Was ist neu bei pneumatischen Aktuatoren?

Bei der Herstellung jedes Produkts ist es immer sinnvoll, den Montageprozess einfach zu halten. Und eine der einfachsten Möglichkeiten, lineare oder rotierende Bewegungen in einen Montageprozess zu implementieren, ist die Verwendung eines pneumatischen Aktuators.

„Einfache Einrichtung und geringere Kosten sind zwei der Hauptvorteile pneumatischer Aktuatoren im Vergleich zu elektrischen und hydraulischen“, bemerkt Carey Webster, Engineered Solutions Manager bei PHD Inc. „Außerdem geht die Einrichtung schnell und erfordert das Festschrauben des Aktuators und den Anschluss der Luft.“ Leitungen zu den Armaturen.“

PHD vertreibt seit 62 Jahren pneumatische Aktuatoren, wobei der größte Kundenstamm Automobilhersteller sind. Weitere Kunden kommen aus der Haushaltsgeräte-, Medizin-, Halbleiter-, Verpackungs- sowie Lebensmittel- und Getränkeindustrie.

Laut Webster sind etwa 25 Prozent der pneumatischen Aktuatoren, die PHD herstellt, kundenspezifisch. Vor vier Jahren entwickelte das Unternehmen einen kundenspezifischen Aktuator, der als pneumatischer Greifkopf mit fester Teilung für einen Hersteller von medizinischen Montagemaschinen fungiert.

„Dieser Kopf nimmt schnell und präzise mehrere Teile auf und positioniert sie, bevor sie zum Versand in einen Container gelegt werden“, erklärt Webster. „Der Aufnahmekopf ist an der Basis der Teileherstellungsmaschine montiert und verändert die Teilung des Teils je nach Teilegröße von 10 auf 30 Millimeter.“

Das Bewegen von Objekten von Punkt zu Punkt mit hoher Kraft ist eine der Besonderheiten pneumatischer Antriebe und der Grund dafür, dass sie nach fast einem Jahrhundert immer noch das bevorzugte Mittel zur Maschinenbewegung an Fließbändern sind. Pneumatische Aktuatoren sind außerdem für ihre Langlebigkeit, Kosteneffizienz und Überlasttoleranz bekannt. Jetzt ermöglicht die neueste Sensortechnologie Ingenieuren, die Aktuatorleistung zu optimieren und sie in jede Plattform für das industrielle Internet der Dinge (IIoT) zu integrieren.

In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts erzeugten pneumatische Aktuatoren in der Fertigung lineare Kräfte auf Basis einfachwirkender Zylinder. Wenn der Druck auf einer Seite zunimmt, bewegt sich der Zylinder entlang der Kolbenachse und erzeugt so eine lineare Kraft. Der Kolben kehrt in seine ursprüngliche Position zurück, wenn auf die andere Seite des Kolbens eine Rückfederkraft ausgeübt wird.

Kurt Stoll, Mitbegründer der Festo AG & Co., entwickelte 1955 gemeinsam mit Ingenieuren Europas erste Serie von Pneumatikzylindern, den einfachwirkenden Typ AH. Laut Michael Guelker, Produktmanager für, wurden die Zylinder im nächsten Jahr auf den Markt gebracht pneumatische Antriebe bei Festo Corp. und Fabco-Air.

Kurz darauf kamen nicht reparierbare pneumatische Aktuatoren mit kleinen Zylindern und Flachzylindern sowie solche, die eine Drehkraft erzeugen, auf den Markt. Charlie Bimba stellte in seiner Garage in Monee, Illinois, den ersten nicht reparierbaren Zylinder her, bevor er 1957 Bimba Manufacturing gründete. Dieser Zylinder, der heute als nicht reparierbarer Luftzylinder der Originallinie bekannt ist, wurde und bleibt das Flaggschiffprodukt von Bimba.

„Damals waren die einzigen pneumatischen Aktuatoren auf dem Markt etwas sperrig und relativ teuer“, sagt Sarah Manuel, Produktmanagerin für pneumatische Aktuatoren bei Bimba. „Die nicht reparierbaren Modelle verfügen über ein generisches rundes Gehäuse, sind günstiger, halten genauso lange und erfordern keine Wartung. Ursprünglich hatten diese Aktuatoren eine Lebensdauer von 1.400 Meilen. Als wir sie 2012 überarbeitet haben, hat sich ihre Lebensdauer mehr als verdoppelt, auf 3.000 Meilen.“

PHD stellte 1957 seinen Tom Thumb-Zylinderantrieb mit kleiner Bohrung vor. Heute wie damals verfügt der Antrieb über einen Zylinder nach dem National Fluid Power Association (NFPA)-Standard, der bei mehreren Ausrüstungslieferanten erhältlich und austauschbar ist. Es verfügt außerdem über eine Zugstangenkonstruktion, die eine Biegung ermöglicht. Die aktuellen Zylinderangebote von PHD mit kleiner Bohrung bieten in den meisten Anwendungen eine hohe Leistung und können mit Doppelstangen, Hochtemperaturdichtungen und Endlagensensoren ausgestattet sein.

Pancake-Aktuatoren wurden Ende der 1950er Jahre von Alfred W. Schmidt (dem Gründer von Fabco-Air) entwickelt, um den Bedarf an kompakten Luftzylindern mit kurzem Hub und niedrigem Profil zu decken, die in enge Räume passen. Diese Zylinder verfügen über eine Kolbenstangenkonfiguration, die entweder einfachwirkend oder doppeltwirkend funktioniert.

Letztere nutzen Druckluft, um sowohl den Ausfahrhub als auch den Einfahrhub anzutreiben und so die Stange hin und her zu bewegen. Durch diese Anordnung eignen sich doppeltwirkende Zylinder ideal zum Schieben und Ziehen von Lasten. Zu den gängigen Anwendungen gehören Montieren, Biegen, Spannen, Zuführen, Formen, Heben, Senken, Positionieren, Pressen, Bearbeiten, Stanzen, Schütteln und Sortieren.

Die runden Aktuatoren der M-Serie von Emerson verfügen über eine Kolbenstange aus Edelstahl und Rollgewinde an beiden Enden der Kolbenstange, um dauerhafte Kolbenstangenverbindungen zu gewährleisten. Die Aktuatoren sind kostengünstig im Betrieb, verfügen über mehrere Montageoptionen und sind mit einer ölbasierten Verbindung vorgeschmiert, um eine weitgehend wartungsfreie Leistung zu gewährleisten.

Die Bohrungsgrößen reichen von 0,3125 Zoll bis 3 Zoll. Die Aktuatoren haben einen maximalen Luftdruck von 250 psi. Laut Josh Adkins, Aktuatorproduktspezialist für Maschinenautomatisierung bei Emerson, gehören zu den häufigsten Anwendungen das Festklemmen und Umleiten von Material von einer Montagelinie zur anderen.

Drehantriebe sind in Einzel- oder Doppelzahnstangen-, Flügelrad- und Schrägverzahnungsversionen erhältlich. Diese Aktuatoren erfüllen zuverlässig so unterschiedliche Funktionen wie das Zuführen und Ausrichten von Teilen, das Betätigen von Rutschen oder das Führen von Paletten auf einem Förderband.

Ein Zahnstangenantrieb wandelt die lineare Bewegung eines Zylinders in eine Drehbewegung um und wird für präzise und schwere Anwendungen empfohlen. Die Zahnstange ist ein gerader Satz Zahnradzähne, der am Kolben des Zylinders befestigt ist. Während sich der Kolben bewegt, wird die Zahnstange linear gedrückt und ihre Zähne kämmen mit den kreisförmigen Zähnen des Ritzels, wodurch es sich dreht.

Flügelradantriebe verwenden einen einfachen Luftmotor, um einen Flügel anzutreiben, der an einer rotierenden Antriebswelle befestigt ist. Wenn ein erheblicher Druck auf die Kammer ausgeübt wird, dehnt sie sich aus und bewegt die Schaufel in einem Bogen von bis zu 280 Grad, bis sie auf eine stationäre Barriere trifft. Die Drehrichtungsumkehr erfolgt durch Umkehr des Luftdrucks an den Einlass- und Auslassöffnungen.

Der spiralförmige (oder gleitende) Spline-Rotary besteht aus einem zylindrischen Gehäuse, einer Welle und einer Kolbenhülse. Wie der Zahnstangen-Ritzel-Aktuator basiert auch der Spiralantrieb auf dem Antriebskonzept mit Keilverzahnung, um eine lineare Kolbenbewegung in eine Wellendrehung umzuwandeln.

Zu den weiteren Antriebsarten zählen geführte, Hemmungs-, Mehrstellungs-, stangenlose, Kombinations- und Spezialantriebe. Geführte pneumatische Antriebe verfügen über Führungsstangen, die parallel zur Kolbenstange an der Jochplatte montiert sind.

Diese Führungsstangen reduzieren Stangenverbiegungen, Kolbenverbiegungen und ungleichmäßigen Dichtungsverschleiß. Sie sorgen außerdem für Stabilität und verhindern ein Verdrehen, während sie gleichzeitig hohen seitlichen Belastungen standhalten. Die Modelle können von Standardgröße oder kompakt sein, im Allgemeinen handelt es sich jedoch um Hochleistungsaktuatoren, die eine Wiederholgenauigkeit bieten.

„Hersteller suchen nach geführten Aktuatoren für verschiedene Anwendungen, die sowohl Robustheit als auch Präzision erfordern“, sagt Franco Stephan, Marketingleiter für Maschinenautomatisierung bei Emerson. „Ein häufiges Beispiel ist die Führung des Antriebskolbens, sodass er sich auf einem Schiebetisch präzise hin und her bewegt. Geführte Aktuatoren reduzieren auch den Bedarf an externen Führungen in Maschinen.“

Im vergangenen Jahr stellte Festo seine Mini-Pneumatikschlitten der DGST-Serie mit Doppelführungszylindern vor. Die Schlitten gehören zu den kompaktesten auf dem Markt und sind für Präzisionshandhabung, Pressmontage, Pick-and-Place sowie elektronische und leichte Montageanwendungen konzipiert. Es stehen sieben Modelle mit Nutzlasten von bis zu 15 Pfund und Hublängen von bis zu 8 Zoll zur Verfügung. Wartungsfreie Doppelkolbenantriebe und kraftbelastbare Kugelumlaufführungen sorgen für eine Leistung von 34 bis 589 Newton bei 6 bar. Ebenfalls serienmäßig sind Dämpfungs- und Näherungssensoren, die nicht über die Grundfläche des Schlittens hinausragen.

Pneumatische Hemmungsantriebe eignen sich ideal zum Vereinzeln und Freigeben einzelner Teile aus Trichtern, Förderbändern, Vibrationsförderern, Schienen und Magazinen. Laut Webster gibt es Hemmungen in Einzel- und Doppelstabkonfigurationen und sie sind so konzipiert, dass sie hohen seitlichen Belastungen standhalten, die bei solchen Anwendungen typisch sind. Einige Modelle sind mit Schaltern zur einfachen Anbindung verschiedener elektronischer Steuerungen erhältlich.

Laut Guelker sind zwei Arten von pneumatischen Multipositionsantrieben erhältlich, und beide sind für hohe Beanspruchung ausgelegt. Der erste Typ besteht aus zwei getrennten, aber verbundenen Zylindern mit Kolbenstangen, die in die entgegengesetzte Richtung ausfahren und an bis zu vier Positionen anhalten.

Ein anderer Typ verfügt über zwei bis fünf mehrstufige Zylinder, die in Reihe geschaltet sind und unterschiedliche Hublängen haben. Es ist nur eine Kolbenstange sichtbar und diese bewegt sich in eine Richtung in verschiedene Positionen.

Kolbenstangenlose Linearantriebe sind pneumatische Antriebe, bei denen die Kraftübertragung über eine seitliche Verbindung zum Kolben erfolgt. Diese Verbindung erfolgt entweder mechanisch durch einen Schlitz im Profilrohr oder magnetisch durch ein geschlossenes Profilrohr. Einige Modelle verwenden möglicherweise sogar ein Zahnstangensystem oder Zahnräder zur Kraftübertragung.

Ein Vorteil dieser Antriebe ist, dass der benötigte Bauraum deutlich kleiner ist als bei einem vergleichbaren Kolbenstangenzylinder. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Aktuatoren eine Last über die gesamte Hublänge des Zylinders führen und stützen können, was sie zu einer intelligenten Wahl für Anwendungen mit längerem Hub macht.

Kombinationsaktuatoren bieten sowohl eine lineare Bewegung als auch eine begrenzte Drehung und umfassen Klemmen und Greifer. Spannzylinder halten Werkstücke automatisch und wiederholbar entweder direkt mit einem pneumatisch betätigten Spannelement oder über eine Kinematik.

Im Ruhezustand wird das Spannelement angehoben und aus dem Arbeitsbereich geschwenkt. Anschließend wird es unter Druck gesetzt und wieder eingerastet, sobald ein neues Werkstück positioniert wird. Durch die Kinematik können sehr hohe Haltekräfte bei geringem Energieverbrauch erreicht werden.

Pneumatische Greifer halten, positionieren und bewegen Teile in Parallel- oder Winkelbewegung. Ingenieure kombinieren sie oft mit einigen anderen pneumatischen oder elektronischen Komponenten, um ein Pick-and-Place-System aufzubauen. Halbleiterunternehmen verwenden seit langem kleine pneumatische Greifer, um empfindliche Transistoren und Mikrochips zu handhaben, während Autohersteller große, leistungsstarke Greifer verwenden, um ganze Automotoren zu bewegen.

Die Pneu-Connect-Familie bestehend aus neun Greifern von PHD lässt sich direkt an den Werkzeuganschluss eines Cobots von Universal Robots anschließen. Alle Modelle verfügen über ein eingebautes pneumatisches Wegeventil zum Öffnen und Schließen des Greifers. Die URCap-Software ermöglicht eine intuitive und einfache Greifereinrichtung.

Darüber hinaus sind vom Unternehmen Pneu-ConnectX2-Kits erhältlich, die den Anschluss zweier pneumatischer Greifer für eine größere Anwendungsflexibilität ermöglichen. Diese Kits umfassen entweder zwei GRH-Greifer (mit analogen Sensoren, die eine Rückmeldung der Backenposition liefern), zwei GRT-Greifer oder einen GRT-Greifer und einen GRH-Greifer. Jedes Kit enthält eine Freedrive-Funktion, die mit dem Cobot verbunden ist und eine einfache Positionierung und Programmierung ermöglicht.

Wenn ein Standard-Luftzylinder nicht in der Lage ist, eine oder mehrere Aufgaben für eine bestimmte Anwendung zu erfüllen, sollten Endbenutzer Spezialzylinder wie Laststopp- und Sinuszylinder in Betracht ziehen. Laststoppzylinder verfügen häufig über hydraulische Industriestoßdämpfer zum sanften, rückprallfreien Stoppen von Fördergütern. Diese Zylinder sind für den vertikalen und horizontalen Einbau geeignet.

Sinuszylinder transportieren empfindliche Gegenstände mit besserer Kontrolle über Zylindergeschwindigkeit, Beschleunigung und Verzögerung als herkömmliche Pneumatikzylinder. Diese Steuerung ist auf zwei Rillen an jedem Kissensteg zurückzuführen, was zu einer allmählicheren anfänglichen Beschleunigung oder Verzögerung und einem sanften Übergang zum oder vom Vollgeschwindigkeitsbetrieb führt.

Hersteller verwenden zunehmend Positionsschalter und Sensoren, um die Leistung von Aktoren genauer zu überwachen. Durch die Installation von Positionsschaltern kann das Steuerungssystem so konfiguriert werden, dass es eine Warnung auslöst, wenn ein Zylinder die programmierte ausgefahrene oder eingefahrene Position nicht wie erwartet erreicht.

Zusätzliche Schalter können verwendet werden, um zu bestimmen, wann Aktuatoren Mittelpositionen erreichen, sowie die nominelle Betätigungszeit jeder Bewegung. Diese Informationen informieren die Bediener über drohende Probleme, bevor es zu einem Totalausfall kommt.

Ein Positionssensor bestätigt, dass die Position des ersten Aktionsschritts abgeschlossen ist, bevor mit dem zweiten Schritt fortgefahren wird. Dies gewährleistet eine sequenzielle Funktionalität, auch wenn sich die Leistung und Geschwindigkeit der Geräte im Laufe der Zeit ändern.

„Wir bieten Sensorfunktionen für unsere Aktoren, um Unternehmen bei der Implementierung von IIoT in ihren Anlagen zu unterstützen“, sagt Adkins. „Endbenutzer können jetzt wichtige Daten erhalten, um die Aktoren besser zu überwachen und ihre Leistung zu optimieren. Diese Daten reichen von Geschwindigkeit und Beschleunigung bis hin zu Positionsgenauigkeit, Zykluszeit und zurückgelegter Gesamtstrecke. Letzteres hilft Unternehmen, die verbleibende Lebensdauer der Dichtungen an einem Aktuator besser zu bestimmen.“

Die magnetischen Näherungssensoren ST4 und ST6 von Emerson lassen sich problemlos in eine Vielzahl pneumatischer Aktuatoren integrieren. Das kompakte Design der Sensoren ermöglicht den Einsatz in kleinen Räumen und die Drop-In-Montage. Ein robustes Gehäuse ist Standard, ebenso wie LEDs, die den Ausgangszustand anzeigen.

Die IntelliSense-Technologieplattform von Bimba kombiniert Sensoren, Zylinder und Software, um Echtzeit-Leistungsdaten für seine Standard-Pneumatikgeräte zu liefern. Diese Daten ermöglichen eine genaue Überwachung einzelner Komponenten und geben Benutzern die nötigen Einblicke, um von der Notfallreparatur zu proaktiven Upgrades überzugehen.

Jeremy King, Produktmanager für Sensortechnologien bei Bimba, sagt, dass die Intelligenz der Plattform in einem Remote-Sensor-Schnittstellenmodul (SIM) steckt, das über pneumatische Anschlüsse einfach mit Zylindern verbunden werden kann. Mithilfe eines Sensorpaars sendet die SIM-Karte Daten (einschließlich Zylinderzustand, Hubzeit, Hubende, Druck und Temperatur) zur Vorwarnung und Steuerung an eine SPS. Gleichzeitig sendet die SIM-Karte Echtzeitinformationen an einen PC oder das IntelliSense Data Gateway. Letzteres ermöglicht Managern den Fernzugriff auf Daten zur Analyse.

Guelker sagt, dass die VTEM-Plattform von Festo Endanwendern bei der Implementierung IIoT-basierter Systeme hilft. Die modulare und rekonfigurierbare Plattform ist speziell für Unternehmen konzipiert, die Produkte in kleinen Stückzahlen und mit kurzem Lebenszyklus herstellen. Darüber hinaus bietet es eine hohe Maschinenauslastung, Energieeffizienz und Flexibilität.

Digitale Ventile in der Plattform ändern die Funktionalität basierend auf verschiedenen Kombinationen herunterladbarer Bewegungs-Apps. Zu den weiteren Komponenten gehören ein integrierter Prozessor, Ethernet-Kommunikation, elektrische Eingänge zur schnellen Steuerung spezifischer analoger und digitaler Anwendungen sowie integrierte Druck- und Temperatursensoren zur Datenanalyse.

Jim ist leitender Redakteur von ASSEMBLY und verfügt über mehr als 30 Jahre redaktionelle Erfahrung. Bevor er zu ASSEMBLY kam, war Camillo Herausgeber von PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal und Milling Journal. Jim hat einen Abschluss in Englisch von der DePaul University.