In einem durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen geförderten Entwicklungsvorhaben verfolgt das Steinbeis-Forschungsinstitut Verarbeitungsmaschinen und –systeme das Ziel, eine erhebliche Verbesserung des dynamischen Verhaltens des Arbeitszylinders im pneumatischen Antrieb bei gleichzeitiger Verkürzung der Bewegungszeit zu erzielen. Das kann dadurch erreicht werden, dass die Energie der Abluft über einen Speicher zum Abbremsen des Zylinders in seiner Endlage genutzt wird.
Pneumatische Antriebe werden herkömmlich nach dem Prinzip der Abluftdrosselung und endlagengesteuert betrieben. Dabei stellt sich nach einer kurzen Beschleunigungsphase eine konstante Geschwindigkeit ein, mit der der Antrieb seine Endlage erreicht. Die Abdämpfung der verbleibenden kinetischen Restenergie wird über Standardlösungen wie hydraulische Dämpfer, pneumatische Endlagendämpfung und Elastomerpuffer gelöst. Diese Endabbremsung löst oft eine Ausbildung einer starken dynamischen Belastung des Systems aus, die zur Zerstörung führen kann. Diesem Problem kann mit der Verringerung der Antriebsgeschwindigkeit entgegengewirkt werden, was jedoch zu einer sehr starken Verlängerung der Verfahrzeiten führt.
Die Nachteile der unzureichenden Bewegungsdynamik zeigen sich besonders bei großen Hublängen und hohen Nutzmassen. Trotz hoher dynamischer Belastungen wird lediglich eine unzureichende Taktzeit erreicht. Bei optimaler Einstellung der internen Endlagenbremse sowie des externen Drosselrückschlagventils erreicht der Zylinder nach rund 1,72 Sekunden seine Endlage. Die Verfahrgeschwindigkeit erreicht einen Maximalwert von ca. 0,25 m/s und bleibt über 2/3 des Hubes annähernd konstant.
Bei dem vom Chemnitzer Steinbeis-Forschungsinstitut für ein mittelständiges sächsisches Unternehmen entwickelten System „Luftfeder“ wird der Abluftraum des Arbeitszylinders mit einem vorgespannten Druckspeicher verbunden. Die vom Kolben verdrängte Luftmenge strömt in den Speicher und erhöht den Speicherdruck wegproportional. Der damit ansteigende Abluftdruck wirkt der Bewegung entgegen und bremst den Antrieb schon vor dem Erreichen der Endlage spürbar ab. Damit ist es möglich, die Antriebsdynamik gegenüber der Abluftdrosselung für beide Bewegungsrichtungen deutlich zu steigern. Das System „Luftfeder“ kann jedoch auch so betrieben werden, dass die pneumatische Energie der Druckluft im Speicher zur Realisierung eines abluftgedrosselten Rückhubes verwendet wird. Dies führt zusätzlich zu einer erheblichen Reduzierung des Druckluftverbrauchs.
Im Vergleich zum konventionellen Antrieb erreicht der Zylinder im neuen System bereits viel früher seine Endlage und seine maximale Verfahrgeschwindigkeit erhöht sich auf ca. 1 m/s. Mit dieser Schaltungsvariante wird eine deutliche Verbesserung der Antriebsdynamik, verbunden mit einer Senkung der Taktzeiten, erreicht. Diese Veränderung trägt zu einer Vergrößerung des Einsatzbereiches pneumatischer Antriebe bei gleichzeitiger Steigerung der zulässigen bewegten Nutzmasse bei. Als Nebeneffekt besteht die Möglichkeit zur Senkung des Druckluftverbrauchs um bis zu 50 Prozent bei einseitiger Anwendung.
Prof. Dr.-Ing. habil. Eberhard Köhler
Steinbeis-Forschungsinstitut Verarbeitungsmaschinen und –systeme (Chemnitz)