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Mobile Maschinen 2/2017

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ANTRIEBE UND

ANTRIEBE UND ANTRIEBSELEMENTE I LINEARAKTUATOREN Umweltfreundlich, stark, smart Elektromechanische Aktuatoren mit eingebetteter CAN-Bus-Unterstützung Hersteller mobiler Arbeitsmaschinen ziehen immer häufiger elektromechanische Aktuatoren herkömmlichen Hydraulikzylindern vor, in erster Linie aufgrund ihrer Einfachheit und umwelttechnischen Vorteile. Jetzt jedoch, da elektromechanische Aktuatoren dank Unterstützung des CAN-Bus-Vernetzungsstandards (Controller Area Network) immer intelligenter werden, gibt es für Maschinenkonstrukteure sogar noch mehr Gründe, sich für diesen Lösungsweg zu entscheiden. Die CAN-Bus-Fähigkeit ermöglicht eine in die Maschine integrierte Intelligenz, die Verbesserungen in puncto Leistung und Wartungseffizienz versprechen. Anders Karlsson und Travis Gilmer, Produktreihenspezialisten für industrielle Linear ­ aktu atoren, Thomson Industries, Inc. Hydraulikzylinder werden häufig eingesetzt, wenn besonders hohe Verstellkräfte gefordert sind. Elektromechanische Aktuatoren können eine umweltfreundlichere Alternative darstellen. Ihr Leistungsvermögen unter hoher Belastung ist mit dem von hydraulischen Aktuatoren vergleichbar. Und mit der zusätzlichen Unterstützung des CAN-Bus-Protokolls bietet die neue Generation sogenannter „smarter“ elektromechanischer Aktuatoren eine deutlich verbesserte Positionsteuerung und -überwachung sowie Kosteneinsparungen über den gesamten Lebenszyklus. Smarte Architektur Beim CAN-Protokoll handelt es sich um eine ISO-Norm (ISO 11898) für die serielle Datenkommunikation. Ursprünglich für Anwendungen in Fahrzeug-Bordnetzen entwickelt, wird es heute auch in der industriellen Automatisierungstechnik und in mobilen Maschinen genutzt. Im Segment der Nutzfahrzeuge und mobilen Arbeitsmaschinen kommt vorwiegend die CAN- Bus-Version J1939 zum Einsatz. Die Ansteuerung exakter Positionen ist mit einem Aktuator mit integrierter J1939- Konformität der Positioniergenauigkeit eines hydraulischen Aktuators überlegen, da seine Position als Absolutwert verfügbar ist. Die aktuelle Hubstellung des Aktuators zwischen 0,0 mm und voller Hublänge wird über ein 14-Bit-Signal ausgegeben, dessen Genauigkeit von der Hublänge und den mechanischen Toleranzen des jeweiligen Modells bestimmt wird. Die Genauigkeit 38 Mobile Maschinen 2/2017

LINEARAKTUATOREN I ANTRIEBE UND ANTRIEBSELEMENTE Der Thomson Electrak HD mit eingebauter J1939 CAN-Bus-Funktionalität kann auch den Aufbau intelligenter Logistiksysteme erleichtern des Signals selbst könnte z. B. 0,1 mm/Bit betragen, was für das Gesamtsystem eine Positioniergenauigkeit von mindestens ± 0,5 mm ergeben würde – wie erwähnt, abhängig von Toleranzen in der Baugruppe aus Getriebe, Kugelgewindemutter und Spindel. Ein zentraler Vorteil einer absoluten Positionssteuerung liegt darin, dass eine konsistente, zuverlässige Positionsspeicherung möglich ist. Da einige mobile Arbeitsmaschinen nur saisonal eingesetzt werden, kann es sinnvoll sein, die Batterie zu trennen, z. B. um eine Tiefentladung zu verhindern. Ohne eine werksseitig eingerichtete absolute Positioniermöglichkeit müsste der Anwender die Maschine beim Wiederanschließen der Batterie jedes Mal neu kalibrieren. Vorteile des Niederstromschaltens Niederstromschalten gehört zum Standard des J1939-Protokolls. Damit kann der Aktuator so programmiert werden, dass zum Ausfahren, Einfahren und sanften Anhalten Niederstrom-Elektroniksignale anstelle größerer Ströme verwendet werden. Dies bietet erhöhte Sicherheit durch reduzierte Stromschlaggefahr und vereinfacht das Design, indem Steuerkomponenten mit weniger Leistung genutzt werden können. Der Sanftanlauf erlaubt die Nutzung kleinerer Netzteile und senkt somit die Belastung auf den Batterien und Ladeeinheiten im Fahrzeug. Ein weiterer Vorteil des Niederstromschaltens ist das dynamische Bremsverhalten. Sobald die Stromversorgung zu einem Aktuator unterbrochen wird, kann es je nach Einbauweise des Aktuators zu einem Nachlaufen von 5 bis 10 mm kommen, bis der vollkommene Stillstand erreicht ist. Elektronische Aktuatoren erlauben die Implementierung einer sogenannten „dynamischen Bremse“. Diese Funktion kann das Nachlaufen auf ca. 0,5 mm verkürzen, indem elektronisch ein Kurzschluss zwischen den Motorleitungen erzwungen wird. Auf diese Weise lassen sich Wiederhol- und Positionsgenauigkeit deutlich verbessern. Flexible Programmierung Eine derart erweiterte Positionssteuerung und -schaltung erlaubt die Programmierung des Antriebs zur Ausführung beliebig vieler Bewegungsprofile und benutzerdefinierter Positionierungsmuster. Mit J1939 erhalten Systementwickler eine erheblich höhere Flexibilität zur Programmierung der Sensoren und internen Elektronik, um die Bewegungen zwischen mehreren Aktuatoren zu synchronisieren. Sie können beispielsweise programmieren, dass sich die Verstellgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Last verändert, oder dass sich die Geschwindigkeit anpasst, sobald eine Beschleunigung oder Verlangsamung auftreten sollte. Elektromechanische Aktuatoren ohne J1939-Unterstützung können ebenfalls absolute Positionswerte ausgeben, sie brauchen aber normalerweise eine deutlich höhere Spannung, stärkere Kabel, Relais sowie weitere platzraubende und schadensan fällige Verdrahtung. Mit J1939 lässt sich dies alles direkt in den Aktuator integrieren und über eingebettetes Niederstromschalten handhaben, das mit je zwei Leitern zum CAN-Bus-Kommunikationsnetz und zur Stromquelle verbunden ist. Das bedeutet nicht nur eine vereinfachte Fahrzeugverkabelung, sondern bündelt auch alle bislang externen Elektronikbauteile in das Gerät – und die Garantieleistung – des Aktuator-Herstellers. Diagnose und Wartung Neben der Rückgabe der Positionsdaten in Echtzeit liefern J1939-fähige Aktuatoren kontinuierlich Überwachungsdaten wie Temperatur, Stromstärke, Geschwindigkeit, Spannung und weitere Variablen, über die eine erweiterte Diagnose und Fehlerbehandlung möglich ist. Erkennt er ein Problem, beendet der Aktuator seine einprogrammierte Bewegung – entweder voll ein- oder ausfahren – schaltet sich ab und übermittelt eine Fehlerkennung an den Computer: alles in Bruchteilen einer Sekunde. Darüber hinaus ist eine Fernüberwachung des Systemzustands realisierbar. Beispielsweise könnte sich ein Servicetechniker des Maschinenherstellers mit Sitz in Schweden in einen Mähdrescher in Deutschland einloggen, um einen möglicherweise defekten Aktuator zu untersuchen. Hierzu würde er die elektronischen Meldungen zu den Variablen Temperatur, Position, Stromstärke und Eingangsspannung analysieren. Ein bereichernder Dialog In vielerlei Hinsicht wird die optimale Leistungsfähigkeit eines Aktuators durch die Art der Verständigung zwischen Anwender und Gerät bestimmt. Die Kombination aus J1939-kompatibler Sprache und hochmoderner, eingebetteter Elektronik verschafft den Anwendern mehr Flexibilität für Anweisungen an ihren Aktuator: in welche Richtung und wie schnell er sich bewegen soll oder wann er anhalten soll. Und sie erhalten sofortige Rückmeldung, ob er sich anweisungsgemäß verhalten hat. Sie können auch mit einem elektromechanischen Aktuator ohne J1939-Fähigkeit in dieser Art interagieren. Allerdings erfordert dies mehr externe Schalter und eine umfangreichere Verdrahtung. Sie können sogar mit einem hydraulischen Aktuator interagieren, das wäre dann jedoch eine deutlich längere und weitaus kompliziertere „Unterhaltung“. Durch die Nutzung einer gemeinsamen, hocheffizienten Sprache verlagert die J1939-Norm die Diskussion von der Frage, wie die Kommunikation gehandhabt wird, auf die Frage, was der Anwender erreichen will. Unterm Strich stehen eine erhöhte Steuerungs- und Planungsflexibilität, kürzere Entwicklungszeiten, eine effizientere Montage – und nicht zuletzt insgesamt gesenkte Anschaffungs- und Betriebskosten. www.thomsonlinear.com/hd_de Mobile Maschinen 2/2017 39

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