Elektrische Antriebe als Ersatz für Flüssigkeiten: Praktisches Tutorial

Elektrische Antriebe etablieren sich als saubere, präzise Alternative zu herkömmlichen, flüssigkeitsbasierten Bewegungssystemen. Dennoch gehen viele Ingenieure davon aus, dass sie im Vergleich zur Einfachheit von Pneumatik und Hydraulik komplexe Verkabelung, Software und Steuerhardware erfordern. In diesem Tutorial zeigen wir, wie die e-Actuator-Serie von SMC diese Lücke schließt, indem sie einfache Einrichtung mit den Vorteilen elektrischer Bewegungen kombiniert. Von den Grundlagen der Verkabelung über die Softwarekonfiguration bis hin zu Betriebsarten erläutern wir, wie man Flüssigkeitssysteme durch eine unkomplizierte elektrische Steuerung ersetzt.

Aktuatoren sind Motoren, die eine lineare Bewegung erzeugen. Dazu verwenden sie Schrauben, Riemen und Getriebesysteme, um Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung umzuwandeln.

Historisch gesehen war die gebräuchlichste Methode zur Erzeugung linearer Bewegung der Einsatz von Flüssigkeiten – der Druck von Luft und Hydraulikflüssigkeit. Dies ist nach wie vor sehr verbreitet, da die Systeme einfach zu erstellen und zu handhaben sind. Dennoch gibt es einige Vorteile, die Elektrizität bietet, um genau dieselbe Bewegung zu erzeugen.

Elektrizität kann entfernte Orte ohne sperrige Infrastruktur (Pumpen, Kompressortanks, Behälter usw.) erreichen. Außerdem ist sie viel sauberer, da Flüssigkeiten oft auslaufen und Wartung erfordern. Motoren mit Encodern können Positionen genauer verfolgen und ein vollständiges Bewegungsprofil erstellen, anstatt den Aktuator nur von einem Ende zum anderen zu bewegen.

Der Nachteil der Elektrizität ist zumindest in den meisten Fällen, dass Antriebssysteme sehr komplex sind: Signalkabel, Konfigurationssoftware, ein Controller mit kompatiblem Programm, Feldbus-Schnittstellen, PID-Regelung und mehr! Dies stellt oft eine große Hürde dar, um einfach ein Flüssigkeitssystem durch ein elektrisches System zu ersetzen.

Einige Lösungen versuchen, die Steuerungseinfachheit von Flüssigkeiten mit den Bewegungsprofilvorteilen der Elektrizität durch elektrische Aktuatoren zu kombinieren. Wir werden eine solche Lösung untersuchen: die e-Actuator-Serie von SMC.

 

Abbildung 1. Die e-Actuator-Serie in einer Demoeinheit von SMC. Bild mit freundlicher Genehmigung des Autors

 

e-Actuator-Serie von SMC

Bewegungssteuerung ist ein komplexes Thema, da es von einem Knopf, der eine Achse bewegt, bis zu einer komplexen Mehrfachrückkopplung mit Feldbuskommunikation zu einem Controller reicht.

Wenn das Ziel eine einfache Bedienung ist, bevorzugen wir das erstgenannte Szenario. Ein elektrischer Aktuator, bei dem ein einfacher Tastendruck oder ein digitaler Eingang von einem Sensor die Achse anweist, sich zu einer bestimmten Position zu bewegen. Das war’s.

 

Abbildung 2. Integrierter Controller mit Anschlüssen für Stromversorgung (unten links), I/O (unten rechts) und PC-Verbindung (oben offene Buchse). Bild mit freundlicher Genehmigung des Autors

 

Wir verwenden einen Schlitten-Aktuator der EQFS-Serie (ein besonderer Dank an das SMC-Team für die Bereitstellung eines Musters zum Testen). Diese Aktuatoren sind nicht frei von komplexen Controllern. Allerdings ist dieser direkt im Aktuator integriert und übernimmt automatisch alle komplexen Aufgaben. Ein Blick auf die Seite des Steuerungsmoduls zeigt eine M12-Eingangsbuchse für die Stromversorgung, eine zweite 8-polige M12-Buchse für digitale I/O-Signale und eine dritte M12-Verbindung für die PC-Konfiguration.

 

Abbildung 3. Belegung für Stromversorgung (links) und für I/O (rechts). Bild modifiziert aus dem SMC-Produktbenutzerhandbuch

 

Der Stromeingang erhält +24 und 0 Volt von einer Gleichstromversorgung.

Der Signaleingang hat einige Besonderheiten. Wichtig ist, dass im Gegensatz zu SPS-Eingangsmodulen die I/O-Pins intern mit der Stromversorgung verbunden sind. Das Anlegen von 24 Volt an einen Eingangspin reicht aus; es gibt keinen Com-Anschluss. Das bedeutet auch, dass die externen I/O-Geräte von derselben Stromversorgung wie der Aktuator versorgt werden müssen oder zumindest die 0-V-Leitungen miteinander verbunden sein müssen.

Die ersten beiden Pins sind für die Signaleingänge vorgesehen. Dies wird im nächsten Schritt bei der Softwarekonfiguration und den verschiedenen Betriebsarten sehr wichtig sein.

 

Softwarekonfiguration

Die Programmierung der Aktuatoren ist nicht kompliziert. Die Software heißt e-Actuator Setup Tool und ist kostenlos bei SMC erhältlich.

Das Anschließen eines M12-USB-Konverterkabels erkennt den Aktuatortyp automatisch und bietet eine Benutzeroberfläche zum Einstellen aller relevanten Parameter.

 

Abbildung 4. Betriebsarten. Bild mit freundlicher Genehmigung des Autors

 

Betriebsarten

Es gibt drei verschiedene Modi, die alle nur mit den zwei digitalen Eingängen gesteuert werden können.

• Einzelmagnetventil-Modus: Das Anlegen von Spannung an IN1 fährt den Aktuator zum Endanschlag, das Abschalten lässt ihn zum Ursprung zurückkehren.
• Doppelmagnetventil-Modus: Das Anlegen von Spannung an IN1 fährt den Aktuator zum Endanschlag, das Anlegen an IN0 lässt ihn zum Ursprung zurückkehren. Das Anlegen an beide Eingänge bewirkt nichts.
• Geschlossener Mittelstellung-Modus: Das Anlegen von Spannung an IN1 fährt den Aktuator zum Endanschlag, das Anlegen an IN0 lässt ihn zum Ursprung zurückkehren. Das Anlegen an beide Eingänge fährt ihn in eine Mittelstellung.

 

Abbildung 5. Positions- und Geschwindigkeitseinstellungen. Bild mit freundlicher Genehmigung des Autors

 

Geschwindigkeits- und Positionseinstellungen

Das Ziel ist ein System, das sehr einfach zu bedienen ist, aber das bedeutet nicht, dass wir keine Bewegungsparameter konfigurieren können.

Zunächst können wir das Geschwindigkeitsprofil für beide Bewegungsrichtungen auswählen. Das Geschwindigkeitsprofil umfasst Beschleunigung, Höchstgeschwindigkeit und Verzögerung. Die Gesamtfahrzeit wird automatisch basierend auf diesen Geschwindigkeiten und der Hublänge berechnet.

Was die Länge betrifft, können wir auch die Position des gegenüberliegenden Endes und des Ursprungs einstellen; es muss nicht bis zum mechanischen Anschlag fahren. Außerdem kann die genaue Zwischenposition für den geschlossenen Mittelstellung-Modus gewählt werden.

Wenn Betriebsart, Geschwindigkeit und Positionsparameter eingestellt sind, können die Daten im Gerät gespeichert werden.

 

Abbildung 6. Speichern der Daten im Gerät. Bild mit freundlicher Genehmigung des Autors

 

Zusammenfassung der elektrischen Bewegung

Obwohl diese Bewegungsmethode einfach und angenehm ist, wäre es unvernünftig zu behaupten, dass Elektrizität immer die bessere Wahl ist. Es ist immer ratsam, die Vor- und Nachteile jeder Antriebsart abzuwägen, um für jede Anwendung das passende Bewegungssystem auszuwählen.