Die Linearachse CLDP (Closed Loop Differential Pump) von Voith Turbo H + L Hydraulic vereint die Vorteile von Servo-Elektronik und Hydraulik. Dazu gehören Überlastsicherheit, eine hohe Leistungsdichte und ein nahezu verschleißfreier Betrieb. Für die Lageregelung setzen die Ingenieure auf magnetostriktive Positionssensoren.

Schon längere Zeit beschäftigt sich Voith mit dem Thema der Kopplung von Servomotor, Pumpe und Antriebszylinder. Mit der im geschlossenen Kreislauf betriebenen Hybrid­achse CLDP geht Voith hinsichtlich der stationären Industriehydraulik neue Wege. Bei der Neuentwicklung handelt es sich um eine kompakte und autarke Einheit, die sich einfach in neue oder bestehende Anlagen integrieren lässt und zudem energieeffizient arbeitet. „Im Prinzip ist die CLDP eine Weiterverfolgung des Trends, der zunächst in Kunststoffmaschinenmarkt zu beobachten war, nämlich hydraulische durch elektromechanische Antriebe zu ersetzen", erläutert Voith-Vertriebsleiter Harald Branz den Hintergrund der Entwicklung. „In der neuen CLDP haben wir einfach die Vorzüge beider Systeme miteinander kombiniert." Die Hybridachse eignet sich insbesondere für alle direkten Linearbewegungen, bei denen eine hohe Leistungsdichte und eine hohe Dynamik eine zentrale Rolle spielen.

Direkte Kopplung vermeidet Verluste
Die Linearachse ist wie folgt aufgebaut: Ein Servomotor übernimmt den Antrieb der CLDP. An den Servoantrieb ist eine Innenzahnradpumpe direkt und starr gekoppelt. Auf die Innenzahnradpumpe folgt ein ebenfalls direkt gekoppelter Hydraulikzylinder. Die integrierte Servopumpe ist auf das Flächenverhältnis des Zylinders abgestimmt, sodass zur Steuerung und die Bewegungsrichtung keine Ventiltechnik benötigt wird. Die Pumpe wird mit dem Differentialzylinder im geschlossenen Ölkreislauf betrieben. Die direkte Ankopplung vermeidet Verluste, die üblicherweise durch eine Drosselsteuerung auftreten, und erhöht den hydraulischen Wirkungsgrad auf nahezu 100 Prozent. Durch die direkte Kopplung von Motor, Pumpe und Zylinder stellt sich das System eigentlich wie ein Servomotor mit hydrostatischem Spindelantrieb dar. Das geschlossene System benötigt weder einen Tank, noch ist der Einsatz eines Hydraulikaggregates erforderlich.

Wegmesssystem für die Lageregelung der Achse
Herkömmliche Hydrauliksysteme bestehen in der Regel aus einem Antriebsaggregat, separaten Steuerelementen und einem Aktuator. Bei der neuen Linearachse ist alles in einer kompakten und autarken Einheit untergebracht, wodurch sich vor allem Vorteile in der Inbetriebnahme ergeben. Es ist keine externe Verrohrung notwendig und es existiert nur die elektrische Schnittstelle des Servomotors. Der Motor wird an einen handelsüblichen Servoverstärker angeschlossen und kann dann direkt die Achse bewegen. Ein Ventiltuning oder die Inbetriebnahme eines Hydraulikaggregates sind nicht notwendig.
Der Antrieb kann sowohl mit Lageregelung als auch mit Druck- beziehungsweise Kraftregelung betrieben werden. Ein von MTS Sensor Technologie integriertes Wegmesssystem übernimmt die Lageregelung der Achse. Eine hohe Energieeffizienz ist ebenso charakteristisch für die CLDP wie der nahezu verschleißfreie Betrieb. Neben der in der Hydraulik gegebenen hohen Überlastsicherheit zeichnet sich die Anwendung durch ihre hohe Lebensdauer aus.
Für die Lageregelung des Antriebs hat sich Voith Turbo für einen magnetostriktiven Positionssensor von MTS Sensor Technologie entschlossen. Der verwendete Temposonics RD4 mit SSI-Schnittstelle ist ein Sensor mit abgesetzter Elektronik, der sich vor allem für beengte Platzverhältnisse eignet. Er liefert das Positionssignal an den Servoumrichter oder auch direkt an die angeschlossene Steuerung. Seine Bauform, bestehend aus Sensorrohr mit abgesetztem Sensorkopf, bietet Vorteile hinsichtlich Einbau und Wartungsfreundlichkeit. Das Sensorrohr kann in den Hydraulikzylinder eintauchen, während sich der Sensorkopf mit der Auswerteelektronik extern auf dem Zylinder installieren lässt.
Der Kompaktsensor verfügt über alle Eigenschaften der magnetostriktiven Temposonics-R-Serie-Sensoren: Mit einer Linearität von < 0,02 % F.S. und einer Messwiederholbarkeit von < 0,001 % F.S. erreicht er eine Auflösung von mindestens 10 µm. Ein Messlängenspektrum von 25 bis 5.000 mm sowie analoge, SSI, CANbus-, Profibus-DP- und Ethercat-Schnittstellen machen den Sensor vielseitig einsetzbar. Er verfügt über einen direkten Ausgang für Weg und Geschwindigkeit. LED-Anzeigen im Sensorkopf geben Auskunft über den Sensorstatus.

Vorteile gegenüber Spindelantrieben
Üblicherweise findet man Hydraulikachsen in Maschinen mit hohen Bearbeitungskräften oder hohen Bewegungskräften. Überall dort, wo man heute einen Spindelantrieb mit Servomotor verwendet und Schwierigkeiten hat, hohe Kräfte über die Spindel zu erzeugen, oder wo die Spindel keine Lebensdauer hat, ist die verschleißfreie Hydraulik der CLDP von Vorteil. Für Anwender, die bis jetzt servoelektrische Antriebe eingesetzt haben, bedeutet die neue Linearachse kein Umdenken oder zusätzliche Kenntnisse der Hydraulik, denn vom Funktionsmodell handelt es sich nach wie vor um einen Servoantrieb.
Prinzipiell lassen sich mit der CLDP sehr hohe Kräfte abbilden. Voith konzentriert sich in den derzeitigen Baureihen noch auf 500 kN und erreicht Geschwindigkeiten von bis zu 1.200 m/s. Aufgrund der festgelegten Pumpen- und Motorenabstufungen ergibt sich mit steigender Kraft eine reduzierte Dynamik. Voith produziert zunächst zwei Grundmodelle, die durch den Motordurchmesser und die installierte Pumpengröße definiert sind. Diese Grundmodelle sind mit Hublängen von 50, 100, 200, 300 und 400 mm erhältlich. Eine dritte Baugröße, bei der mit einer kleineren Pumpengröße gearbeitet wird, ist in Vorbereitung.