Die elektro-hydraulische Achse als Zulieferteil

Jörg Beyer ist freier Fachjournalist in Reutlingen

Wir ermöglichen jedem Anwender den Einsatz von Hydraulik-Zylindern im geschlossenen Regelkreis – auch wenn er die notwendige technische Kompetenz nicht im Haus hat.“ So beschreibt Klaus Wagner von der Hänchen Hydraulik GmbH, Ostfildern, das Angebot „Ratio-Drive“. Damit meint der stellvertretende Leiter Konstruktion und Entwicklung nicht nur die Lieferung der Komponenten, die für einen elektro-hydraulischen Linearantrieb notwendig sind. Ins Angebot eingeschlossen sind je nach Bedarf alle erforderlichen Engineering-Leistungen bis hin zur Inbetriebnahme der Regelungssoftware vor Ort. „Natürlich steht mit dem Hydraulik-Zylinder unsere Kernkompetenz im Mittelpunkt“, sagt Wagner, „doch auch darüber hinaus bieten wir alles, was zu einer kompletten elektro-hydraulischen Achse fehlt. Wir ergänzen das Engineering-Potenzial des Kunden.“

Mit dem Ratio-Drive stellt Hänchen das Know-how aus Hydraulik und Elektronik zur Verfügung, das zum Bau einer elektro-hydraulischen Achse notwendig ist. Das heißt in der Praxis: Unternehmen ohne eigene Hydraulik-Abteilung können die gesamte Projektierung, Auslegung, Vor-Ort-Montage und Inbetriebnahme des Fluid-Bereichs durch die Spezialisten in Ostfildern erledigen lassen. Ebenso kann ein Unternehmen ohne eigene Elektronik-Abteilung die Auslegung und Montage der Mess- und Regelkomponenten von Hänchen-Fachleuten vornehmen lassen, die auch die nötige Steuersoftware einspielen und konfigurieren. Welche Engineering-Dienstleistungen der Anwender benötigt, entscheidet immer er selbst.

So bezieht er im einen Fall lediglich den Zylinder mit Wegmess-System als Plug-and-Play-Hardware. Oder er erhält das gesamte System mit allen Komponenten und komplettem hydro-mechatronischem Dienstleistungspaket von Hänchen.

Wegmess-Zylinder

In der Standardausführung besteht der Ratio-Drive aus einem oder mehreren Hydraulik-Zylindern mit Wegmess-System aus dem Katalog des Hydraulikherstellers. Die Kernkomponente des Zylinders wird ergänzt durch gängige Ventilaufbauplatten, Proportionalventile, Reglerbaugruppen und weitere hydraulische und elektronische Peripherie-Bauteile. Da diese Komponenten zum umfangreichen Katalog-Programm gehören, bieten sie die Vorteile von Serienprodukten mit entsprechend kurzer Lieferzeit. In der sogenannten Servocop-Ausführung sind die Zylinder durch eine spezielle Dichtungskombination besonders reibungsarm gestaltet und erlauben hochpräzises Positionieren mit Wiederholgenauigkeiten von unter 0,01 mm. Die Ratio-Drive-Reihe 126 ist für einen Maximaldruck von 150 bar ausgelegt, die Reihe 306 für 300 bar und die Reihe 166 nach ISO 6020-1 für 160 bar. Alle drei Baureihen werden in der Katalogausführung als Differenzial-Zylinder ohne Endlagendämpfung für unterschiedliche Befestigungsarten angeboten. Der Kolbendurchmesser liegt zwischen 40 und 125 mm, der Hub kann bis zu 1500 mm betragen. Aufbauplatte, Verrohrung, Stetigventile, Steuerblock sowie Befestigungsteile, Schrauben und Entlüftungsset ergänzen den Zylinder.

Das Stellglied

Gemeinsam mit den Ventilen bilden die Hydraulik-Zylinder das Stellglied. Für den Ratio-Drive sind Stetigventile wie Proportional- oder Servoventile mit integrierter Elektronik vorgesehen. Da keine Kennlinien-Anpassung nötig ist, lassen sich Ventile gleichen Typs problemlos austauschen. So minimiert sich der Installationsaufwand, Verstärkerkarten werden vermieden.

Proportionalventile werden besonders häufig in Differenzial-Zylindern verwendet, Servoventile sind üblich beim Einsatz von Prüfmaschinen-Zylindern. Während sich Proportionalventile im Frequenzbereich bis etwa 30 Hz einsetzen lassen, kann ein Servoventil bis zu 500 Hz erreichen. Für Sonderausführungen bieten sich auch High-Response-Ventile an, die extrem schnell reagieren und einen besonders hohen Durchfluss ermöglichen.

Die Sensorik

In den Standardausführungen des Ratio-Drive werden magnetostriktive Wegmess-Systeme eingesetzt. Diese im Zylinder integrierten Sensoren haben sich als robust und präzise bewährt. Ihr Linearitätsfehler beträgt weniger als 30 µm. Die Auflösung liegt digital bei maximal 1 µm und die Wiederholgenauigkeit bei ±0,001 %. Konzipiert für einen Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C und für Beschleunigungen bis 50g sind sie auch für harte Einsatzbedingungen gerüstet.

Das Regelsystem

Im Rahmen einer Standardlösung kann die Sensorik über eine Regelungselektronik an eine übergeordnete Steuerung per SPS oder PC angeschlossen werden. Der Regler wird als Ein-Achs- oder Mehr-Achs-Regler mit ein, zwei oder vier Achsen angeboten, wobei sich die Achsen sowohl abhängig als auch unabhängig voneinander ansteuern lassen. Die Vier-Achs-Regelung kann beliebig kaskadiert werden, so dass Lösungen aus mehreren Vier-Achs-Reglern entstehen. Mögliche Schnittstellen sind die Bussysteme CANopen, Profibus-DP, Interbus-S sowie analoge Ausgänge und eine RS-232-Schnittstelle, die das Parametrieren per Laptop erlaubt.

Als Reglerbaugruppe lässt sich aber auch eine SPS S7 von Siemens nutzen. Die Regler-SPS und die SPS für das Anlagen-Management werden in diesem Fall kaskadiert verwendet.

Anwendungen

Seit die hydro-mechatronische Systemlösung Ratio-Drive im letzten Jahr auf der Hannovermesse vorgestellt wurde, sind vielfältige Applikationen realisiert worden. Typische Beispiele sind

– das dynamische Positionieren zweier voneinander unabhängiger Zylinder bei kleinen Verstellkräften,

– die Gleichlaufregelung in einer Prüfanlage mit einer Abweichung unter 0,1 mm,

– Prüfzylinder mit Ringspaltdichtung und High-Response-Ventilen für Beschleunigungen bis 100g im Automobilbereich,

– das Positionieren eines Prüfmaschinen-Zylinders im Mikrometerbereich,

– Stanzen und Pressen mit gekoppelter Weg-Kraft-Regelung.

Solche maßgeschneiderten Lösungen lassen sich mit standardisierten Baugruppen realisieren – unterstützt von den benötigten technischen Dienstleistungen. Der Anwender erhält einen Linearantrieb, den er als Blackbox in seine Konstruktion einsetzen kann.

Hänchen Ratio-Drive: beliebig kombinierbare Komponenten im Rahmen von Standardlösungen. Darüber hinaus sind vielfältige Lösungen mit anderen Parametern technisch realisierbar.

Einsetzbare Zylinder

Differenzial- und Gleichlauf-Zylinder,

Prüfmaschinen-Zylinder

Kolben-Ø: 25 bis 300 mm

Stangen-Ø: 16 bis 200 mm

Hub: bis 1500 mm

Druckbereich: bis 300 bar

auch größere Abmessungen sind auf Anfrage lieferbar

Typische Positioniergenauigkeit der Kolbenstange

besser als 0,1 mm

Verfahrgeschwindigkeiten

0,001 mm/s bis 4 m/s; höher auf Anfrage

Ölversorgung

applikationsabhängig

Anzahl regelbare Achsen

1 bis 4; mehr auf Anfrage

Versorgungsspannung

230 VAC/50 Hz oder 115 VAC/60 Hz

Verfügbare Schnittstellen

für Sollwertvorgabe

CANopen, Profibus-DP, Interbus-S, Analog, Seriell RS 232

Wegmess-Systeme

Bei Differenzial-Zylindern:

Magnetostriktive Systeme

Bei Gleichlauf-Zylindern:

Induktive Systeme

Auflösung: bis 2 µm

Linearität: bis ± 30 µm

Druckaufnehmer

mit integrierter Auswertung 0 …10 V

Druckbereich je nach Zylindertyp

Linearität: ± 0,3 % oder besser

Kraftaufnehmer

DMS-Technik mit zugehörigem Verstärker

Linearität: ± 0,1 % oder besser