen Lastspitzen und dem tatsächlichen Temperaturbereich, denn bei diesen drei Variablen gehen die meisten Installationen stillschweigend schief.