Selbstsynchronisierende Aktuatoren: große oder asymmetrische Lasten einfach automatisiert

Das Ausbalancieren großer oder asymmetrischer Lasten stellt viele Anwendungen vor erhebliche Probleme. Sei es die Motorhaube einer Baumaschine, eine große Arbeitsplattform, ein Sonnenkollektor oder ein industrielles System zur Materialhandhabung – nicht austarierte Bewegungen können die Leistung beeinträchtigen, unnötigen Verschleiß verursachen und nicht zuletzt die Sicherheit der Arbeiter gefährden. Die Synchronisierung mehrerer Aktuatoren erforderte bislang eine komplexe Integration externer Geräte sowie eine aufwändige Konfiguration oder sogar Programmierung. Die neueste Generation smarter Linearaktuatoren mit integrierter Elektronik ist demgegenüber einfach zu installieren und in der Lage, sich automatisch zu synchronisieren.

Wozu den Betrieb der Aktuatoren synchronisieren?

Eine Last, die an einer Seite schwerer ist als an der anderen, kann zu Schäden am Gerät oder dessen Komponenten führen, wenn sie nicht korrekt geführt wird. Während ungleich verteilte Last in einigen Fällen voraussehbar ist, kann sie auch aus unerwarteten Situationen entstehen, beispielsweise durch ein plötzliches Verrutschen der Last. Geräteentwickler berücksichtigen ungleich verteilte Lasten, indem sie mehrere Aktuatoren vorsehen, die jedoch sämtlich eng synchronisiert sein müssen, um Probleme zu vermeiden. Wird z.B. ein Aktuatoren-Paar verwendet, um die Motorhaube einer großen Baumaschine anzuheben und abzusenken, kann es zu ruckartigen, verzögerten Bewegungen oder unnötigem Verschleiß kommen, wenn die Aktuatoren nicht parallel arbeiten.

Je größer und asymmetrischer eine Last, umso wichtiger ist es, die zu deren Bewegung genutzten Aktuatoren zu synchronisieren. Um die vertikalen und horizontalen Bewegungen einer 20-Meter-Plattform zu stabilisieren, die Arbeiter beim Bau eines Jumbo-Jets trägt, können beispielsweise mehr als zehn Aktuatoren notwendig sein. Noch komplizierter wird diese Anwendung dadurch, dass sich die Last immer wieder verlagert, wenn die Arbeiter auf der Plattform hin- und hergehen. Erschwerend kommt hinzu, dass auch die Plattform selbst möglicherweise aufgrund von Toleranzen der Schweißnähte zwischen den Segmenten nicht völlig gleichförmig ist.

Jeder smarte elektromechanische Thomson Electrak® HD-Aktuator kann bis zu seiner maximalen dynamischen Tragzahl schieben oder ziehen, um eine asymmetrische Last automatisch auszubalancieren.

Ordnungsgemäß synchronisiert, können darüber hinaus mehrere Aktuatoren zusammengeschaltet werden, um Lasten zu heben, die jeder einzeln nicht bewältigen könnte. Wie effektiv sich eine synchronisierte Bewegung großer oder asymmetrischer Lasten realisieren lässt, hängt im Wesentlichen davon ab, ob hydraulische, elektromechanische – oder smarte elektromechanische Aktuatoren mit eingebauter Synchronisierung verwendet werden.

Synchronisierung hydraulischer Aktuatoren

Die einfachsten Anwendungen mit hydraulischen Aktuatoren umfassen zwei Einheiten, die eine breitere Last heben wie z.B. die zuvor erwähnte Motorhaube. Hierzu wären Druckleitungen zu jedem Aktuator notwendig sowie ein gewisses Maß an Synchronisierung; die Aktuatoren würden sich allerdings nicht in gegenseitiger Abhängigkeit ihrer Position bewegen. Größere Änderungen der Last oder Verschleißauswirkungen ließen sich nur mit erheblichem Aufwand kompensieren.

Vergleicht man einen Hydraulikzylinder mit einem elektromechanischen Aktuator, würde man intuitiv die hydraulische Variante als die kosteneffizientere Lösung erachten. Berücksichtigt man jedoch alle Komponenten, die ein Hydrauliksystem ausmachen (Pumpe, Ausgleichsbehälter, Verteiler, Schläuche, Steuerung usw.), bedeutet die elektromechanische Lösung insgesamt eine signifikante Reduzierung der Material- und Einbaukosten. Damit nicht genug, erfordert ein elektromechanisches System praktisch keinerlei Wartung und arbeitet deutlich sauberer als ein Hydrauliksystem. Zudem weist letzteres eine ganze Reihe potenzieller Undichtigkeitsstellen auf, was die Kosten über seinen Lebenszyklus gesehen weiter nach oben treibt.

Synchronisierung elektrischer Aktuatoren

Im Laufe der 1960er- und 1970er-Jahre begannen Konstrukteure von Achsteuerungen damit, hydraulische Zylinder durch elektrische Aktuatoren zu ersetzen. Diese arbeiteten sauberer und waren einfacher zu synchronisieren als Hydraulik-Modelle, erforderten aber nach wie vor spezielle Maßnahmen. Die Systementwickler mussten externe Steuerungen oder Schalter programmieren, um die digitale Position aus den Encodern auszulesen. Auf dieser Grundlage hat das Programm dann die Geschwindigkeit der einzelnen Aktuatoren nach Bedarf angepasst, um die Last in Waage zu halten.

Synchronisierung smarter Aktuatoren

Der Einbau von Mikrocontrollern in elektromechanische Aktuatoren hat die Synchronisierungsmöglichkeiten dramatisch verbessert. Hier integrieren die Hersteller die Logiksteuerung und Schaltfunktionen direkt in den Aktuator. Zum Betrieb werden lediglich vier Drähte benötigt: zwei für die Stromversorgung und zwei weitere, die den Datenaustausch über ein Kommunikationsnetzwerk ermöglichen, sodass eine externe Steuerung entfallen kann. Da sich alle Aktuatoren im selben Netzwerk befinden, können sie ihre Position und Geschwindigkeit gegenseitig lesen und entsprechend anpassen – dennoch muss der Rückführungskreis programmiert werden, der ihnen vorgibt, wie sie reagieren sollen.

Doch die neueste Generation smarter Aktuatoren ist sogar noch intelligenter. Hersteller wie Thomson Industries, Inc. integrieren jetzt sämtliche Nachführungsfunktionen inklusive der gesamten Synchronisierungslogik in den Aktuator selbst, sodass sich praktisch beliebig viele dieser Aktuatoren selbst synchronisieren können.

Automatisiere Anwendungen profitieren von der internen Zustandsüberwachung in jedem einzelnen smarten elektromechanischen Aktuator. Damit arbeiten die Aktuatoren immer mit ihrer Nennleistung und werden bei Temperaturanstieg, Überlast oder ungenügender Eingangsspannung abgeschaltet.

In einer typischen Konfiguration verbindet der Entwickler einfach einen der Aktuatoren im System über zwei Niederstromdrähte zum Schaltgerät (z.B. ein Schalter oder eine SPS). Hierzu kann jeder Aktuator im System ausgewählt werden. Nach dem Einschalten kommuniziert das System kontinuierlich die Position und Geschwindigkeit, unabhängig von der Lastveränderung. Erkennt das System irgendeine Positionsabweichung, wird an jeden einzelnen Aktuator ein Befehl geschickt, entweder zu beschleunigen oder abzubremsen, bis das Gleichgewicht wieder hergestellt ist. Die schrittweise Anpassung ist notwendig, damit das System uneinheitliche Belastungen kompensieren kann.

Anwendungen

Die Aktuator-Synchronisierung ist überall dort hilfreich, wo große Lasten bewegt werden müssen, die aus dem Gleichgewicht kommen können. Mit dieser neuen Technologie können Anwender Aktuatoren synchronisieren, die jeweils bis zu 16 kN schwere Lasten bewältigen können und Hublängen bis 1 m bieten (bis 10 kN). Darüber hinaus besteht praktisch keinerlei Begrenzung zur Anzahl der Aktuatoren, die synchronisiert werden können. Zusätzlich zu den bereits beschriebenen Motorhauben und Arbeitsplattformen kann sich die Synchronisierung von Aktuatoren auch in folgenden Anwendungen als wertvoll erweisen:

• Fahrerlose Transportsysteme (AGVs), wo die Synchronisierung die Handhabung einer größeren Palette an Materialien ohne manuellen Eingriff ermöglicht.
• Sonnenkollektoren, wo die Synchronisierung einen robusteren Betrieb großer Panels bei Verfolgung des Sonnenstands ermöglicht, während der Einfluss der Windscherung minimiert wird, sodass spezielle Stützvorrichtungen eingespart werden können.
• Mobile Hebebühnen, wo die Synchronisierung die Bewegung von LKW-Ladebühnen ohne die Komplexität und Wartungsanforderungen einer herkömmlichen Hydrauliklösung ermöglicht.
• Montagestationen, wo die Synchronisierung zu einer effektiven und ergonomischen Hebevorrichtung für axial verlagerte oder asymmetrische Lasten beiträgt.
• Logistikzüge in der Industrie, wo Synchronisierung automatisch ein Ungleichgewicht zwischen vorderer und hinterer Last korrigieren kann.
• Türen an Industrieöfen und großen Prozessapparaten, wo Synchronisierung ein sanftes, sicheres Öffnen und Schließen ermöglichen kann.
• Ausrüstung für ergonomische Patientenhandhabung, wo Synchronisierung einen höheren Patientenkomfort sicherstellen kann, indem z.B. Hubtische und Hubsäulen koordiniert bewegt werden.
• Schiffsbau, wo Synchronisierung durch einen verbesserten Betrieb von Ruderanlagen für ein sanfteres und feineres Ansprechverhalten bei Lenkmanövern sorgen kann.
• Bautechnik, wo Synchronisierung den Betrieb von automatischen Verladerampen in Fabriken und Lagerhallen oder von Fluttoren verbessern kann.

Die Synchronisierung mobiler Hebebühnen an Fahrzeugen liefert eine robuste, zuverlässige Lösung ohne die Komplexität und Wartungsanforderungen herkömmlicher Hydrauliksysteme.

Aktuator-Synchronisierung in Perfektion
Die Möglichkeit, mehrere sich gegenseitig synchronisierende Aktuatoren zu nutzen, hebt die Handhabung großer und asymmetrischer Lasten im wahrsten Wortsinn auf eine neue Ebene. Das Ergebnis zeigt sich in einem verbesserten und zuverlässigeren sowie schnelleren und sichereren Betrieb, während auch die Aktuatoren selbst in Form einer höheren Lebenserwartung profitieren. Wird bereits im Vorfeld die Notwendigkeit einer Synchronisierung erkannt, bedeutet die Wahl selbstsynchronisierender Aktuatoren zudem einen kostengünstigen Einbau, verkürzte Einrichtungszeiten sowie auf lange Sicht minimale Wartungsanforderungen. Angesichts einer vermehrten Digitalisierung und Vernetzung industrieller Prozesse werden der Wunsch nach einem synchronisierten Betrieb mehrerer Aktuatoren – und die damit verbundenen Vorteile – höchstwahrscheinlich weiter wachsen.