Vorstoß in die neue Dimension

Elektrohydraulik - Eine Traumkombination: Die Elektrohydraulik verbindet alle Vorteile der hydraulischen Antriebstechnik mit den Vorzügen dezentraler Intelligenz. Konstrukteure wählen also bei gleichem Komfort frei zwischen verschiedenen Antriebsarten.

14. Dezember 2005

Noch vor wenigen Jahren war klar: Nur Taxifahrer, Landwirte und notorische Sparer fahren Diesel-PKWs, alle anderen Autofahrer setzen auf komfortable und schnellere Benzinmotoren. Die technische Entwicklung hat diese Einstellung dramatisch verändert. Heute ist fast jedes zweite Neufahrzeug mit modernen Common Rail-Dieselmotoren ausgestattet, weil sie die Wirtschaftlichkeit des Dieselprinzips mit hoher Fahrdynamik und Komfort sowie Höchstgeschwindigkeiten jenseits der 200 km/h kombinieren. Ein vergleichbarer Entwicklungssprung hat in der Hydraulik stattgefunden: Durch die Verbindung der bewährten Mechanik mit schneller Aktuatorik und hoch auflösender Sensorik haben feldbusfähige elektrohydraulische Achsen neue Dimensionen bei der Genauigkeit und Dynamik erreicht.

Neue Leistungsklasse für hydraulische Achsen

Beschleunigungen bis 80 g, Eilgänge bis zu 10 m/s oder Regelzyklen im Millisekundenbereich, 30 Tonnen Kraft mit bis zu 1.500 Doppelhüben die Minute bei Nibbel-Maschinen, im Graviermodus sogar bis zu 4.000 Doppelhübe: Diese Leistungsdaten hydraulischer Achsen aus der industriellen Praxis zeigen, in welche neuen Dimensionen die Elektrohydraulik vorgestoßen ist. Gleichzeitig genügt die Präzision höchsten Ansprüchen: Je nach Wegmeß-System sind Genauigkeiten bis 1 µm gelebte Praxis. Aber nicht nur die Leistungsdaten haben sich deutlich verbessert, sondern vor allem ist die Einbindung in moderne Steuerungsarchitekturen, mit allen Vorteilen des transparenten Datenzugriffs, wesentlich vereinfacht.

Die Entdeckung der Regelelektronik

Der entscheidende Faktor für diese Entwicklung ist der Einsatz moderner Regelelektronik. Die Verfechter der Elektrohydraulik setzen konsequent auf dezentrale Intelligenz mit offenen Systemen und verfolgen dabei die Philosophie, Antriebsphysik von der Automatisierung zu entkoppeln. Dafür hat der Hersteller Software-Module entwickelt, die die Nichtlinearitäten der Hydraulik automatisch ausgleichen. So kompensiert die Regelelektronik den Einfluß des Differentialzylinders, linearisiert Durchflußcharakteristiken und Magnetkennlinien der Ventile, oder gibt den Dämpfungsgrad des Antriebs durch Zustandsgrößenrückführung an. Die Algorithmen laufen im Hintergrund nach der einmaligen Kalibrierung ohne manuelle Bedienereingriff e ab. Ob eine entsprechende Achse elektromechanisch oder elektrohydraulisch angetrieben wird, ist für den Bediener weder relevant noch zu erkennen. Die elektrohydraulischen Antriebe sind nicht nur in den mechanischen Komponentenskalierbar, sondern auch in der Hard- und Software der Steuerungen. Vom Ein-Achs-Regler über moderne Motion Control-Konzepte bis zur 32 Achs-NC-Steuerung steht den Konstrukteuren ein breite Palette zur Verfügung, die bereits bei Serienmaschinen umgesetzt wird.

Intelligenz in der Achse

Grundsätzlich stehen sowohl externe Regelelektroniken für den Schaltschrank als auch in den Aktoren integrierte Regler zur Verfügung. Dabei kommunizieren sie über Schnittstellen zu allen gängigen Feldbussystemen wie Profibus, Interbus oder CANopen mit der übergeordneten Maschinensteuerung. Externe Regelkarten bilden beispielsweise spezielle Steuerungsaufgaben für hydraulische Achsen in Kunststoffmaschinen ab. Intelligente Achslösungen steuern sowohl elektrische als auch hydraulische Antriebe über Sercos interface an. Die in ihrer Funktionalität skalierbaren intelligenten elektrohydraulischen Achsen verfügen über Positions-, Kraft- und Geschwindigkeitsregelungen, ablösende Lage- und Druckregelung sowie Gleichlaufregelung für die Bewegung mehrerer Achsen. Mit Hilfe der Interpolation zwischen zwei oder noch mehr Achsen werden Bahnsteuerungen realisiert. Bosch Rexroth hat in der neuen Baureihe ›Integrated Axis Controller Rexroth IAC-P‹ und IAC-R zum Beispiel die Regelelektronik komplett im Ventil integriert. Dabei können Pofile intern, unabhängig von den Zykluszeiten der Maschinensteuerung, in der Ventilelektronik abgespeichert und autark abgearbeitet werden. Die Generierung der Sollwerte erfolgt in der Antriebselektronik, ebenso wie die freie Programmierbarkeit des Sollwertverlaufes. Aufgrund der durchgängigen Kommunikationsfähigkeit hat die übergeordnete Steuerung Zugriff auf alle relevanten Daten zur Prozeßüberwachung. Der wesentlich verringerte Verdrahtungsaufwand beschleunigt die Inbetriebnahme erheblich und eröffnet Möglichkeiten für innovative Maschinenkonzepte. Durch die Feldbusanbindung eröffnen sich auch der Diagnose und Wartung elektrohydraulischer Achsen die Vorteile des durchgängigen Datenzugriffs Statusinformationen, Sollwerte, Parameteränderungen können wie bei elektromechanischen Achsen zwischen übergeordneter Steuerung und intelligenter Achse ausgetauscht oder über Telefon und Internet abgerufen werden. Das gilt auch für Programm- oder Ablaufänderungen, Updates oder Qualitätsdaten.

Konstruktion vereinfacht

Für Maschinenhersteller und Endanwender steht damit die Tür zu einer deutlichen Vereinfachung von Konstruktion und Inbetriebnahme offen: Der Automatisierer liefert nicht nur Komponenten, die der Anwender individuell zusammenstellt, sondern auch komplette elektrohydraulische Systeme und übernimmt vom Maschinenhersteller damit die Systemverantwortung für diese Baugruppe. Mit Hilfe spezieller Simulationsprogramme werden die Achsen auf Basis der notwendigen Rahmendaten wie Geschwindigkeit, Weg, Dynamik oder Positioniergenauigkeit sowie eingesetzte Steuerung und Feldbussystem ausgelegt. Bei diesen kompletten Plug & Play-Achsen übernimmt der Hydraulikhersteller die Dimensionierung, die Konfektionierung, die Kalibrierung und liefert komplette, vorgeprüfte und einbaufertige Achsen. Durch die Entkoppelung der Antriebsphysik von der Funktionalität, offene Schnittstellen und antriebsintegrierte Intelligenz können Maschinenhersteller die Stärken jeder Antriebstechnologie einfach und gleichberechtigt in moderne Automatisierungssysteme integrieren. Für den Maschinen- und Anlagenbau eröffnen sich damit zusätzliche Möglichkeiten, für jede Antriebsaufgabe, die technisch und wirtschaftlich optimale Lösung individuell zu finden.

Dr. Albert Köckemann, Bosch Rexroth, Industrial Hydraulics

Erschienen in Ausgabe: Wer macht was?/2005