Das Wort Energieeffizienz ist derzeit und wohl noch auf lange Sicht in aller Munde. Spielte der Verbrauch an Energie zumindest in bestimmten Produktionssystemen bis dato eher eine untergeordnete Rolle, sieht das heute im Zeichen zunehmender Ressourcenknappheit sowie permanent steigender Energiekosten anders aus. Plötzlich stehen Hydraulik und Druckluft als „teure Energien“ im Schussfeld, obwohl es im Grunde genommen egal ist, ob eine Antriebseinheit per Hydraulik, per Druckluft oder elektrisch betrieben wird. Somit ist ein allgemeiner Vergleich zwischen hydraulischen oder pneumo-hydraulischen und elektromechanischen Antrieben nur dann angebracht, wenn er sich auf eine konkrete Anwendung bezieht.
Das Technologie-Unternehmen Tox Pressotechnik ist seit vielen Jahren in der Antriebstechnik tätig und bietet heute eine Auswahl an pneumohydraulischen und elektromechanischen Antriebszylindern. Lange vor der Diskussion um mehr Energieeffizienz formulierten Automotive-Kunden Forderungen in Richtung Prozessüberwachung, Prozessdokumentation, Kosten-Reduktion im Sondermaschinen- und im Anlagenbau und nicht zuletzt bezüglich Betriebs- und Wartungsaufwand. Daraufhin startete Tox Pressotechnik die Entwicklung von elektromechanischen Antrieben. Diese lassen sich im Gegensatz zu Hydraulik- und Pneumohydraulik-Antrieben besser steuern und regeln und auch die Endfunktionen lassen sich überwachen sowie dokumentieren.
Das ist zwar auch bei hydraulischen oder pneumohydraulischen Antrieben möglich, verlangt jedoch Mehraufwand. Was zu der Frage führt: Ist der Mehraufwand gerechtfertigt, um besagte technische Anforderungen, die nichts mit Energieeffizienz zu tun haben, zu erfüllen?
Pneumohydraulikzylinder
Rein druckluftbetriebene Antriebszylinder sind weltweit die meistgenutzten Arbeitsgeräte, die potenzielle Energie, nämlich Druck, in Bewegungsenergie umformen und dabei sehr hohe Kolbengeschwindigkeiten für dynamische Bewegungsabläufe realisieren können. Ist jedoch ein großer Kraftbedarf gefordert, braucht es entsprechend große Druckluftzylinder, die wiederum einen hohen Druckluftverbrauch verursachen. Mit pneumohydraulischen Druckaggregaten wie dem Tox-Kraftpaket dagegen lassen sich per Druckluft hohe Presskräfte von mehreren hundert bar erzeugen, ohne dass dafür entsprechend viel Druckluft aufgewendet werden muss.
Der praktische Vorteil der Pneumo-Hydraulik besteht demnach darin, auf kleinstem Raum reproduzierbar hohe Kräfte zu erzielen. Voraussetzung dafür ist ein Mehrraumsystem, das die Medien Druckluft und Öl wirkungsvoll miteinander arbeiten lässt, und bei dem die getrennten Räume einen hohen Wirkungsgrad gewährleisten. Pneumohydraulische Antriebszylinder wie das Tox-Kraftpaket ermöglichen kurze Bewegungszyklen und sind mittels moderner Proportionalventiltechnik feinfühlig zu steuern.
Elektromechanische Zylinder
Elektromechanische Kraft-Antriebszylinder haben nicht viel mit elektrisch betriebenen Antriebszylindern gemein. Im direkten Vergleich mit Druckluft- und Pneumohydraulik-Antriebszylindern müssen sie – in Bezug auf die Kraft-/Presskrafterzeugung – etwa vergleichbare Leistungen erbringen. Deshalb geht es bei elektromechanischen Zylindern zumeist um Kombinationen aus Elektromotor und zum Beispiel Planetenrollengetriebe wie dem Tox-ElectricDrive EPMR.
Elektromechanische Kraft-Antriebszylinder benötigen keine Druckluft und kein Öl (Hydraulik), sind hochflexibel einzusetzen sowie hochdynamisch zu betreiben. Sie helfen als betriebsbereite Komplettsysteme Konstruktions-, Mechanik- und Installationskosten einzusparen, und sind nahezu wartungsfrei. Anwendungstechnische Vorteile sind: eine zuvor bestimmte Kraft erzeugen und halten, die Aufbiegungskompensation zum Beispiel eines C-Gestells oder einer Maschinen-/Roboterzange, keine Begrenzung des Krafthubes, Zielpositionen mit Überwachung der Kraftgrenzen, oder auch die Zielkraft mit Überwachung der Positionsgrenzen. Schließlich können diese Einheiten frei programmiert und schnell umgerüstet werden, und es sind neue Anwendungen auch durch Software-Updates möglich. Dadurch ist Zukunftssicherheit gegeben, was für das zunächst höhere Investment eine günstigere Amortisationsbetrachtung erlaubt.
Systemvergleich
Bei dem Vergleich wurden Tox-Roboterzangen zum Clinchen per Tox-Rund-Punkt-Verfahren gegenübergestellt. Die Roboterzangen basieren auf identischen C-Bügeln und unterscheiden sich lediglich durch den Antrieb. Zum Einsatz kamen ein Tox-Kraftpaket vom Typ RZK (pneumohydraulischer Antrieb) mit Zangen-Installationsadapter und mit Prozessüberwachungseinheit CEP und der Antriebszylinder Tox-ElectricDrive vom Typ EPMR inklusive Servoregler und Versorgungs-Schaltschrank. Es wurden jeweils zwei Baugrößen gegenübergestellt: das Kraftpaket RZK für 55 kN sowie für 80 kN und der EPMR für 55 kN sowie für 100 kN.
Auffällig ist, dass die Kraftpaket-Antriebszylinder größer bauen als die elektromechanischen Antriebszylinder. Schnittstellen für Bus-Systeme bietet das Kraftpaket RZK immer nur für den Antrieb, aber nicht für die Prozessüberwachung, wogegen der EPMR die Antriebs- und die Prozessüberwachungs-Kommunikation unterstützt. Ähnlich verschieden sind auch die Funktionsbereiche Einstellungen, Programmierung und Umrüstung. So sind beim Kraftpaket RZK Hub, Geschwindigkeit und Beschleunigung fest eingestellt; der Krafthub beträgt maximal 8 mm. Beim EPMR sind Hub, Geschwindigkeit und Beschleunigung variabel programmierbar, wobei die Vorgabe über PC oder SPS möglich ist; die Krafthublänge kann bis zu 100 mm betragen. Zudem ist hier die Ablaufsteuerung frei zu programmieren. Beim Kraftpaket muss diese in der SPS oder in der Robotersteuerung programmiert werden.
Kostenvergleich
Die Beschaffungskosten für ein pneumohydraulisches Tox-Kraftpaket RZK mit einer vergleichbaren Ausrüstung als betriebsfertig installierbare Einheit sind günstiger als für einen elektromechanischen Antriebszylinder Tox-ElectricDrive EPMR. Allerdings nur unter Berücksichtigung der möglichen Zusatzleistungen des EPMR, die das Kraftpaket so gar nicht bieten kann. Bezüglich der Energiekosten ist ein Vergleich zwischen Luft- und Stromverbrauch nicht so einfach möglich und oft eine Philosophiefrage des Betreibers. Hinsichtlich des Austauschs der Antriebseinheiten sind beide einfach zu handhaben. Der Wartungsaufwand beschränkt sich beim pneumohydraulischen Kraftpaket RZK darauf, bei Bedarf Öl nachzufüllen. Beim elektrischen EPMR ist das regelmäßige Nachschmieren vorgeschrieben.
Für die Lebensdauer wird in beiden Fällen eine Garantie von 10 Millionen Zyklen/Hüben gewährt. Geht es um das Umrüsten, etwa aufgrund von Produktänderungen beim Clinchen, relativieren sich die um 50 Prozent höheren Beschaffungskosten für die elektrischen Antriebszylinder EPMR. Denn die pneumohydraulisch per Kraftpaket betriebene Roboterzange ist im Normalfall komplett auszuwechseln, während sich die elektrisch per EPMR betriebene Roboterzange ohne Probleme und mechanische Eingriffe flexibel (um)programmieren lässt.
Einsatzfälle
Der Tox RZK ist für Einsatzfälle geeignet, bei denen die Roboterzange eine bestimmte Materialkombination fügen soll. Die elektrischen Antriebszylinder Tox-ElectricDrive EPMR kommen zum Einsatz, wenn stückzahlbedingt eine große Nutzungs-, Anwendungs- und Umrüst-Flexibilität gefordert ist. Bei ihnen ist der Installationsaufwand aufgrund weniger Anschlussleitungen reduziert, wodurch es weniger Störfaktoren gibt. Die geringeren Abmessungen und Gewichte der elektrischen Antriebszylinder sind den Automatisierungsbestrebungen und der Dynamik des Roboters förderlich; und es gibt kein Öl im System. Die Kompatibilität mit bekannten Schnittstellen erlaubt die einfache Einbindung in übergeordnete Steuerungs-, Prozessüberwachungs- und Produktionsprozesse.
