Elektrozylinder für präzise Bewegungen ersetzen Pneumatik- und Hydraulikzylinder Aus die Maus fürs Fluid - KEM

Elektrozylinder für präzise Bewegungen ersetzen Pneumatik- und Hydraulikzylinder

Aus die Maus fürs Fluid

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In der Automatisierungstechnik geht der Trend zu kleineren, flexibel einsetzbaren und aufeinander abstimmbaren Einheiten. Pneumatik- und Hydraulikzylinder erfordern hingegen neben der Fluidversorgung einen erheblichen Steuerungsaufwand. Für Anwender, die Installation und Wartung komplexer Steuerungsventile vermeiden wollen, bietet sich daher eher der Einsatz von Elektro-Zylindern an.

Herkömmliche pneumatische Zylinder arbeiten mit geringer, hydraulische Varianten mit hoher Leistungsdichte. Nachteil beider Ausführungen ist die zusätzliche Versorgung mit Arbeitsfluid. Sie verursacht Kosten und zusätzliche Wartung. Weiterhin kann man mit den fluidischen Zylindern schlecht oder nur mit hohem Aufwand Zwischenstellungen positionieren. Vor allem im mittleren Leistungsbereich stellen elektrische Arbeitszylinder eine elegante Alternative dar. Gut regelbar, mit hoher reproduzierbarer Positionierung bei geringem Installationsaufwand bieten ein hohes Einsparungspotenzial.

Aufbau und Funktion
Trotz hoher und dynamischer Leistung auf kleinem Raum sind die Stellzylinder praxisgerecht und robust aufgebaut. Die Aktoren arbeiten mit einem Kugelgewindetrieb mit hohem Wirkungsgrad. Ein kräftiges Kolbenstangengleitlager nimmt die Seitenkräfte auf, die hinteren antriebsseitigen Stützlager die hohen Axialkräfte der Spindel. Je nach Anforderung kann der Servomotorantrieb parallel oder direkt am Zylinder montiert werden. Da nur elektrische Versorgungsleitungen nötig sind, entfallen Kosten für zusätzliche Fluidnetze. Dank kompakter Leichtbauweise und schneller elektrischer Regelung sind 100 % Einschaltdauer und hohe Taktraten möglich. Eine Kapselung gegen chemische Einflüsse, Flüssigkeit und Stäube garantiert den störungsfreien Betrieb bis Schutzklasse IP 65 in einem weiten Einsatzfeld.
Ein gut gestuftes Baukastensystem erlaubt Hübe von 50 bis 2400 mm mit einer Genauigkeit bis zu 10 µm, bei Zug bzw. Druckkräften von 600 bis 44 500 N und Geschwindigkeiten bis 1300 mm/s. Beschleunigungswerte bis 10 m/s² sind je nach Spindelsteigung möglich. Dank des elektrischen Antriebs erreichen die Arbeitszylinder Wirkungsgrade von rund 90 %. Spindeln in spielfreier Ausführung, Ölbadschmierung oder andere kundenspezifische Ausführungen erweitern das Baukastenprogramm. Spindelleistung, Motorenauswahl und Steuerung können in weiten Bereichen variiert werden; so lassen sich vielfältige Zylindereigenschaften für die jeweilige Anwendung maßschneidern. Da die Elektrozylinder Prinzip bedingt leckagefrei sind, eignen sie sich besonders für Anwendungen die hohe Ansprüche an die Sauberkeit auch im Störungsfall stellen.
Die Elektrozylinder eignen sich für viele Handlingsysteme, so im Bereich Verpackung oder in der Holz- und Kunststoffverarbeitung. Selbst für Aufgaben im Dreischichtbetrieb in der Automobilfertigung sind die Elektrozylinder hervorragend geeignet. Auch zum Bewegen, und Dosieren beispielsweise in der Pharmaindustrie sind sie mit Schutzart IP 65 in weiten Bereichen die günstigste Lösung. Höchste Ansprüche nicht nur an Funktion und Lebensdauer, sondern auch an die Sauberkeit und Abdichtung aller Komponenten stellt die Lebensmittelindustrie. Einige spezifische Problemlösungen aus diesem Bereich zeigen beispielhaft die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten:
Verarbeitung und Schneiden
Bei der Verarbeitung größerer Mengen Speckstücke zu Schinkenspeck-Streifen bestand die Aufgabe darin, den Durchsatz eines Schneidautomaten für die Herstellung von Speckstreifen zu optimieren. Die großen Speckteile werden dabei durch ein fest stehendes Mehrfach-Gitter-Messer gedrückt und so längs geschnitten. Nach einem Hub von ca. 30 mm schneidet ein Querschneider die Streifen ab. Der eingesetzte Elektrozylinder arbeitet mit einer Druckkraft von 10 000 N bei einem Gesamt-Hub von 550 mm. Alle 0,2 s wird jeweils ein 30-mm-Hub getaktet. Nach ca. 20 Vorschubtakten folgt die schnelle, zeitsparende Rückfahrt des Zylinders in 2,3 s zur Ausgangsstellung. Der Zylinder in Schutzart IP 65 ist voll lebensmitteltauglich und verträgt klaglos auch die hier üblichen nassen Reinigungsverfahren.
Eher „wüstenhafte“ Einsatzbedingungen muss dagegen ein Elektrozylinder beim Schneiden von Waffeln ertragen. Auch hier wird das Produkt vom Zylinder durch ein feststehendes Messer gedrückt. Wichtig ist dabei, dass beim Schneidvorgang nur sehr wenig bis gar keine Bruchstücke entstehen. Gerade bei trockenen, spröden Waffeln eine schwierige Aufgabe. Gelöst wird sie durch die hohe Dynamik der Elektrozylinder. Ein spezielles Bewegungsprofil erlaubt es, die Bruchbildung auf ein Minimum zu senken. Dabei fährt der Zylinder am Anfang des Hubes die Waffelplatte sehr langsam an das Messer heran. Nach dem Ansetzen und Einschneiden wird die Hubgeschwindigkeit drastisch erhöht. So sind kurze Taktzeiten mit hohem Durchsatz bei geringstem Ausschuss möglich. Der zwangsläufig entstehende Waffelstaub muss zuverlässig von der Mechanik des Elektrozylinders ferngehalten werden. Ein anwendungsspezifisches Dichtungssystem mit Druckluftspülung am Kolbenstangenaustritt stellt dies sicher. So sind täglich problemlos über 43 000 exakt gesteuerte Doppelhübe im 3-Schichtbetrieb möglich.
Dosieren und Verpacken
Neben Schneiden stellen auch Dosieren und Verpacken viele spezielle Anforderungen an die ausführenden Aktoren. So ist die Dosierung von flüssigen bis pastösen Stoffen per Kolbenpumpen ein weit verbreitetes Verfahren. Im vorliegenden Fall bewegt ein Elektrozylinder einen Pumpenkolben, bzw. bei einer Mehrfachkolbenpumpe treibt eine zentrale Station bis zu 24 Pumpen über eine gemeinsame Mechanik. Für die höchste Fördermenge beträgt der maximale Hub dabei 100 mm. Je nach Konsistenz und Gebindegröße der hier abgefüllten Fruchtmasse sind aber für die genaue Dosierung feinfühlige, exakt reproduzierbare Änderungen im Hub gefordert. Auch hier bewährt sich der dynamische, leicht zu steuernde Elektrozylinder.
Um bei der Herstellung von Faltkartons die Positioniergenauigkeit zu verbessern, wurden die bisherigen Pneumatikzylinder gegen Elektrozylinder ausgetauscht. Die pneumatischen Aktoren mussten um die Bewegungsvorgänge exakt reproduzierbar zu machen, nach jedem Maschinenzyklus in die (Referenz) Nullstellung gefahren werden. Das kostete Zeit. Mit den neuen über Schrittmotor angetriebenen Elektrozylindern ist dies nur einmal beim Maschinenstart nötig. Im laufenden Betrieb ist dank der definierten Schrittweite des Antriebs der SPS die exakte Position des Zylinders immer bekannt. Der Elektrozylinder vermeidet so unproduktive „Leerfahrten“ und verbessert die Leistungsfähigkeit der Anlage.
Lebensmittel-Versiegelung
Schalenversiegelung für Lebensmittel ist ebenfalls ein weit verbreitetes Verfahren. Fertiggerichte oder gefriergetrocknete Ware wird dabei in einer Schale mit Folie versehen und verschweißt. Die dafür nötigen Versiegelungsmaschinen stellen ebenfalls hohe Anforderungen an ihre Aktoren. So müssen die Linearaktoren lebensmitteltauglich sein und dabei noch gleichzeitig hohe Taktzahlen mit großen Vorschubkräften und langer Lebensdauer verbinden. Die Antriebsmotoren müssen mit Elektronikkomponenten anderer Hersteller kompatibel sein, da es je nach Kundenwunsch vielfältige Ausführungs- und Ausstattungsvarianten der Anlagen gibt.
Gerade für diesen Einsatzbereich bewährt sich das modulare Baukastenprinzip, welches auf bewährten (Antriebs)Modulen und Motoren aufbaut. So kann schnell auf die jeweiligen Anforderungen des Kunden eingegangen und ein Elektrozylinder nach Maß geliefert werden.
Moderne Elektrozylinder bieten vielfältige Möglichkeiten. Sie verbinden hohe Dynamik mit bester Positioniergenauigkeit und langer Lebensdauer. Dank Baukastensystem lassen sich auch ausgefallene Anforderungen schnell und punktgenau erfüllen. Der Anwender verkürzt seine „Time-to-Market“ und kann dabei oft noch die Leistungsfähigkeit der Anlage gegenüber hydraulischen oder pneumatischen Systemen erhöhen.
Positionierung KEM 490
Baukastensystem KEM 491
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