Adaptive Zuluftdrosselung zur Effizienzsteigerung abluftgedrosselter pneumatischer Antriebe

  Bild eines pneumatischen Linearantriebs mit adaptiver Zuluftdrossel Urheberrecht: © ifas

Die Drucklufterzeugung ist ursächlich für ca. 10% des industriellen Stromverbrauchs in der Europäischen Union. Ein signifikanter Anteil wird zur Fabrikautomation mittels pneumatischer (Linear-)Antriebe genutzt. Ziel des vorliegenden Projektes ist die Erforschung einer neuartigen Systemarchitektur zur Steuerung pneumatischer Linearantriebe, welche das Potential besitzt eine gute Regelbarkeit des Bewegungsverhaltens mit einer höheren Effizienz als der Stand der Technik zu erreichen.

 
Nutzen Vorgehen
Lastunabhängige Steuerung des Bewegungsverhaltens von Pneumatikantrieben Entwicklung von Alternativkonzepten
Höhere Effizienz Simulative Optimierung
Einfacher und robuster Aufbau Entwicklung eines Funktionsmus
Validierung und Bewertung am Prüfstand

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Zur Einstellung des Bewegungsverhaltens pneumatischer Antriebe wird bisher primär die Abluftdrosselung verwendet. Die Geschwindigkeit wird durch den Aufbau eines Gegendrucks in der entgegenwirkenden Kammer eingestellt. Es resultiert in der Regel aufgrund des hohen Differenzdrucks an der Abluftdrossel und der einhergehenden überkritischen Durchströmung eine lastunabhängige Bewegung des Zylinders. Aufgrund der Einstellung der Geschwindigkeit durch den ihr entgegengewandten Druckaufbau läuft die Bewegung jedoch mit geringem Wirkungsgrad ab. Der Zylinder konsumiert folglich lastunabhängig stets die maximale Druckluftmenge.

Konträr zur Abluftdrosselung kann die Zuluftdrosselung betrachtet werden. Hier wird die Zylinderkammer, welche in Bewegungsrichtung wirkt, nur soweit mit Druck beaufschlagt, dass sich die Last bewegt. Die entgegenwirkende Kammer wird zur Umgebung entlüftet. Die Zuluftdrosselung stellt folglich die energieoptimale pneumatische Realisierung einer Bewegung dar. Aufgrund der lastabhängigen Dichte in der Antriebskammer liegt jedoch eine lastabhängige Bewegung vor. Deshalb wird diese energetisch deutlich zu bevorzugende Zuluftdrosselung industriell selten genutzt.

Eine integrierte Lösung zur einfachen und effizienten Steuerung des Bewegungsverhaltens von Pneumatikantrieben mittels der Kombination einer Abluftdrossel zur Geschwindigkeitseinstellung mit einer sich der Last anpassenden Zuluftdrossel zur Reduktion des Druckluftbedarfs könnte die Vorteile beider Technologien bestmöglich vereinen. Daher soll im Rahmen des Projekts die adaptive Zuluftdrosselung als neuartige Verschaltung untersucht werden.

 

Beschreibung der entwickelten Konzepte

Abbildung 1 zeigt eine exemplarische Gegenüberstellung der Zu- und Abluftdrosselung mit einer möglichen Ausführungsform des neuartigen Systems.

  Neuartige Verschaltung zur effizienten Anpassung der Geschwindigkeit Urheberrecht: © ifas Abbildung 1: Neuartige Verschaltung zur effizienten Anpassung der Geschwindigkeit
 
 

Während die im neuen System vorhandenen Abluftdrosseln analog zu heutigen Systemen direkt die Zylindergeschwindigkeit lastunabhängig vorgeben, wird zur Einstellung der Zuluftdrossel der Gegendruck verwendet. Dies ist wichtig, um gewährleisten zu können, dass der Druckgradient über der Abluftdrossel gerade noch ausreichend für eine überkritische Strömung ist. Das Ergebnis ist eine lastadaptive selbstregelnde Komponente zur Geschwindigkeitseinstellung von Pneumatikantrieben mit deutlich gesteigertem Wirkungsgrad im Vergleich zur klassischen Abluftdrossel.

  Schaltplan der adaptiven Zuluftdrossel Urheberrecht: © ifas Abbildung 2: Optimierte Verschaltung der adaptiven Zuluftdrossel

Allerdings besteht bei dieser Ausführungsvariante eine zusätzliche Anforderung aus steuerungstechnischer Sicht, da das Wegeventil bei Erreichen der Endlage durch den Zylinder unmittelbar seine Mittelstellung einnehmen muss. Dies verhindert das Aufsteuern der Druckwaage der Zuluftdrossel bei Bewegungsende, sodass die korrespondierende Zylinderkammer im teilbefüllten Zustand verharrt. Diese zusätzliche Komplexität durch Sensorik und ein aufwändigeres Ventil kann durch eine optimierte Version umgegangen werden. Hierbei wird eine direkte fluidmechanische Umsetzung der zuvor genannten Funktion durch eine ausgeklügelte Verschaltung erzielt.

Die Funktionsoptimierung basiert auf einer pneumatischen Erfassung des Erreichens der Zylinderendlage durch den Kolben. Hierbei entsteht ein plötzlicher Druckabfall in der abluftgedrosselten Kammer, der auf die Steuerfläche des die Zuluft regelnden Ventils einwirkt. Durch eine angepasste nichtlineare Kennlinie des Regelventils kann die erforderliche Abschaltung des Versorgungsdrucks der geregelten Seite in dieser Position direkt fluidmechanisch bewerkstelligt werden. Somit kann die bisher erforderliche elektronische Abbildung der Funktion in der Maschinensteuerung, die eine elektronische Erfassung der Endlage und schnelle Umschaltung des 5/3-Wegeventils in die Neutralstellung erfordert, entfallen.

 

Weiterer Projektverlauf

Zunächst werden die regelungstechnische Stabilität und das dynamische Verhalten der zuvor erläuterten Konzepte optimiert. Dafür wird eine simulative Untersuchung auf einem breiten Parameterfeld durchgeführt. Ziel ist mittels einer Robustheitsanalyse die Einsatzgrenzen des Systems aufzuzeigen und eine Auslegungsrichtlinie auszuarbeiten.

Die Erprobung des Systems und Validierung der Simulationsergebnisse erfolgt mittels eines Funktionsmusters, welches mit Hilfe der Auslegungsrichtlinie konstruiert werden soll. Das Funktionsmuster wird in einem Prüfstand experimentell untersucht, welcher sowohl eine statische als auch eine dynamische Belastung des Antriebs ermöglicht. Neben dem Funktions- und Stabilitätsnachweis des Systems unter unterschiedlichen Bedingungen wird ebenfalls das erzielbare Einsparpotential validiert. Um eine erfolgreiche Übertragung möglicher Erkenntnisse aus dem Projekt in die Industrie zu unterstützen, wird ein funktionsintegrierter Designentwurf ausgearbeitet. Abschließend erfolgt eine Kostenabschätzung des optimierten Designs und eine Gegenüberstellung der Kosten mit der potentiellen Drucklufteinsparung.

 

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21381 N / 1 der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e. V. – FKM, Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und –entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

 
  Logos BMWi AiF VDMA

 
 

Veröffentlichungen

O. Reinertz, K. Schmitz: „OPTIMIZED PNEUMATIC DRIVES THROUGH COMBINED DOWNSTREAM AND ADAPTIVE UPSTREAM THROTTLING“, Proceedings of the 2020 Bath/ASME Symposium on Fluid Power and Motion Control, Bath, UK, 2020