Leistungskontrolle ohne Druck

Bewegung und Leistung von pneumatischen und hydraulischen Linearantrieben hängen in erster Linie von Druckkontrolle und -regelung ab. Anders bei elektrischen Linearaktuatoren: Hier kommt es ausschließlich auf die geeignete Kraftmessung an.

Linearantriebe halten unzählige Arbeitsprozesse in Bewegung, vom Teilestanzen bis zum Ausbaggern einer Baugrube. Bisher spielten dabei vor allem pneumatische und hydraulische Systeme eine Rolle. Neben diesen beiden klassischen Antriebsarten hat sich mittlerweile der elektrische Linearaktuator etabliert. Die Kombination aus Motor und mechanischem Schubaggregat findet vor allem in Industrieverfahren als Alternative zu pneumatischen Antrieben Verwendung. Auch für Hydrauliksysteme in der Baumaschinen-Branche gibt es Zeichen eines Wandels.

Die Vorteile solcher E-Lösungen liegen auf der Hand: Die Antriebe sind kompakt und können im Baukastensystem an jede Anwendung individuell angepasst werden. Sie setzen die Energie direkt in Bewegung um und benötigen keine Flüssigkeit bzw. Druckluft als Zwischenmedium. Demzufolge entfällt das dafür notwendige Equipment wie Pumpen bzw. Kompressoren samt Leitungen und Schläuchen, was
den Wartungsaufwand reduziert und eine Leckage als potenzielle Fehlerquelle ausschließt.

Kostenintensiver Druck
Zugleich arbeiten Elektroantriebe sparsam: Sie setzen Energie lediglich für die eigentliche Bewegung ein, während Pneumatik- und Hydrauliksysteme permanent Druck aufrechterhalten müssen. Ohne Druck als zentrale Antriebskomponente konzentriert man sich bei elektrischen Linearaktuatoren auf die  Kraftmessung, um den Bewegungsablauf zu überwachen und zu regeln. Entsprechend der Applikationsbreite müssen dabei unterschiedliche Kräfte erfasst werden, z. B. Fügekräfte bei Roboterarmen, Scherkräfte beim Stanzen, Presskräfte beim Crimpen oder Druckkräfte beim Punktschweißen.

Fehlererkennung als Unterschiedsmerkmal
Zwar könnten Anwender die Endgeräte eines Antriebs, zum Beispiel eine Schweißzange oder ein Stanzwerkzeug, über Sensoren für die Messgröße Zeit oder Weg an die gewünschte Position bringen. Doch nur die Kraftmesstechnik ermöglicht zudem eine umgehende automatische Fehlererkennung. Ein plötzlicher Kraftanstieg über die definierte Obergrenze hinaus kann auf einen Spahn oder eine Verkantung zurückzuführen sein. Eine Fehlermeldung dieser Art ist vor allem in automatisierten Prozessen mit Sekundentakten unerlässlich, kann doch eine unkontrollierte Kraft in kürzester Zeit ganze Produktchargen zunichtemachen.

Beliebig positionierbar
Für Linearantriebe, bei denen in beide Richtungen Kräfte wirken, eignen sich besonders Zug-/Druck-Kraftaufnehmer. Diese können aufgrund ihres Einschraubgewindes ohne großen Aufwand in nahezu jeden Linearantrieb eingebaut werden. Die Position spielt keine Rolle, da die Last innerhalb der Kraftkette eines Antriebs überall gleich ist. Bei einem großen Teil der Antriebe wird das Messgerät an der Krafteinleitung, also am Ende des Schubaggregats, platziert, weil dies dort am einfachsten möglich ist. Dies ist zum Beispiel bei Einpress- oder Stanzmaschinen der Fall.

Alternative bei niedrigen Nennkräften
Gemessen an Handhabung und Leistung stellen Kraftaufnehmer mit Dünnfilmsensoren – diese werden aus mehreren Schichten aufgebaut („gesputtert“), sodass die Dehnungsmessstreifen bereits integriert sind und als Sensor eingeschweißt werden – die umfassendste Lösung für elektrische Linearantriebe in industriellen Anwendungen dar. Gleichwohl sollte man Kraftaufnehmer mit aufgeklebten Messstreifen nicht aus dem Auge verlieren. Sie decken die kleinen Nennkräfte ab. Dünnfilm-Kraftaufnehmer haben eine relativ hohe Steifigkeit, sodass erst Kräfte ab 1 kN mit der üblichen Fehlertoleranz (0,2 bis 1,0 % Fnom) gemessen werden können. Aufgeklebte Dehnungsmessstreifen hingegen können bereits Kräfte ab 1 N detektieren. Sie eignen sich darüber hinaus für die Realisierung von Miniatursensoren und kommen für eine höhere Genauigkeit in Frage: Es lassen sich Werte von 0,01 bis 1,0 % Fnom erzielen.

Unabhängig von der Art wird der jeweilige Zug-/Druck-Kraftaufnehmer für die Aufgabe ausgewählt. Dabei lässt sich der Grundkörper, der die Sensorzelle aufnimmt, für unterschiedliche Nennlasten verwenden. Gemäß der VDI-Richtlinie müssen alle Kraftaufnehmer kurzfristig einer Überlast vom Anderthalbfachen ihrer Nennkraft widerstehen. Im Rahmen der definierten Einsatzbedingungen erweisen sich Kraftaufnehmer als robuste und langlebige Messinstrumente: Sie verkraften bis zu zehn Millionen Lastwechsel ohne Messfehler.

Fazit:
Elektrische Linearantriebe finden zunehmend Verbreitung in der Industrie. Im Gegensatz zu den althergebrachten Linearantrieben hängt die Leistungsüberwachung und -regelung bei elektrischen Linearaktuatoren ausschließlich von der Kraftmessung ab. Diese basiert auf Zug-/Druck-Kraftaufnehmern. Geräte mit Dünnfilmsensor eignen sich dabei für ein breites Spektrum industrieller Anwendungen, mit digitalem Ausgangssignal zudem für hochautomatisierte und vernetzte Prozesse der IoT.

Markus Heidl
Produktmanager Kraft
WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG
Alexander-Wiegand-Straße 30
63911 Klingenberg
www.wika.de

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