Hydraulikzylinder, bekannt für ihre hohe Kraft bei gleichzeitig erschwinglichen Kosten, werden seit Jahrzehnten in der Fabrikautomation und anderen Spezialautomatisierungsanlagen eingesetzt. Hydrauliksysteme sind robust, relativ einfach zu implementieren und bieten niedrige Kosten pro Krafteinheit. In den letzten Jahren haben sich elektrische Stangenantriebe (Servozylinder) mit zunehmend höheren Kraftkapazitäten flexibler, präziser und zuverlässiger entwickelt. Diese Fortschritte haben eine anhaltende Debatte darüber ausgelöst, welche Technologie – Hydraulikzylinder oder elektrischer Antrieb – die beste Gesamtlösung bietet.

1. Elektrische Stangenantriebe vs. Hydraulikzylinder:Systemkomponenten

Die Anzahl der Komponenten und der benötigte Platz für ein Hydraulikzylindersystem sind wesentlich größer als bei einem elektrischen System. Hydrauliksysteme benötigen:

• Ein Zylinder

• Eine Antriebseinheit zur Bereitstellung von Öldruck

• Regel- und Zubehörventile

• Filter

• Schläuche

• Armaturen

• Zusätzliche Komponenten

Hydraulikzylinder bieten eine kompakte Bauweise am Einsatzort (wo die hohe Leistungsdichte benötigt wird), jedoch kann das Hydraulikaggregat (HPU), das Durchfluss und Druck für diese Aktuatoren und andere Komponenten regelt, viel Stellfläche beanspruchen. HPUs sind nicht klein und werden typischerweise in der Nähe des Zylinders platziert, was die Systemfläche zusätzlich vergrößert. In sehr großen Systemen mit extern montierten HPUs können lange Schlauchleitungen die Gesamtstabilität und Effizienz des Hydrauliksystems beeinträchtigen.

Elektrische Stangenantriebe bieten eine kleinere Gesamtfläche. Diese Systeme nutzen einen mechanischen Antrieb, einen Motor (Servo oder einen anderen), ein optionales Getriebe, Kabel und einen Antrieb/Verstärker, der üblicherweise in einem Schaltschrank montiert ist.

Obwohl der elektrische Stellantrieb aufgrund seiner Konstruktion mit integrierter Kraftspindel und Lagersystem im Vergleich zu einem Hydraulikzylinder etwas länger ist, wird dieser Mehrbedarf im Hinblick auf die Gesamtfläche des Systems durch die deutlich geringere Stellfläche des Servoantriebs – dem funktionalen Äquivalent der Hydraulikeinheit (HPU) – mehr als kompensiert. Automatisierungsanlagen nutzen üblicherweise einen Schaltschrank und können für einen zusätzlichen Antrieb ausgelegt werden. Die Platzanforderungen für einen Servoantrieb sind in der Regel nur ein Bruchteil der Platzanforderungen einer HPU.

Bei neuen Systemdesigns kann, wenn der zusätzliche Platz am Arbeitsplatz so gestaltet werden kann, dass er den Arbeitshub und die Gesamtlänge des elektrischen Stellantriebs aufnimmt, die Gesamtgrundfläche der Maschine erheblich verringert werden, da der Bedarf an großen Antriebseinheiten entfällt.

2. Elektrische Stangenantriebe vs. Hydraulikzylinder:Bewegungssteuerungsfunktionen

Der Hauptgrund, warum Ingenieure elektrische Aktuatoren gegenüber hydraulischen Zylindern bevorzugen, liegt in der Flexibilität ihrer Bewegungssteuerung: Positionsregelung (mehrere Positionen, hohe Genauigkeit), Geschwindigkeitsregelung, Beschleunigungs-/Verzögerungsregelung, Kraftregelung und die komplexe Steuerung all dieser Bewegungsvariablen in Echtzeit. Elektrische Aktuatoren, kombiniert mit einem Servoantrieb und einem Motorsystem, ermöglichen eine stufenlose Positionsregelung. Positionsgenauigkeit und -wiederholgenauigkeit übertreffen die Möglichkeiten hydraulischer Systeme bei Weitem.

Standardhydraulik eignet sich hervorragend für Anwendungen mit vollständiger Endlagenpositionierung. Die Positionierung im Hubmittelweg ist jedoch komplexer und erfordert ein Steuerventil sowie die Unterstützung eines Bedieners. Die Positionierung im Hubmittelweg erfolgt im offenen Regelkreis, sodass der Bediener die akzeptable Position festlegen muss. Zusätzlich wird die Geschwindigkeitsregelung über ein Steuerventil überwacht, was wiederum die Einstellung der für die jeweilige Anwendung erforderlichen Geschwindigkeit durch den Bediener erfordert. Die exakte Einstellung der Geschwindigkeit gestaltet sich jedoch oft schwierig. Sobald die Geschwindigkeit eingestellt ist, wird die vom Hydraulikzylinder benötigte Druckkraft über das Druckventil geregelt. Schließlich unterliegen die Wiederholgenauigkeit von Position, Geschwindigkeit und Kraft eines Hydraulikzylinders Verschleiß an Dichtungen, Leckagen, Druckabfällen und -spitzen der Pumpe sowie anderen Wartungsfaktoren. In einer Produktionsumgebung, in der sich Ölqualität und Viskosität aufgrund von Temperaturschwankungen ändern, ist es schwierig, eine gleichbleibende Leistung über Tage, Monate oder Jahre hinweg zu erzielen. Um das gewünschte Leistungsniveau zu erreichen, ist ein ständiger Eingriff des Bedieners erforderlich.

Fortgeschrittenere Hydrauliksysteme, sogenannte Servohydrauliksysteme, ermöglichen die präzise Steuerung von Position, Geschwindigkeit und Kraft. Sie benötigen jedoch zusätzliche Komponenten – einen Servoregler, ein elektrohydraulisches Servoventil und ein Positionsrückmeldesystem wie beispielsweise einen Linearwegaufnehmer –, was die Komplexität, den Platzbedarf und die Kosten erheblich erhöht. Diese Komponenten regeln Druck und Durchfluss im Hydraulikzylinder, ähnlich wie ein Servoantrieb den Strom zu einem Servomotor steuert. Hydrauliksysteme verfügen auch über noch fortschrittlichere Regler, die die Koordination mehrerer Achsen ermöglichen. Dies ist jedoch in der Praxis selten, und diese Regler erhöhen die Komplexität und die Kosten des Gesamtsystems erheblich. Darüber hinaus können sie sehr empfindlich sein und erfordern regelmäßige Wartung, um die gewünschte Leistung zu gewährleisten.

In Kombination mit einem Servoregelungssystem bieten elektrische Aktuatoren eine nahezu stufenlose Steuerung sowie höchste Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit. Mehrachsige Servoregler sind heute in den meisten modernen Steuerungssystemen standardmäßig verfügbar. Regler und elektrische Aktuatoren lassen sich in komplexen Konfigurationen einfacher und kostengünstiger koordinieren als die weniger flexiblen hydraulischen Varianten. Die Geschwindigkeit eines oder mehrerer elektrischer Aktuatoren wird jederzeit präzise und genau gesteuert und kann stufenlos von einer Geschwindigkeit zur anderen übergehen, ohne anzuhalten oder die Position zu überschreiten. Die Beschleunigungs- und Verzögerungsregelung verhindert ein ruckartiges Anfahren oder Anstoßen der elektrischen Aktuatoren. Dadurch werden die Rahmenelemente entlastet und die Notwendigkeit einer übermäßigen Auslegung der Konstruktion zur Aufnahme von Stoßbelastungen vermieden. Alle Bewegungen erfolgen sanft – so können elektrische Aktuatoren in geschäftskritischen Prozessen eingesetzt werden, in denen Maschinenvibrationen nicht akzeptabel sind oder die Prozessgeschwindigkeit beeinträchtigt werden muss. Die Kraft wird über den Strom zum Servomotor gesteuert. Da Servoregler den Strom präzise regeln, gewährleisten nahezu alle elektrischen Aktuatoren eine genaue und wiederholgenaue Steuerung der Kraftabgabe am Arbeitspunkt.

Ein wichtiges Merkmal elektrischer Aktuatoren ist die Möglichkeit der programmierbaren Steuerung aller Bewegungsparameter. Dadurch beschränkt sich der Bedienereingriff auf die anfängliche Planungszeit, um die gewünschten Leistungsparameter in die Programmierumgebung einer SPS oder eines anderen Controllers einzugeben. Nach der Konfiguration wiederholt sich der Betrieb automatisch – Tag für Tag, Monat für Monat und Jahr für Jahr. Mithilfe von HMI-Bildschirmen (Human Machine Interface) lassen sich Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung/Verzögerung und Kraft jederzeit einfach anpassen, was maximale Flexibilität gewährleistet. In OEM-Umgebungen ist die Systemleistung aufgrund der höheren Konstanz eines elektrischen Systems im Vergleich zu einem hydraulischen System leichter zu steuern.

3. Elektrische Stangenantriebe vs. Hydraulikzylinder:Streitkräftekapazitäten

Hydraulikzylindersysteme eignen sich aufgrund ihrer hohen Betriebsdrücke hervorragend zur Erzeugung extrem hoher Kräfte. Typische Drücke liegen zwischen 1800 und 3000 psi (124,1 bis 206,8 bar). In einigen Hochdruck-Hydrauliksystemen werden Drücke bis zu 5000 psi (344,7 bar) verwendet, um die Leistungsdichte weiter zu erhöhen. Da Hydraulikzylinder nach dem Prinzip Kraft = Druck × Fläche arbeiten, ermöglichen die hohen Drücke, dass auch kleinere Zylinder sehr hohe Kräfte erreichen. Beispielsweise können Zylinder mit 3 Zoll und 5 Zoll Bohrung bei 2200 psi etwa 15.000 lbf (66.723,3 kN) bzw. 43.000 lbf (191.273,5 kN) erreichen. Hydraulikzylinder werden jedoch üblicherweise nicht mit ihrer vollen Kraftkapazität betrieben; sie sind in der Regel überdimensioniert, um die Steuerung zu verbessern.

Bei der Auswahl elektrischer Aktuatoren ist die Bestimmung der benötigten Betätigungskraft entscheidend. Um die ungefähre Kraft eines elektrischen Aktuators abzuschätzen, wird üblicherweise der Hydraulikanschluss oder der Systemdruck so lange angepasst, bis die Betätigung nicht mehr möglich ist. Elektrische Aktuatorsysteme nutzen den Stromfluss durch den Servomotor, um ein Drehmoment für das mechanische System zu erzeugen. Dieses treibt die Gewindespindel an und erzeugt so die Kraft. Dies ist ein großer Vorteil: Die Kraft steht sofort zur Verfügung. In hydraulischen Systemen, deren Steifigkeit nicht optimiert ist, muss der hydraulische Aktuator warten, bis sich der Druck aufgebaut hat und die benötigte Kraft erreicht ist. Ein weiterer großer Vorteil elektrischer Systeme ist die automatische Stromregelung durch den Servoregler. Das elektrische Aktuatorsystem nutzt den Strom quasi bedarfsgesteuert. Jegliche Anpassung erfolgt automatisch. Ein Hydraulikaggregat muss hingegen stets Druck im System aufrechterhalten, damit der Hydraulikzylinder betätigt werden kann, was mitunter sehr schwierig sein kann.

Bei der Auswahl eines elektrischen Stellantriebssystems sind die Drehzahl und das Drehmoment des Motors sowie die Steigung der Gewindespindel entscheidend. Die Abstimmung von Drehzahl und Drehmoment des Servomotors auf die mechanische Leistung der Gewindespindel kann komplex sein. Zwar lassen sich die extremen Kräfte, die Hydrauliksysteme erzeugen können, auch mit elektrischer Technologie realisieren, jedoch weisen elektrische Stellantriebe typischerweise einen größeren Gehäusedurchmesser auf und das System hat eine maximale Drehzahl, die nicht überschritten werden darf. Die Dimensionierung eines solchen Systems lässt sich jedoch leicht vereinfachen, da Hersteller von Stellantriebs- und Servokomponenten benutzerfreundliche Softwarepakete zur Dimensionierung von Bewegungssteuerungen anbieten, die alle relevanten Variablen berücksichtigen.

4. Elektrische Stangenantriebe vs. Hydraulikzylinder:Geschwindigkeitskapazitäten

Hohe Geschwindigkeiten bei hohen Kräften zu erreichen, stellt sowohl hydraulische als auch elektrische Technologien vor Herausforderungen. Hydrauliksysteme benötigen Druck für die Kraft und Durchfluss für die Geschwindigkeit. Um höhere Geschwindigkeiten bei höheren Kräften zu erzielen, muss ausreichend Drucköl im System vorhanden sein, um das erforderliche Ölvolumen innerhalb der vorgegebenen Zeit (Durchfluss) in einen Zylinder zu drücken. Dies erfordert typischerweise ein Druckspeichersystem, das das Druckvolumen hält. Bei Zylindern mit langem Hub kann sich das Problem verschärfen; ungeladene Druckspeicher können zu einer Unterversorgung des Systems mit Öl führen. Letztendlich ermöglicht der Einsatz zusätzlicher Kapazität in hydraulischen Druckspeichersystemen das Erreichen hoher Geschwindigkeiten bei hohen Kräften. Der Nachteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass ohne servohydraulische Steuerung des Hydrauliksystems überschüssige Energie (Kraft x Geschwindigkeit) im Wesentlichen in einem offenen Regelkreis genutzt wird.

Wie bereits erwähnt, hängt die Kraftleistung eines elektrischen Aktuatorsystems von der optimalen Kombination aus Servomotordrehzahl, Servomotordrehmoment und der mechanischen Übersetzung durch die Spindel und gegebenenfalls ein Getriebe ab. Mit zunehmender Größe des Servomotors steigt das Drehmoment typischerweise deutlich an, während die Drehzahl sinkt. Bei extremen Kraft- und Geschwindigkeitsanforderungen kann ein elektrisches Aktuatorsystem die gewünschte Leistung unter Umständen nur durch eine massive Überdimensionierung erreichen – was jedoch mitunter sehr kostspielig sein kann. Andererseits bietet ein elektrisches Aktuatorsystem die volle Kontrolle über das Bewegungsprofil; es muss nicht den gesamten Hub jedes Zyklus ausführen. Durch die Steuerung von Beschleunigung und Verzögerung kann sich das System zudem schneller stabilisieren, was die Zykluszeit verkürzt und die Effizienz steigert. Schließlich kann die Technologie elektrischer Aktuatoren die erforderlichen Spitzengeschwindigkeiten reduzieren, da intelligentere, kürzere Bewegungen ausgeführt werden können.