Umstieg auf Servohydraulik: Das System kurz erklärt

Michael Stiegler, Baumüller Nürnberg GmbH

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In servohydraulischen Systemen werden ungeregelte Normmotoren durch präzise regelbare Servomotoren ersetzt. Das System hinter dem Umstieg erklären wir Ihnen in diesem Beitrag.

Das servohydraulische Antriebssystem

In servohydraulischen Systemen werden ungeregelte Normmotoren durch präzise regelbare Servomotoren ersetzt. Der wichtigste Vorteil dieser drehzahlgeregelten Pumpenantriebe ist eine effizientere Dosierung der eingebrachten Energie und damit eine verbesserte Energieeffizienz. Außerdem punktet die Servohydraulik mit optimierter Regelgüte, Kompaktheit und geringeren Geräuschemissionen. Seit einigen Jahren ist darum das Konzept, hydraulische Leistungsübertragung mit dem Prinzip drehzahlgeregelter Leistungsbereitstellung zu kombinieren in vielen Anwendungen Standard.

Ein Umstieg von herkömmlichen hydraulischen Systemen mit Normmotor auf Servohydraulik lohnt sich besonders, wenn im Bearbeitungszyklus viele oder lange Pausezeiten oder Teillastbereiche enthalten sind, in denen keine hydraulische Kraft abgenommen wird. Auch Retrofitlösungen können Sinn machen und die Energieeffizienz bestehender Maschinen deutlich verbessern. Der Umstieg hin zum servohydraulischen Antrieb ist kein Hexenwerk und die Vorteile machen sich über die gesamte Lebensdauer der Maschine bemerkbar.

Ein Vergleich von klassischen hydraulischen Antrieben mit servohydraulischen Systemen und einige Anwendungsbeispiele finden Sie hier

Nach der Entscheidung für einen Umstieg auf Servohydraulik geht es an die Architektur des Systems. Hier gilt es einige Punkte zu beachten, die bei klassischen Hydrauliksystemen mit Normmotor nicht relevant sind.

Ein Beispiel für den Aufbau eines servohydraulischen Systems in einer Spritzgießmaschine

Das servohydraulische System besteht aus einem Servoumrichter, der einen Synchronservomotor ansteuert. Dieser Motor steuert eine Konstantpumpe an. Die Druck- und Volumenstrom-Sollwerte werden von der Steuerung an den Umrichter geschickt. Auf dem Umrichter wird durch Anpassen der Drehzahl die Druck- und Volumenstromregelung realisiert. Das Auslesen der Ist-Positionen findet, wie im herkömmlichen hydraulischen System mit Normmotor, über die Maschinensteuerung statt. Für die Auslegung des Antriebssystems gibt der Maschinenbauer die Werte für den benötigten Volumenstrom und Druck an den Systemanbieter, z.B. Baumüller, weiter. Baumüller übernimmt die Auslegung des gesamten Antriebssystems inklusive Pumpe, Motor und Umrichter.

Die Hardware: Pumpe

In der Regel werden in servohydraulischen Systemen Konstantpumpen eingesetzt. Baumüller kann dabei auf Wunsch mit allen gängigen Pumpenherstellern arbeiten. Zahlreiche Hersteller haben eine eigene Baureihe für den drehzahlvariablen Betrieb im Portfolio, die genau den Anforderungen servohydraulischer Systeme entspricht und für hohe Beschleunigungen konzipiert ist. Im Vergleich zum ungeregelten hydraulischen System mit Normmotor wird die Pumpe kleiner ausfallen, da eine Entkopplung von der Netzfrequenz stattfindet. So wird eine höhere Drehzahl möglich und die Pumpe kann kleiner dimensioniert werden.

Baumüller bietet als Besonderheit drei verschiedene Varianten für die Verbindung zwischen Pumpe und Motor. In der Standard Line erfolgt der Anbau klassisch über Kupplung und Pumpenträger. Diese bewährte Variante kommt mit Standard-Motorwelle und -Motorflansch aus und ist durch die separaten Komponenten flexibel. Die zweite Ausbaustufe Advanced Line bezeichnet den Direktanbau der Pumpe an den Motor über eine Innenverzahnung. Hier entfallen Pumpenträger und Kupplung, das System ist somit kompakter und robuster. Durch den Wegfall des Pumpenträgers als Resonanzkörper verringert sich zudem die Geräuschbelastung. In der dritten Stufe, der Performance Line wird zusätzlich noch das Hydrauliköl für eine intelligente Ölumlaufschmierung genutzt. Es wurden hier sowohl beim Motor als auch bei der Konstantpumpe Anschlüsse ergänzt, damit der Leckagestrom der Pumpe zur permanenten Schmierung der Verzahnung eingesetzt werden kann. Eine notwendige Fettschmierung der Innenverzahnung, die durchschnittlich alle 3000 Betriebsstunden fällig wäre, entfällt somit und das System ist besonders robust. Baumüller bietet somit eine zum Patent angemeldete Lösung an, die zu einem deutlich reduzierten Serviceaufwand im Betrieb führt.

Die zum Patent angemeldete permanent geschmierte Innenverzahnung von Baumüller nutzt den Leckagestrom des Hydrauliköls zur Schmierung und verringert so deutlich den Wartungsaufwand

Die Hardware: Motor

Als Motoren kommen in servohydraulischen Systemen permanenterregte Synchronmotoren zum Einsatz. Hauptkriterium bei der Auswahl der Servomotoren sind gute Performance hinsichtlich Dynamik und Überlastfähigkeit. Auch der Drehzahlbereich spielt bei der Auswahl des Motors eine große Rolle, da die Pumpen mit bis zu 6000 min-1 laufen können, die dann auch dem Motor abverlangt werden. Baumüller hat für den Einsatz in servohydraulischen Systemen verschiedene Motorbaureihen, vom dynamischen Drehstrom-Servomotor DSD2 bis hin zum Drehstrom-Synchronmotoren DS2, im Angebot. So kann ein großer Leistungsbereich abgedeckt werden. Zusätzliche Vorteile bringt die Option Ölkühlung. Flüssigkeitsgekühlte Motoren haben eine höhere Leistungsdichte als luftgekühlte Motoren und können so kleiner dimensioniert werden. Im hydraulischen System bietet es sich an, diese Vorteile zu nutzen, da ohnehin Öl in der Maschine vorhanden ist. Baumüller bietet seine Servomotoren in den Baugrößen 45 bis 132 mit Ölkühlung an. Die Synchronhauptantriebe sind von Baugröße 100 bis hin zur Baugröße 200 in ölgekühlter Ausführung erhältlich

Hier gibt’s mehr Informationen zu den Baumüller Motoren

Die Hardware: Umrichter

Größter Unterschied zum ungeregelten hydraulischen System ist der Umrichter, auch Servoantrieb genannt. Er spielt bei der Auswahl des passenden Systems eine zentrale Rolle. Im Servoantrieb sitzt die Software für die Druck- und Volumenstromregelung und für zahlreiche weitere Funktionen z.B. für das Pumpenmonitoring. Außerdem muss der Umrichter die passenden Schnittstellen bieten, um das Antriebssystem in die Maschine integrierten zu können. Die Baumüller-Umrichterreihen b maXX 5000 und b maXX 3000 verfügen über die analogen Schnittstellen für die Druckaufnehmer und Schnittstellen für alle gängigen Feldbusse, so dass eine einfache Anbindung an die zentrale Steuerung möglich ist. Die Anforderungen an die zentrale Steuerung ändern sich im Vergleich zum hydraulischen System mit Normmotor nicht, Maschinenbauer haben also die Möglichkeit mit ihren gewohnten Steuerungstypen zu arbeiten. Motor und Umrichter werden entsprechend der Leistungsanforderungen als Paket ausgelegt. Vorteilhaft ist es, wenn auch die Elektronik über Ölkühlung verfügt, da das Medium ja bereits in der Maschine vorhanden ist. Die b maXX 5000 Servoantriebe von Baumüller verfügen über die Option Ölkühlung.

Hier gibt’s mehr Informationen zu den Baumüller Umrichtern.

Mit der praktischen Durchstecktechnik bei den b maXX 5000 bietet Baumüller flüssigkeitsgekühlte Geräte an

Die Hardware: IoT und Steuerung

Bei Baumüller ist das gesamte servohydraulische System eine antriebsbasierte Lösung. Das heißt, die Anforderungen an die zentrale Steuerung ändern sich mit der Umstellung von Normmotor auf geregelten Servomotor nicht. Die Schnittstellen zur Anbindung der Steuerung an die Maschine bleiben die gleichen. Die Umsetzung des Systems ist herstellerunabhängig mit den unterschiedlichsten Steuerungstypen möglich.

Für mehr Transparenz in der Fertigung stehen in den Servoantrieben intelligente Funktionalitäten zur Verfügung, die die Performance von servohydraulischen Systemen noch weiter verbessern. Das permanente Sammeln, Auswerten und Übertragen von Daten im Umrichter ermöglicht die kontinuierliche Überwachung und Visualisierung des technischen Zustandes einer Maschine oder Anlage. Bestimmte Ereignisse können so schon im Voraus berechnet werden, so dass eventuelle Maschinenausfälle frühzeitig erkannt werden und Wartungsintervalle verschleißorientiert geplant werden können.

Optimierte Prozessabläufe werden zum Beispiel durch intelligente Regelalgorithmen wie die adaptive Druckvorsteuerung erreicht. Die Software ermöglicht hier einen überschwingfreien Drucksprung in Minimalzeit, ganz automatisch, mit sanftem Übergang in nur wenigen Millisekunden.

Hier gibt’s mehr Informationen zu den Baumüller Steuerungen.

Die Software

Die Software mit allen Funktionalitäten zum Betrieb des servohydraulischen Systems ist direkt im Servoumrichter integriert und grundlegend dafür verantwortlich, dass die Vorteile der Servohydraulik in maximalem Maß zum Tragen kommen. Die Parametrierung des Umrichters erfolgt über eine grafische Bedienoberfläche. Mit der geführten Inbetriebnahme von Baumüller ist eine schnelle Inbetriebnahme auch ohne tiefgehende Programmierkenntnisse oder detailliertes Know-how in der Servoantriebstechnik möglich. Die Parametrierung kann auch als Service durch die Baumüller-Experten erfolgen, genauso wie die Unterstützung bei Optimierungen und Herausforderungen in der Serienproduktion.

Neben den notwendigen Standardfunktionalitäten wie Druck- und Volumenstromregelung oder Online-Datensatzumschaltung umfasst die neuste Software für servohydraulische Systeme von Baumüller v2+ zahlreiche Schutz- und Monitoringfunktionen, die die Performance und Zuverlässigkeit des Systems noch verbessern.

Der Service

Sowohl die Auslegung des Antriebssystems, als auch die Inbetriebnahme und die Betreuung bis zur Serienreife können von Baumüller als Systemanbieter übernommen werden. Baumüller unterstützt den Maschinenbauer mit seiner langjährigen Erfahrung und dem notwendigen Know-how beim Systemwechsel.

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