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DER KONSTRUKTEUR 10/2016

DER KONSTRUKTEUR 10/2016

ANTREIBSTECHNIK

ANTREIBSTECHNIK Elektromechanik statt Pneumatik Servo-elektrische Schweißzangenbetätigung für Montageroboter Christian Becker, Jörn Jacobs Vollelektrische Maschinen markieren einen Trend in vielen Branchen, von zum Beispiel der Kunststoff- bis zur Automobilindustrie. In letzterer kommen unzählige Schweißroboter zum Einsatz, deren Schweißzangen meist pneumatisch angetrieben werden. Hier bieten elektromechanische Linearantriebe mit Rollengewindespindeln technisches Optimierungspotenzial für die Roboter. Schweißroboter, eigentlich Schweißzangenroboter, werden weltweit zum Schweißen von Chassis-Teilen in den Produktionslinien der Automobilindustrie verwendet. Mit Blick auf die ständig steigenden Anforderungen hinsichtlich Leistung, Genauigkeit, Platzeinsparung und Komplexität in der Industrie, müssen Roboter und Schweißzangen schneller, leichter und genauer werden. Die Schweißzange mit einem Eigengewicht von rund 60 bis 70 kg befindet sich am Ende des Roboterarmes und muss spezifische Positionen am Chassis genau anfahren. Und während der Roboter selbst durch elektrische Servomotoren angetrieben wird, betätigt man traditionell die Schweißzange über einen servopneumatischen Aktuator, der einen Pneumatikzylinder enthält. Aus verschiedenen Gründen wird jedoch der Ruf nach druckluftfreier Produktion oder zumindest nach einer stark eingeschränkten Druckluftnutzung immer lauter. Christian Becker, Exlar Europe GmbH, Raunheim Jörn Jacobs, IHW Marketing, Camberg Vier Gründe, die gegen Pneumatik sprechen Als erstes Argument geht die mangelnde Energieeffizienz vorweg. Zentraler Punkt ist und bleibt die doppelte Umwandlung von elektrischer Energie in Druckluft und wieder in mechanische Energie bei Arbeitsund Betätigungsvorgängen. Als zweiten Grund lässt sich der Mangel an Kontrollierbarkeit oder Positionsgenauigkeit anführen. „100% genau“ ist eine pneumatische Betätigungseinheit nur an den beiden Endlagepunkten, wenn der Zylinder leer oder komplett gefüllt ist. Jede Zwischenposition muss zwangsläufig durch die Komprimierbarkeit des Mediums unter Genauigkeitsverlust leiden. Als dritten Grund dürfen, speziell was Schweißzangen angeht, die Massenverzögerungen benannt werden. Denn auch wenn der Pneumatik-Stellzylinder an sich leicht ist, muss an Robotern letztlich seine Peripherie in Form der Druckluftzuführung, evtl. Druck-minderer, Regler, Sensoren, etc. mitgeschleppt und kompensiert werden, so beim Beginn als auch am Ende der Bewegung. Selbst wenn es nur um Sekundenbruchteile geht, entsteht hinreichend Totzeit, die den Takt belastet. Mitgeschleppte Massen wirken wiederum auf vorgenannte Gründe in Positionierungsgenauigkeit und Energieverbrauch. Zuletzt ist als vierter Grund noch die Einschränkung in der Flexibilität zu nennen. Je mehr Versorgungsleitungen ein Roboter führen muss, desto stärker wird sein Bewegungsraum eingeschränkt. Servo-elektrischer Aktuator mit Rollengewindetrieb Die Alternative ist die servo-elektrische Betätigung der Schweißzange. Allerdings werden dieser Option als Nachteile die höheren Investitionskosten und vielfach der Mangel an Stellkraft vorgehalten, wenn die Baugröße in etwa gleich zum Pneumatik-Zylinder sein soll. Die höheren Investitionskosten des servo-elektrischen Systems lassen sich nicht wegdiskutieren, doch in 01 Schnittbild des Servo- Aktuator mit Rollengewindetrieb 44 Der Konstrukteur 10/2016

Dr. Michael Döppert, Chefredakteur Wenn man Beiträge wie diesen liest, könnte der Schluss naheliegen, dass die Pneumatik zum Auslaufmodell einer Antriebs- und Steuerungstechnologie wird. So ist es aber durchaus nicht! Klar ist, dass sie immer stärker unter dem Druck der Elektromechanik steht, klar ist aber auch, dass sie Vorteile aufweist, die elektromechanische Lösungen kaum schlagen können. Ihr Leistungsdichte/Kostenverhältnis ist hervorragend. Sie bietet zum Beispiel einfache Lösungen, wenn nur zwei Punkte anzufahren sind – und Pneumatik ist nicht per se energetisch ineffizient. Es kommt auch hier auf die speziellen Anwendungsbedingungen an. einer Total-Cost-of-Ownership-Betrachtung wären sie schnell amortisiert durch die Energieeinsparung und die zusätzlichen Vorteile in Prozesssicherheit, Geschwindigkeitsgewinn und Wartungsarmut. Was darüber hinaus den Faktor Stellkraft angeht: Vielfach wird bei der Umsetzung eines rotativen Elektroantriebes in Linearbewegung an klassische Kugelumlaufspindeln gedacht. Bei dieser Bauform liegt die Kritik jedoch in der relativ geringen Belastbarkeit, der Lärmemission, Vibrationen und geringerer Lebensdauer. Geht man mit dem Konstruktionsprinzip über auf zum Beispiel Rollengewindespindeln, die Exlar als Grundlage seiner Linearantriebe verwendet, sind drei Vorteile im Vergleich zu Kugelumlaufspindeln unmittelbar zu erkennen: Erstens: Auf gleicher Längeneinheit liegen weitaus mehr Kontaktpunkte zwischen Rolle und Gewindespindel. Dadurch werden Lasten erheblich besser abgetragen und die Reibung verringert, was wiederum die Lebensdauer erhöht. Zweitens: Während Kugeln im Umlauf mehrfach die Richtung wechseln und sogar gegeneinander laufen, bleiben die Rollen immer positioniert und synchron mit der Spindel. Damit lassen sich höhere Umdrehungszahlen und Lineargeschwindigkeiten erreichen und Energieverluste reduzieren. Dittens: Dadurch, dass eben keine Kugeln umlaufen, entstehen weitaus weniger Vibrationen und Lärmemissionen. Im nächsten Schritt werden Motor und Spindel kompakt in ein Gehäuse integriert. Statt klassischen Kupplungen oder Riementrieb/Getriebe nutzt Exlar das sogenannte Inverted Design, in dem die Planetenrollengewindeeinheit in einem geschliffenen Hohlzylinder läuft. Der Hohlzylinder wird direkt als Rotor des Servomotors verwendet und hält die formangepassten Neodym Eisen Bor Magneten. Diese Auslegung verfügt über höchste Energiedichte, außerordentliche Hitzefestigkeit und ein geringes Rastmoment. Der spezielle Aufbau des Stators (T-Lam) bietet ein kompaktes und effizientes Design mit 80-prozentiger Platz-Ausnutzung, minimalen Verlusten in den Rändern und einer Isolationsklasse von 180 (H). Insofern unterscheidet Exlar nicht mehr zwischen der Mechanik des Rollengewindes und der des Motors. Ein Vorteil der Exlar-Lösung ist die hohe Lebensdauer des Rollengewindes. In Schweißzangenanwendungen, die typischerweise auf rund 15 Mio. Schweißpunkte veranschlagt werden, benötigen Lösungen mit Exlar-Aktuatoren im Normalfall keine Wartung oder Überarbeitung. Ein weiterer Vorteil ist die Steuerbarkeit eines Servo-Antriebes. Eine wesentliche Forderung an jeglichen Aktuator einer Schweißzange ist, dass der Anpressdruck bei jedem Schweißpunkt möglichst gleich sein soll. Hier setzte früher Kritik an, weil sich speziell in der Aufwärm-Phase des Motors die Charakteristik eines elektromechanischen Aktuators ändert. Für Exlar- Aktuatoren ist diese Problematik keine Herausforderung, weil sich die Andruckkraft eines GSX40 Aktuators für Schweißzangen in einer Breite von 0,75 % oder 50 N um die nominale Andruckvorgabe bei Umgebungstemperatur von 40 °C bewegt. Damit sind gleichmäßige und verlässliche Schweißpunkte über den gesamten Produktionszyklus hin garantiert. Ein dritter Vorteil ergibt sich aus der integrierten Lösung mit weniger Bauteilen in kompakter und modularer Bauform. Zusätzliche Eigenschaften können ergänzt werden, so z. B. mit elektrischer Bremse oder Druckmesszellen, um Kräfte unmittelbar am Druckpunkt zu messen. Zudem benötigen diese Systeme keine Kühlung, die Umgebungsluft reicht zur Wärmeabfuhr aus. Ein weiterer Punkt, der den Roboter entlastet und die Systemeffizienz erhöht. www.exlar.com STATEMENT Antrieb ist ChArAktersAChe Motek halle 6 stand 6421 eurobLeCh halle 13 stand e 133 Unsere elektromechanischen Antriebe haben einen ganz eigenen Charakter. Sie sind kraftvoll, energieeffizient und exakt regelbar. Ideal zum Fügen, Stanzen, Einpressen und Umformen. TOX ® GmbH& PRESSOTECHNIK Co. KG D-88250 Weingarten info@tox-de.com TOX ® - ElectricDrive bis 700 kN www.tox-de.com

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