O+P Fluidtechnik 9/2017

ANTRIEBE
1 EINLEITUNG
In jüngerer Vergangenheit rücken neben den ökonomischen auch
verstärkt ökologische Effizienzgedanken bei Investitionsentscheidungen
in den Fokus. Dies wirkt sich auch auf die Wahl der eingesetzten
Technologie zur Erfüllung linearer Bewegungsaufgaben
aus. Im Bereich der linearen Antriebstechnik geringer Leistung, wie
sie beispielsweise in der Fabrikautomation in großer Stückzahl eingesetzt
wird, besteht eine starke Konkurrenz zwischen der Pneumatik
und der Elektromechanik. Es lassen sich bezüglich dieser beiden
Technologien sehr unterschiedliche Aussagen in Pressetexten finden.
Neben Titeln wie beispielsweise „Energieeffizienz mechatronischer
Systeme ist unschlagbar“ [Dru07] existieren auch differenziertere
Aussagen wie beispielsweise „der pneumatische Greifer ist
dem elektrischen dann überlegen, wenn die Anwendung lange
Zyklen und wenig Greifvorgänge umfasst“ [Fes11]. Dies wurde auch
im EnEffAH-Projekt, das durch das Bundesministerium für Wirtschaft
und Technologie gefördert wurde, exemplarisch veranschaulicht
(Bild 1-1). Hierbei wurde angenommen, dass die Stromaufnahme
des elektromechanischen Antriebs quadratisch mit der
Haltekraft wächst, während der pneumatische Antrieb einen von
der Zykluszeit unabhängigen Energiebedarf pro Zyklus aufweist, da
er in der Lage ist, die Haltekraft ohne zusätzliche Druckluftzufuhr
konstant aufzubringen. Jedoch fehlt dem Anwender immer noch
eine konkrete Grundlage zur Auswahl der bestgeeigneten Technologie,
da für definierte Anwendungen mit entsprechend zu dimensionierenden
Antriebsgrößen und Lastverläufen keine einfache
Aussage möglich ist [NN12].
Die häufig subjektiven Aussagen vieler Untersuchungen zum
Thema Energieeffizienz lassen beim Anwender den Bedarf nach
einem umfassenden und neutralen Vergleich zwischen pneumatischen
und elektromechanischen Antrieben kleiner Leistung aufkommen.
Die Ergebnisse des Forschungsprojekts „Wirtschaftlichkeitsanalyse
pneumatischer und elektromechanischer Antriebstechnik“
bieten dem Anwender diese konkrete Entscheidungshilfe bei der
Auswahl der bestgeeigneten Antriebstechnologie. Für repräsentative
Anwendungsfälle wurde die Lebenszykluskosten (Total Cost of
Ownership, TCO) elektromechanischer und pneumatischer Antriebe
mit vergleichbarer Leistung ermittelt und gegegenübergestellt.
Der Anwender erhält so die Möglichkeit, für seine spezifische
Anwendung eine fundierte Entscheidung zu treffen. Das Projekt
wurde vom Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen
(IFAS) in Zusammenarbeit mit dem Werkzeugmaschinenlabor
(WZL) an der RWTH Aachen bearbeitet.
1.1 EXERGETISCHE EFFIZIENZ
Zur Beurteilung der Effizienz der Antriebe wird auf das thermodynamische
Konzept der Exergie zurückgegriffen. Die Exergie
beschreibt die Arbeitsfähigkeit verschiedener Energieformen,
wodurch die Effizienz pneumatischer und elektromechanischer
besser vergleichbar wird. Weiterhin ist es durch Verwendung von
Exergie möglich, Verluste an einer Energiewandlungskette zu finden
und zu bewerten [Bae12].
1.1.1 PNEUMATISCHE ANTRIEBE
Zur Erfassung der den pneumatischen Antrieben zugeführten Exergie
wurde am IFAS ein Prüfsystem aufgebaut, mit dem Antriebe bis
zu einer Hublänge von 1000 mm bei horizontalem und vertikalem
Hub untersucht werden können. Eine schematische Darstellung ist
1-1
1.1
Haltedauer [s]
3
2.5
2
1.5
1
0.5
1-2
in Bild 1-2 zu sehen. Erfasst werden der dem System zugeführte
Luftmassenstrom sowie die Drücke und Temperaturen in der Luftversorgung
und der Umgebung. Weiterhin werden auch der Zylinderweg
sowie die Drücke und Temperaturen in den beiden Zylinderkammern
erfasst.
Die dem pneumatischen Aktor bei einem Doppelhub zugeführte
Luftmasse lässt sich anhand des Volumens der beiden Zylinderkammern
V Zyl
und des Totvolumens V tot
unter der Annahme idealen
Gasverhaltens der Luft nach Gl. 1 1 abschätzen. Vernachlässigt wird
hierbei eine mögliche Leckage im System. Weiterhin wird angenommen,
dass die Bewegung ausreichend langsam ist, um einen
vollständigen Druckausgleich zu ermöglichen.
( )
⎡ 2 2 2
( )
mzu = ρ
Luft
⋅ VZyl + Vtot
pLuft
π
= ⋅ D + D −D ⋅ ⋅ x + V
R ⋅T
⎣
⎢
4
Luft
Exemplarischer Vergleich eines elektromechanischen und
pneumatischen Antriebs [NN12]
Exemplarischer Vergleich eines elektromechanischen und pneumatischen Antriebs
[NN12]
Elektrischer Antrieb vorteilhaft
Luft
Pneumatischer Antrieb vorteilhaft
Hublänge
0
0 20 40 60 80 100 120 140
Endlagenkraft [N]
Messsystem für pneumatische Antriebe
Kolben Kolben Stange Hub tot
⎤
⎥
⎦
( Gl.1−1)
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