Wenn Laserstrahlen präzise ausgelenkt, Schwingungsisolatoren betrieben oder Fäden blitzschnell in Webmaschinen eingeschossen werden: Jedes Mal steuern Servoventile exakt und schnell den erforderlichen Druck und Volumenstrom. Mit einer Druckeinstellung in < 5 ms, einer Hysterese < 1 % des maximalen Betriebsdrucks sowie hohem Durchfluss und zugleich geringer Leistungsaufnahme erschließen die kompakten Ventile die Potenziale hochdynamischer Präzisionsanwendungen.
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Fortschritt in der Antriebstechnik
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Exklusiv in KEM Der Autor Johannes Grotz ist freier Redakteur in Tauberbischofsheim
Die Servoventile der Schunk-Tochter GAS-Automation sind für Highend-Anwendungen konzipiert, bei denen konventionelle Wege- und Druckregelventile an ihre Grenzen stoßen. Bei Nennquerschnitten zwischen 1,5 und 6,5 mm und einem regelbaren Betriebsdruck zwischen 4 und 8 bar ermöglichen sie präzise Nennvolumenströme zwischen 130 und 1100 l/min. Dabei dauert die Druckeinstellung weniger als 5 ms. Aufgrund eines integrierten Vorsteuerventils genügen bereits minimale Stellgrößen, um die Hauptstufe und damit den Durchfluss bzw. den Druck exakt zu regeln.
Entsprechend klein dimensioniert ist das dafür erforderliche Magnetspulensystem. Das zahlt sich aus: Die Ventile sind extrem leicht und kompakt. Zudem ist die elektrische Leistungsaufnahme auf ein Minimum reduziert. Damit verringern sich die Verlustleistung und die Wärmeentwicklung deutlich, was das Temperaturmanagement erheblich vereinfacht. Ideale Voraussetzungen also, um die Ventile in anspruchsvolle Applikationen zu integrieren.
Steile Anstiegsflanke, minimale Hysterese
Ein Beispiel aus dem Textilmaschinenbau verdeutlicht, was mit den hochpräzisen Tempomachern möglich ist. So nutzt die Lindauer Dornier GmbH als einer der weltweit führenden Hersteller von Webmaschinen die Servoventile von Schunk in Präzisionsluftwebmaschinen. Mit ihnen lassen sich technische Textilien, wie etwa Gewebe für Airbags oder für feuerfeste Anwendungen ebenso fertigen wie Heimtextilien oder Bekleidung.
Digital geregelte Druck-Servoventile des Typs DS 65 R sorgen dafür, dass die Webfäden präzise und blitzschnell eingeschossen werden. Dazu ist eine steile Anstiegsflanke des Düsendrucks erforderlich, sprich der Druck muss sofort und uneingeschränkt zur Verfügung stehen. Die Ventile werden im Fall von Lindauer Dornier über die Steuerung der Webmaschine geregelt. Um eine maximale Präzision zu gewährleisten, werden sie bei GAS-Automation auf einem speziellen Prüfstand einzeln parametrisiert und mit individuellem Parametersatz und Abgleichprotokoll an den Anwender geliefert.
Welche Ventile aus dem System GAS bei Anwendungen zum Einsatz kommen, hängt von den individuellen Anforderungen der Anwender ab. „In der Regel sind unsere Servoventile kundenindividuell modifiziert. Beispielsweise werden individuelle Drosseln oder Prallplatten entwickelt oder das Strömungsverhalten optimiert“, erläutert Matthias Heilmann, Entwicklungsleiter bei GAS-Automation. So ließen sich auch extreme Anforderungen präzise erfüllen.
Die Pneumatikexperten bei GAS-Automation hinterfragen dazu genau, was Anwender erreichen wollen. So ist für die Konzeption der Ventillösung u. a. entscheidend, wie schnell der Druck zur Verfügung stehen muss, wie stark das Ventil nachschwingen darf, wie Druckanstieg und Regelungsverhalten gestaltet sein müssen, welche Steuerung eingesetzt und wie parametrisiert wird. „Aus all diesen Daten entwickeln wir dann die optimale Lösung“, so Heilmann. „Dabei wird immer auch das Gesamtsystem optimiert, in das die Ventile eingebunden werden, beispielsweise die Länge und Durchmesser der verwendeten Schläuche.“
Hochpräzise Servoventile für individuelle Anforderungen
Das System GAS von Schunk umfasst drei Servoventil-Varianten:
- 3/2-Wege-Servoventile, die den gasförmigen Massenstrom zu und von Verbrauchern steuern: Sie werden bei schnellen Positionieraufgaben, zur Mengensteuerung sowie als Stellglied für pneumatische Regelungsaufgaben eingesetzt.
- vorgesteuerte, fluidisch geregelte Druck-Servoventile: Sie verändern den Ausgangsdruck relativ zum Eingangsstrom. Ihre Hysterese beträgt 4 % vom maximalen Betriebsdruck. Eingesetzt werden sie, wenn genaue und sehr stabile Antriebspositionierungen erreicht werden sollen.
- elektronisch geregelte Druck-Servoventile: Hierbei handelt es sich um 3/2-Wege-Servoventile mit integriertem Drucksensor und elektronischem Regler. Trotz der vielen Komponenten sind diese Highend-Ventile kompakt und leicht. Ihre Hysterese und Linearität beträgt nur 1 % vom maximalen Betriebsdruck. Weil ihr Ausgangsdruck exakt der Eingangsspannung folgt, werden sie vor allem in Anwendungen eingesetzt, bei denen es auf präzise Druckwerte ankommt. Aufgrund der Vorsteuerung sind die Leistungsaufnahme und damit die Wärmeentwicklung der Ventile minimal.
Ob Proportional- oder Servoventile eingesetzt werden, hängt letztlich von den individuellen Anforderungen ab. Während bei Proportionalventilen der Schieber, der den Durchfluss steuert, von einem Proportionalmagneten bewegt wird, geschieht dies bei Servoventilen durch Druckluft. „Die Servoventile von Schunk haben eine deutlich kleinere Hysterese als Proportionalventile. Mit ihrer extremen Genauigkeit erschließen sie eine Präzisionsdimension, die mit Proportionalventilen nicht erreichbar ist“, erläutert Heilmann.
Lösungen für knifflige Aufgaben
„Hingegen sind Proportionalventile wesentlich universeller einsetzbar. Beispielsweise auch bei Vakuumanwendungen, bei niedrigen oder hohen Drücken, bei denen Servoventile nicht genutzt werden können.“ So entwickelte GAS-Automation als pneumatischen Antrieb für Herzunterstützungssysteme ein spezielles Proportionalventil inklusive Regelelektronik, mit dessen Hilfe die Wartezeiten von Herzpatienten bis zur Operation überbrückt werden.
Aufgabe des Ventils ist es, den Blutdruck der Patienten auf deren Aktivität abzustimmen. Dabei muss zum einen die Schlauchleitung möglichst schnell befüllt und entleert werden. Zum anderen muss der Druck ständig an den Blutdruck des Patienten angepasst werden. Besonders kritisch: zu schnelle Druckänderungen können das Blut und damit den Patienten schädigen. Um eine möglichst hohe Schlagfrequenz, sprich Herzfrequenz, zu erreichen, sind zudem hohe Durchflusswerte erforderlich.
Mithilfe eines naturgetreuen „Herz-Kreislauf-Modells“ hat GAS-Automation in enger Zusammenarbeit mit dem Anwender ein Proportionalventil und die entsprechende Regelungstechnik entwickelt. In der Antriebseinheit des künstlichen Herzens sind als Steuerung mehrere Ventile und Regelkarten eingebaut, die die pneumatische Druckversorgung der Pumpe übernehmen. „Weil Servoventile erst ab einem bestimmten Mindestdruck funktionieren, haben wir uns in diesem Fall für ein Proportionalventil entschieden“, so Heilmann. Auch diese Ventile werden komplett bei GAS-Automation gefertigt und abschließend einzeln an einem Prüfstand parametrisiert.
GAS-Automation, Tel.: 07725 9166-0, E-Mail: info@gas-automation.de
Schunk, Tel.: 07133 103-0, E-Mail: info@de.schunk.com
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