Intelligente Antriebs- und Fluidtechnik

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Welchen gemeinsamen Nenner haben ein „gläsernes“ Fahrrad, ein cleverer, leuchtender Tank und ein Hydraulikaggregat mit Industrie 4.0-Schnittstelle? Es sind drei von mehreren smarten Exponaten der Sonderschau „Intelligente Fluid- und Antriebstechnik“ des VDMA und der Hannover Messe.

Die Systeme der Antriebs- und Fluidtechnik sind als Träger von Steuerungstechnik, Sensoren und Konnektivität ein Herzstück von Industrie 4.0. Sie sind Datenquelle und Objekt für Geschäftsmodelle wie Predictive Maintenance. Wohin diese Reise geht, zeigt die Sonderschau „Intelligente Antriebstechnik und Fluidtechnik“, die sich im Rahmen der neuen Leitmesse IAMD (Integrated Automation, Motion & Drives) in Halle 23, A19 erstmals präsentiert.

Wohin die Reise geht, zeigt die Sonderschau „Intelligente Antriebstechnik und Fluidtechnik, Halle 23, A19.

Führende Firmen der beiden wichtigsten Zulieferbranchen des Maschinenbaus zeigen anhand von Exponanten die kontinuierliche Weiterentwicklung vorhandener Komponenten und Systeme – ein wichtiger Baustein für Industrie 4.0. Die Hydraulik spielt dabei eine besondere Rolle, sie bietet einzigartige physikalische Eigenschaften wie hohe Kraftdichte und Robustheit. Zunehmend wollen Konstrukteure und Entwickler diese Vorteile auch in vernetzten Anwendungen nutzen. Dazu müssen hydraulische Systeme allerdings über die gleiche Intelligenz und Kommunikationsfähigkeit verfügen wie elektromechanische Antriebe.

Beispiele für intelligente Antriebe sind ein  ultrakompaktes Hydraulikaggerat mit eigener Intelligenz oder der Fahrantrieb ’Shift in Motion‘ mit einer neuartigen elektohydraulischen Synchronisierung. 

Die weiteren Exponate, beispielsweise das elektrohydrostatische Antriebssystem oder eine elektrohydraulische Kompaktachse, demonstrieren, welche technischen Vorteile die Kombination von Elektrik / Elektronik und Hydraulik bietet.

Wie die Mobilität von morgen aussieht, zeigt anschaulich das Exponat ‚Gläsernes Fahrrad‘ mit einer automatischen Schaltung sowie einem intelligenten Zusammenspiel von Mechanik und Elektonik..Welche Intelligenz in einem Leichtbau-Hydrauliktank integriert ist, zeigt die Sensorik beispielsweise zur Ölzustandsüberwachung, mittels derer die notwendigen Wechselintervalle des Betriebsmediums bestimmbar sind.

Energieeffizienz ist ein wichtiges Kriterium in der Pneumatik. Eine innovative Lösung ist der ‚Smart Pneumatics Monitor‘. Demonstriert wird mit Hilfe des Exponates die Simulation im Zusammenspiel von Luftverbrauchern in einer smarten Fabrik. Die smarte Fabrik ist in diesem Fall der Hauptstand des Unternehmens. Digitalisierung, Vernetzung und Kommunikation zwischen den beiden Ständen spiegeln gut die Wirkweisen der realen Industriewelt wider.

 

Im Forum „Motion & Drives“ werden  die Themen Smart Manufacturing / Industrie 4.0, Predictive Maintenance, Intelligente Antriebstechnik und Fluidtechnik, Nachhaltigkeit / Energieeffizienz aufgegriffen. Vorgestellt wird dort auch die von VDMA und Deutscher Messe initiierte und von Roland Berger durchgeführte Studie ‚Plattformökonomie im Maschinenbau‘.

Für die erfreulich vielen indischen Aussteller auf der Hannover Messe bietet das VDMA Forum einen ‚Indian Day‘ an. Dort wird  über die wirtschaftliche Entwicklung vor Ort und den Stand der Umsetzung eines einheitlichen Mehrwertsteuersatzes berichtet. In einer Podiumsdiskussion berichten Vertreter von Unternehmen über Ihre jeweiligen Erfahrungen.  

 

 

„Moderne Hydraulik kann alles, was elektromechanische Antriebe können - und das kraftvoller, robuster und mit kompakteren Baumaßen“, betont Dr. Steffen Haack, Leiter der Business Unit Industrial Hydraulics bei der Bosch Rexroth AG, Lohr. Als Beispiel für ein derartiges intelligente Antrieb nennt er CytroPac, ein ultrakompaktes Hydraulikaggregat mit eigener Intelligenz und Industrie 4.0-Schnittstelle. Der Hersteller hat einen drehzahlvariablen Sytronix-Pumpenantrieb mit Frequenzumrichter, Sensorik und Datenschnittstelle zu einem schaltschranklosen Kompaktaggregat zusammengefasst. Dank der bedarfsgerechten Drehzahlregelung lässt sich der Energiebedarf im Vergleich zu konventionellen Aggregaten laut Firmenangaben um bis zu 80 Prozent senken.

Auf Hybridtechnik setzt die Bucher Hydraulics GmbH, Klettgau, deren Produkt-Portfolio-Manager Dierk Peitsmeyer auf die Verbindung von „elektrischer und hydraulischer Antriebstechnik zu hoch effizienten und gut funktionierenden Systemen“ setzt. Wie das Ergebnis aussieht, führt Bucher in Hannover mit dem Alpha-X-Demonstrator vor, der ein typisches, in vielen Maschinen vorkommendes Lastprofil abbildet. Besucher können den mit einem kräftigen Federpaket (20 Kilonewton) und einer großen Lastmasse (350 Kilogramm) ausgestatteten Demonstrator mit einem Joystick bedienen. „Wir lassen das System nicht in einem festen Zyklus laufen, sondern jeder Besucher kann die für ihn interessanten Betriebspunkte wie Anfahren, langsam Fahren, Positionieren, Quadrantenwechsel oder Ansprechverhalten ausprobieren“, erklärt Peitsmeyer. „Auf diese Weise kann jeder mal die Performance bei kritischen Betriebspunkten im wahrsten Sinn erfahren.“

Auf Hybridbauweise setzt auch die Moog GmbH aus Böblingen bei dem elektrohydrostatischen Antriebssystem (EAS). Herzstück ist die elektrohydrostatische Pumpeneinheit (EPU), mit der sich dezentrale Antriebsstrukturen verwirklichen lassen. Zweigleisig fährt das Unternehmen bei der Intelligenz. Dr.-Ing. Dirk Becher, Engineering Manager Pumps and Laboratory. „Wir verwenden systemische Intelligenz zum Beispiel für die Überwachung“, erklärt Dr. Becher. „Sie überprüft, ob das geschlossene hydrostatische System Öl verliert. Außerdem übernimmt es das Monitoring wichtiger Regelgrößen und die Überwachung etwa der richtigen Funktionsweise von Sicherheitsventilen.“ Alle diese dabei erfassten Daten kann das dezentral ausgelegte EAS über Standard-Schnittstellen an ein übergeordnetes Leitsystem weiterleiten.

„Ausprobieren geht über studieren“, sagt sich die Linde Hydraulics GmbH & Co. KG aus Aschaffenburg, die Besucher den neuartigen Fahrantrieb „Shift in Motion“ testen lässt. Mit dem Aggregat lassen sich mehrstufige Stillstandsschaltgetriebe bei fahrender Maschine schalten. „Das Besondere ist die elektrohydraulische Synchronisierung“, erklärt Moritz Kelm von der Abteilung „Products & Markets“. „Im Gegensatz zur mechanischen Synchronisierung werden hier weder Synchronringe noch  Kupplungen benötigt.“ Die Anpassung der Drehzahlen zwischen Getriebeein- und -ausgang läuft lastfrei ab. Das macht den Schaltvorgang verschleißfrei und steigert den Nutzungsgrad. Linde Hydraulics simuliert auf der Sonderschau den Fahrbetrieb eines Radladers. Neben den Shift in Motion-Komponenten und einem 2-Gang-Stillstandsschaltgetriebe stellt beim Demonstrator ein Schwungrad die Fahrzeugmasse dar. 

„Wer stellen auf der Sonderschau einen Hybridtank mit integrierter Sensorik aus“, sagt Uli Seeger, Leiter Produktmanagement ARGO-HYTOS GMBH aus Kraichtal-Menzingen. Animierte LED-Leisten visualisieren, wie der Datenstrom aus dem Tank in einen Controller fließt. Ein aufgeschnittener Tank demonstriert, wie problemlos sich  Sensorik zur Ölzustandsüberwachung in das Produkt integriert lässt. Zum Einsatz kommen drei bewährte Einschraub- beziehungsweise Eintauchsensoren. Mit der Integration entspricht ARGO-HYTOS dem Wunsch der Kunden nach einem Produkt, mit dem sich von vorneherein Condition Monitoring beziehungsweise Predictive Maintenance realisieren lässt. Für die Sensorintegration spricht, dass sie quasi ab Werk die Erfassung aller für eine optimale Überwachung des Ölzustands nötigen Parameter bietet. Seeger: „Wir zeigen mit den drei bereits integrierten Sensoren die Möglichkeiten auf, die das Erfassen von Daten aus der Hydraulikflüssigkeit bieten.“

Ein Eyecatcher der Sonderschau ist sicherlich auch das „gläserne Fahrrad“ der Schaeffler Technologies AG & Co. KG aus Schweinfurt. Christian Zeidlhack, Mitglied der Geschäftsleitung Industrie: „Es steht für unsere Strategie „Mobilität für morgen“.“ In dem Demonstrator steckt die automatische Fahrradschaltung VELOMATIC, die für den optimalen Gang und Schaltvorgang sorgt. Der Fahrer entscheidet dabei selbst, ob er die automatische Einstellung übernimmt oder sie über ein kundenspezifisches Schaltmodul oder die App VELODAPTIC ändert. Die Fahrradautomatik ist ein interessantes Beispiel dafür, wie das Zusammenspiel von Mechanik und Elektronik nicht nur das  Fahrradfahren erleichtert, sondern dank effektiv arbeitender Gangschaltung auch schonend mit den knappen elektrischen Akkureserven umgeht.

Doch auch clevere Pneumatik kann sich sehen lassen. Aventics demonstriert mit dem weiterentwickelten Smart Pneumatics Monitors (SPM) das smarte Zusammenspiel von Luftverbrauchern. Dieter Michalkowski vom Global Account Management Bosch bei der Aventics GmbH in Fellbach: „Das Erfassen von Daten ist verhältnismässig einfach, aber der Anwender benötigt aufbereitete Informationen, und diese kann Aventics bereitstellen.“ So lasse sich durch gezielte und überwachte Druckbereitstellung nicht nur der Energieverbrauch reduzieren, sondern auch der Verschleiß von Bauteilen verringern, weil die Belastung minimiert wird. Auf der Hannover Messe 2018 wird Aventics vorführen, wie durch die Verknüpfung mehrerer SPM zusätzlich Informationen generiert werden können. Michalkowski: „Unser Messestand dient als virtuelle Fabrik, in der sich der Besucher den jeweiligen Luftverbrauch einzelner Exponate ansehen kann. Jedes Exponat steht exemplarisch für eine Maschine in einer Werkshalle. Wir haben also nicht mehr nur die einzelnen Luftverbraucher, sondern die gesamte Produktion im Visier.“

 

.. führt die Moog GmbH aus Böblingen auf der neuen Sonderschau „Intelligente Fluid- und Antriebstechnik“ vor: Das süddeutsche Unternehmen demonstriert auf der Hannover Messe 2018 ein elektrohydrostatisches Antriebssystem (EAS), das die Vorteile von Elektrik/Elektronik und Hydraulik in einem Bauteil vereint.

Sie zählen zu den anspruchsvollsten Kunden jedes Antriebsherstellers: Die Rede ist von Firmen, die Schiffsmotoren, Windkraftanlagen, Gas- und Dampfturbinen sowie Maschinen für kraftvolle Einsätze herstellen. Gefragt sind in diesen Branchen extrem effizient arbeitende Aggregate mit minimalem Energieverbrauch, sehr niedrigen Wartungs- und Instandhaltungskosten, die mit möglichst geringem Platzbedarf auskommen.

Power-on-demand  aus dem dezentralen Aggregat

Dass sich alle diese positiven Eigenschaften erfüllen lassen, will Moog in Hannover mit einem Demonstrator beweisen: Es handelt sich um ein elektrohydrostatisches Antriebssystem (EAS) für hohe Kraftanforderungen. „Das System arbeitet mit einer drehzahlvariablen Pumpe, die sich direkt an einem Steuerblock oder Hydraulikzylinder montieren lässt“, erklärt Dr.-Ing. Dirk Becher, Engineering Manager Pumps and Laboratory. „Mit EAS können wir Power-on-demand bereitstellen.“ Herzstück des Systems ist die elektrohydrostatische Pumpeneinheit (EPU), mit der ein OEM, Systemintegrator oder Endnutzer dezentrale Antriebsstrukturen verwirklichen kann. Wegen des Einsatz eines hydrostatischen Getriebes entfallen sonst übliche hydraulische Komponenten wie Rohre oder Ventile. Moog setzt auf ein Baukastensystem mit Motor-Pumpe-Einheiten in fünf unterschiedlichen Größen (Pumpengröße 19 bis 250 cm³, 10 bis 150 kW Leistung), das sich sehr flexibel an unterschiedlichste Applikationen anpassen lässt. Der maximale Volumenstrom beträgt je nach Baugröße 85 bis 450 l/min – bei einem maximalen Betriebsdruck von 350 bar.  

Zweigleisig fährt das Unternehmen bei der Intelligenz des Systems. „Wir verwenden systemische Intelligenz zum Beispiel für die Überwachung“, erklärt Dr. Becher. „Sie überprüft, ob das geschlossene hydrostatische System Öl verliert. Außerdem übernimmt es das Monitoring wichtiger Regelgrößen und die Überwachung etwa der richtigen Funktionsweise von Sicherheitsventilen.“ Alle diese dabei erfassten Daten kann das dezentral ausgelegte EAS über Standard-Schnittstellen (analog mit ± 10 V bzw. digital via CAN-, Profi- oder Ethernet-Bus) an ein übergeordnetes Leitsystem weiterleiten. 

Der „Gesundheitszustand“ lässt sich direkt erfassen

Direkt für die Komponente ist das andere intelligente System, die Regelung des Achsantriebes, zuständig. „Wir messen direkt im Motor Kennwerte wie Temperatur sowie Drehzahl und monitoren sie im Zusammenhang mit der Achsbewegung“, erläutert Dr. Becher. „Mit Hilfe der Sensorik kann der Anwender bei Abweichungen von Drehzahlsignal und Achsbewegung die Fehlerursache ermitteln.“  „Wir können im Prinzip den „Gesundheitszustand“ der Pumpe on the fly – also im laufenden Betrieb – detektieren“, ergänzt Dr.-Ing. Achim Helbig, Innovation Projects Manager. Je nach Bedarf kann der Anwender verschiedene Regelalgorithmen einsetzen, um das System entweder druck-, geschwindigkeits-, positions- oder kraftgeregelt zu fahren. Die entsprechenden Sollwertsignale sendet eine übergeordneten Steuerung, die dann von der internen Regelung umgesetzt werden. Dr. Helbig: „Wir präsentieren unser elektrohydrostatisches Antriebssystem daher auch auf der Sonderschau „Intelligente Fluid- und Antriebstechnik“, weil es perfekt zur Thematik passt.“  

„EAS ist denkbar für alle Bereiche, in denen bisher Hydraulik verwendet wird“, sagt Dr. Becher. „Besonders gefragt ist es aktuell bei Anwendern aus dem Bereich Metallumformung und Pressen, in denen sich ein Trend hin zur Elektrifizierung abzeichnet.“ Für das System spreche in diesem Bereich das prozesssichere Verhalten bei hohen Kräften – beispielsweise bei der Schlagbelastung. Außerdem biete sich EAS auch besonders zum Einsatz in großen Gas-, Dampf- und Windturbinen an. 

Für EAS spreche nämlich, dass es sich um ein komplett geschlossenes hydraulisches System handle, das nur noch über elektrische Kabel mit einer übergeordneten Steuerung verbunden wird. Dr. Helbig: „Der Anwender muss sich überhaupt nicht mehr mit typischen hydraulischen Kennwerten wie Druck oder Volumenstrom auseinandersetzen.“ 

Schnell, clever und energieeffizient. Diese drei Adjektive treffen auf einen neuartigen Fahrantrieb zu, dessen Arbeitsweise Linde Hydraulics auf der Sonderschau „Intelligente Fluid- und Antriebstechnik“ demonstriert. 

Der Produktname ist Programm: „Shift in Motion“ nennen die Aschaffenburger den neuartigen Fahrantrieb, mit dem sich sogenannte mehrstufige Stillstandsschaltgetriebe bei fahrender Maschine schalten lassen. „Das Besondere ist die elektrohydraulische Synchronisierung“, erklärt Moritz Kelm von der Abteilung „Products & Markets“ bei der Linde Hydraulics GmbH & Co. KG, Aschaffenburg. „Im Gegensatz zur mechanischen Synchronisierung werden hier weder Synchronringe noch  Kupplungen benötigt.“ Die Anpassung der Drehzahlen zwischen Getriebeein- und -ausgang läuft lastfrei ab. Das macht den Schaltvorgang verschleißfrei und steigert den Nutzungsgrad.
Innerhalb von 0,6 Sekunden schalten

Linde Hydraulics simuliert auf der Sonderschau den Fahrbetrieb eines Radladers. Neben den Shift in Motion-Komponenten und einem 2-Gang-Stillstandsschaltgetriebe stellt beim Demonstrator ein Schwungrad die Fahrzeugmasse dar. Eine mechanische Bremsanlage dient zudem als variable Last, die zusätzlich aufgeschaltet werden kann und das System, ähnlich einer Fahrt an Steigungen, beeinflusst. 

„Der Besucher sieht bei uns am Messestand auf einem Monitor alle relevanten Betriebsparameter wie Fahrgeschwindigkeit, Gangwahl und Drehzahlen“, sagt Kelm. „Ein weiterer Monitor zeigt die Parameter der Synchronisierung gegenüber dem zeitlichen Verlauf -  z. B. die Stellung der Schaltgabel.“ Wichtig sei dabei die Demonstration der gleichermaßen schnellen wie exakten Positionierung von Verstellmotor und Schaltaktuator. So brauche Shift in Motion für einen Schaltvorgang lediglich 0,6 Sekunden. 

Für den Neuling spreche, dass er die gesamte kinetische Energie einer fahrenden Maschine effizient nutze. „Normalerweise muss ein Fahrzeug mit Stillstandsschaltgetriebe zum Schalten in den anderen Gang stehen bleiben“, erläutert Kelm. „Daher müsste der zweite Gang stets so ausgelegt sein, dass sich in ihm wieder anfahren lasse. Aufgrund der dazu nötigen Untersetzung des Getriebes sind höhere Fahrgeschwindigkeiten nicht oder nur in Verbindung mit sehr hohen Drehzahlen des Hydromotors möglich.“ Weil sich mit Shift in Motion dagegen während des Fahrens schalten lässt, muss in den höheren Gängen kein hohes Anfahrtsdrehmoment mehr anliegen. Dies begünstigt zum einen eine Getriebeauslegung für höhere Endgeschwindigkeiten, zum anderen kann der Antriebsdiesel in einem verbrauchsgünstigeren Bereich betrieben werden.
Legt man beispielsweise ein Szenario zugrunde, in dem ein Radlader mit einem konventionellen 40 kW-Industrie-Diesel-Motor statt mit 2500 U/min durch eine begünstigte Getriebeauslegung um 700 U/min abgesenkt werden kann, wirkt sich dies bereits signifikant auf Kraftstoffkosten und Geräuschbelastung aus, was zum einen die Betriebskosten senkt und zum anderen für eine hohe Akzeptanz beim Kunden sorgt. Die neue Form der intelligenten Mobilmachung eignet sich besonders für Fahrzeuge, die häufig zwischen Transport- und Arbeitsgang wechseln. Gedacht ist der mit einem maximalem Nenndruck von 450 bar arbeitende Antrieb für Fahrzeuge mit einer Antriebsleistung von 40 bis 300 Kilowatt, die mit hoher Zugkraft arbeiten und mit einer hohen Endgeschwindigkeit von über 25 Kilometern pro Stunde fahren. Dazu zählen - grob umfasst - mobile Land- und Baumaschinen.

Einfache Nachrüstung dank kompakter Bauweise

Voraussetzung für die Nutzung von Shift in Motion ist zum einen ein Stillstandsschaltgetriebe mit zwei oder mehr Gängen. Zum anderen sollte eine Zugkraftunterbrechung von weniger als 0,7 Sekunden während eines Schaltvorganges zulässig sein. Gegenüber einem konventionellen Fahrantrieb, bestehend aus Verstellpumpe und Verstellmotor, wird Shift in Motion nur um eine elektronische Steuerung und einen Schaltaktuator bei Getrieben mit zwei Gängen bzw. zwei Aktuatoren bei Getrieben mit mehreren Gängen ergänzt. Somit lässt sich die Innovation mit wenig Platzbedarf leicht nachrüsten. Der Schaltaktuator wird mit Kugel- oder Gabelkopf an das Getriebe angekoppelt und die Linde-Steuerung kann dank CAN-Bus-Anbindung in das Kommunikationsnetz des Fahrzeugs integriert werden. Bewährt hat sich der Antrieb beispielsweise bei Maschinen der CLAAS KGaA mbH aus Harsewinkel und der Welte Fahrzeugbau GmbH aus Umkirch, bei denen sich die Nachrüstung nur am Fehlen eines Schalters im Cockpit erkennen lässt. 
Alle diese Eigenschaften sprechen für die Präsentation auf der Sonderschau „Intelligente Fluid- und Antriebstechnik“, bei der Linde Hydraulics auch weitergehende Fragen zu den technischen Details erklärt. Eine typische Frage nennt Kelm: „Unser System erlaubt es dem Fahrer bei Bergabfahrt im Schubbetrieb unter hoher Last nicht, in den zweiten Gang zu schalten, wenn es dem sicheren Fahrbetrieb nicht zuträglich ist. Da interessiert sicherlich manchen, wie genau das System diesen Zustand detektiert“.

„Ja mir san mit'm Radl da“ heißt es in Anlehnung eines bayrischen Schlagers aus den 1980er Jahren: Schaeffler Technologies AG & Co. KG aus Schweinfurt demonstriert mit einem gläsernen Fahrrad das clevere Zusammenspiel von Mechanik und Elektronik.

Zweigleisig fährt die Schaeffler auf der Hannover Messe 2018. Während der Hauptstand Themeninseln mit konkreten Kundenprojekten zeigt, bei denen die Umsetzung von Industrie 4.0 im Mittelpunkt steht, sorgen die Franken auf der neuen Sonderschau „Intelligente Fluid- und Antriebstechnik“ mit einem besonderen Eyecatcher für Aufmerksamkeit. „Wir spannen den Bogen mit unserem „gläsernen Fahrrad“ bewusst weiter als sonst üblich“, betont Christian Zeidlhack, Mitglied der Geschäftsleitung Industrie. „Es steht für unsere Strategie „Mobilität für morgen“.“ Das gläserne Fahrrad ist aber auch eine schöne Brücke zur Tradition unseres Unternehmens.“

Das gläserne Fahrrad demonstriert das intelligente Zusammenspiel von Mechanik und Elektronik für die Mobilität von morgen. © Schaeffler

In dem Demonstrator steckt die automatische Fahrradschaltung VELOMATIC, die für den optimalen Gang und Schaltvorgang sorgt. Der Fahrer entscheidet dabei selbst, ob er die automatische Einstellung übernimmt oder sie über ein kundenspezifisches Schaltmodul oder die App VELODAPTIC ändert. Die Fahrradautomatik ist ein interessantes Beispiel dafür, wie das Zusammenspiel von Mechanik und Elektronik nicht nur das  Fahrradfahren erleichtert, sondern dank effektiv arbeitender Gangschaltung auch schonend mit den knappen elektrischen Akkureserven umgeht. 

Mit Hilfe eines Aktors betätigt Leistungs- und Regelelektronik einen Planetenwälzgewindetrieb (PWG). Ein PWG besteht aus Gewindespindel und einer Zylinder- oder Flanschmutter. Das Übertragen der Kraft geschieht über die Flanken der Rollen, Spindel und Mutter. Durch die große Anzahl an Kontaktstellen ergibt sich eine sehr hohe axiale Tragfähigkeit. Aufgrund sehr kleiner Steigungen lassen sich mit kleinen Antrieben (ohne Getriebe) hohe axiale Betriebskräfte erzeugen. Zeidlhack: „Diese Antriebsart kann in Kombination mit Elektromechanik die Hydraulik ersetzen und senkt so die Leistungsverluste.“ 

Digitale Transformation klingt an beim Blick auf die vielfältigen Möglichkeiten, das System an Fahrräder mit unterschiedlichsten Antriebssystemen (Naben- und Kettenschaltungen, E-Antrieb Mittelmotor, Hinterrad- oder Vorderradantrieb) anzupassen. Für das Funknetz kommen die Standards ANT und BLE (Bluetooth) und für die Vernetzung CAN zum Einsatz. 
„Industrie 4.0 bedeutet nicht nur die Vernetzung von Maschinen, sondern auch, sich noch enger und mit neuen Geschäftspartnern zu vernetzen“, begründet Zeidlhack die Motivation für einen zusätzlichen Stand auf der Sonderschau. „Mit dem gläsernen Fahrrad und seiner elektromechanischen Aktorik demonstrieren wir aber auch den Brückenschlag zwischen unserer Automobil- und Industrie-Division.“ So verwenden die Franken den in der Schaltautomatik eingesetzten Planetenwälzgewindetrieb (PWG) auch als Kupplungsaktor im Automobilbau. 

Ebenfalls im „gläsernen Fahrrad“ verbaut ist eines der Sensor-Innenlager, die es bei Schaeffler in vielen elektrischen und mechanischen Ausführungen gibt. Dieses Tretlager ist speziell für Pedelecs und E-Bikes entwickelt und misst Trittfrequenz und Dehmoment. „Wir nutzen dabei eine exklusive Technologie, mit der wir die Welle magnetisieren“, erklärt das Geschäftsleitungsmitglied. „Wir können das Drehmoment messen, weil die magnetisierte Welle als Rotor und das Gehäuse als Stator fungiert.“ Besonders bewährt hat sich diese Technik bereits in der Landtechnik – zum Beispiel in Maschinen zum Streuen von Düngemitteln. Zeidlhack: „Clevere  Drehmomentregelung hilft dem Landwirt, sein Feld nicht zu unter- oder zu überdüngen.“

Intelligentes Zusammenspiel von Luftverbrauchern 

In Sachen Industrie 4.0 muss sich die Pneumatik nicht verstecken: Das zeigt auf der Hannover Messe 2018 auch ein Besuch bei Pneumatikhersteller Aventics, der auf der neuen Sonderschau „Intelligente Fluid- und Antriebstechnik“ die Weiterentwicklung des Smart Pneumatics Monitor (SPM) vorführt. Dieser simuliert im Zusammenspiel von Luftverbrauchern eine smarte Fabrik.

Auf der Hannover Messe 2017 demonstrierte der bekannte Hersteller von Pneumatikkomponenten und -systemen anhand eines pneumatischen Linearantriebs mit integriertem Ventilsystem, wie sich mit der Nutzung vonrichtigen Daten und Informationen die Energieeffizienz beim Einsatz von Kompressoren optimieren lässt. Zu diesem Zeitupunkt lief die Visualisierung noch auf einem kleineren Server.

Zusammenarbeit mit dem neuen Smart Pneumatics Monitor (SPM)
„Es geht uns nicht darum, Daten „irgendwohin zu schaufeln“, sondern um das Erzeugen echter Informationen, mit denen der Anwender etwas anfangen kann“, erläutert Dieter Michalkowski vom Global Account Management Bosch bei der Aventics GmbH in Fellbach. „Das Erfassen von Daten ist verhältnismässig einfach, aber der Anwender benötigt aufbereitete Informationen, und diese kann Aventics bereitstellen.“ So lasse sich durch gezielte und überwachte Druckbereitstellung nicht nur der Energieverbrauch reduzieren, sondern auch der Verschleiß von Bauteilen verringern, weil die Belastung minimiert wird. Bei dem bereits in der Praxis bewährten SPM-System geht Aventics nun den nächsten, wichtigen Schritt. „Wir bieten nun auch die Visualisierung lokal an, so dass das System noch universeller einsetzbar ist“, sagt der Aventics-Manager. „Dazu hat der SPM jetzt auch optional einen Webserver integriert, der das Visualisieren und Speichern von Daten und Informationen übernimmt." 

Auf der Hannover Messe 2018 wird Aventics auf seinem Messestand demonstrieren, wie durch die Verknüpfung mehrerer SPM zusätzlich Informationen generiert werden können. Michalkowski: „Unser Messestand dient als virtuelle Fabrik, in der sich der Besucher den jeweiligen Luftverbrauch einzelner Exponate ansehen kann. Jedes Exponat steht exemplarisch für eine Maschine in einer Werkshalle. Wir haben also nicht mehr nur die einzelnen Luftverbraucher, sondern die gesamte Produktion im Visier.“

Natürlich konnten solche Information auch schon in der Vergangenheit generiert und verarbeitet werden, dazu war jedoch ein hoher Aufwand für den Programmierer der Steuerung nötig. Diese Arbeit nimmt ihm Aventics mit seiner intelligenten Pneumatik ab. 

Der SPM arbeitet unabhängig von der Steuerung, seine Konfiguration setzt keine Programmierkenntnisse voraus. Somit kann sich die Steuerung voll auf den Prozess konzentrieren. Dank der graphischen Programmieroberfläche kann der Anwender jederzeit und ohne die Funktion der Maschine zu beeinflussen Zustandüberwachungen einrichten oder ergänzen.

Digitale Transformation im Fokus

„Unser Ziel ist es, den Aufwand für den Kunden zu minimieren und digitalen Mehrwert mit der vorhandenen Sensorik zu bieten“, so der Fachmann. Dank des Egdecomputings und des integrierten WebServers ist dieser Mehrwert auch für Kunden mit Stand-alone-Applikationen auf kleineren Maschinen realisierbar.
Aventics unterstützt somit durch Integration von Funktionen in die Pneumatik den Anwender bei der digitalen Transformation. Dass dies der richtige Weg ist, zeigt die positive Resonanz auf die Applikation in Zusammenarbeit mit der Boge Kompressoren Otto Boge GmbH & Co. KG aus Bielefeld.Boge hatte zusammen mit Aventics auf der Hannover Messe 2017 während der Sonderausstellung Predictive Maintenance 4.0 in einer kleinen Smart Factory demonstriert, dass alle beteiligten Komponenten miteinander kommunizieren und so den Energieverbrauch nachhaltig senken können. 

Doch was hat Aventics als Aussteller auf der Sonderschau Predictive Maintenance 4.0 motiviert, nun unter dem Thema „Intelligente Fluid- und Antriebstechnik“ anzutreten? „Wir haben im Prinzip schon immer intelligente Fluid- und Antriebstechnik präsentiert“, sagt der Experte. „Das Thema Industrie 4.0 finde ich aber auch gut, denn er beflügelt uns als Pneumatiker mit der Botschaft: Unsere Komponenten müssen intelligenter werden. Daher werben wir schon seit längerem mit dem Begriff „intelligente Pneumatik“ 

Nun geht es konkret zur Sache 

Daher empfindet Michalkowski die Bezeichnung der neuen Sonderschau „Intelligente Fluid- und Antriebstechnik“ als praxisgerecht, weil „unsere Branche bereits seit Jahren die für Industrie 4.0 benötigten intelligenten Funktionen bereitstellt“. Er freut sich daher schon auf Hannover, denn mit jeder Anwendung, aber auch in jedem Gespräch mit Komponentenherstellern und Anwender komme Anventics dem Ziel Industrie 4.0 wieder einen Schritt näher. „Ich sehe die Sonderschau als Schärfung des Begriffs Industrie 4.0, der mir viel zu allgemein ist“, betont der Pneumatikfachmann. „Auf der Sonderschau geht es dagegen konkret zur Sache. Wir setzen darauf, mit minimalen Aufwand dem Anwender einen ganz konkreten Nutzen zu bieten.“ 

Clevere Mechatronik lebt vom technologischen Miteinander: Diese Botschaft demonstriert Bucher Hydraulics mit dem Alpha-X-Demonstrator, der die Vorteile des intelligenten Zusammenspiels von elektrischer Antriebstechnik und Hydraulik vorführt. 

„Es heißt oft, dass die elektrische oder elektromechanische Antriebstechnik die Hydraulik ersetzen soll“, berichtet Dierk Peitsmeyer, Produkt-Portfolio-Manager bei der Bucher Hydraulics GmbH, Klettgau. „Das sehe ich aber gerade bei größeren und stärkeren Linearantriebe als nicht sinnvoll an. Besser ist es, elektrische und hydraulische Antriebstechnik zu hoch effizienten und gut funktionierenden Systemen zu verbinden.“ 

Dass es sich dabei nicht nur um den frommen Wunsch eines Hydraulikherstellers handelt, beweist Bucher Hydraulics im April 2018 auf der Sonderschau „Intelligente Fluid- und Antriebstechnik“ des VDMA und der Hannover Messe mit dem Alpha-X-Demonstrator, der ein typisches, in vielen Maschinen vorkommendes Lastprofil abbildet. Besucher können den mit einem kräftigen Federpaket (20 Kilonewton) und einer großen Lastmasse (350 Kilogramm) ausgestatteten Demonstrator mit einem Joystick bedienen. „Wir lassen das System nicht in einem festen Zyklus laufen, sondern jeder Besucher kann die für ihn interessanten Betriebspunkte wie Anfahren, langsam Fahren, Positionieren, Quadrantenwechsel oder Ansprechverhalten ausprobieren“, erklärt Peitsmeyer. „Auf diese Weise kann jeder mal die Performance bei kritischen Betriebspunkten im wahrsten Sinn erfahren.“

Als interessant empfindet der Manager auch den Einsatz eines realistischen Lastprofils mit 20 Kilonewton, das etwa einem hydraulischen Betriebsdruck von 160 bar entspricht. So würde der Demonstrator, der ohne Tank und Kühler auskommt, auch nach einem langen Messetag mit vielen Demos sich nicht nennenswert erwärmen. „Das ist das, wo wir in der Hydraulik hinkommen wollen: einen drehzahlvariablen, ohne Drosselverluste im geschlossenen hydraulischen Kreis arbeitenden Antrieb“, sagt der Fachmann. „Wir haben also eigentlich einen Linearantrieb für große Kräfte entwickelt, der oberhalb der Performance einer sonst üblichen Kugelrollspindel zum Einsatz kommen kann.“ 

Rekuperation senkt Energieverbrauch um 93 Prozent

Mit Blick auf die Energieeffizienz hat Bucher Hydraulics den Demonstrator mit einem System zur Rückgewinnung (Rekuperation) von Senk- und Bremsenergie ausgestattet. „Die mögliche Energieeinsparung beträgt 93 Prozent im Vergleich zu einem konventionellen, hydraulischem Antrieb“, freut sich Peitsmeyer. „Es ist doch erstaunlich, was sich mit dieser  Lösung erreichen lässt. Wir haben übrigens ähnliche Systeme bereits bei Kunden realisiert.“

Für die geschlossene Servohydraulik spricht, dass das große Hydraulikaggregat mit dem Kühler entfällt und dass sich das kompaktere System gut in die Maschinenstruktur integrieren lässt. Es handelt sich allerdings nicht um Standardsysteme aus dem Katalog, sondern kundenspezifisch projektierte Lösungen.

Erste Einsätze im Prüfstand und Flugsimulator

Außerdem biete der Antrieb einen weiteren Vorteil: So falle die Inbetriebnahme einfacher aus, weil die Software alle Hydraulik-Eigenschaften berücksichtigt. „Die Hydraulik verhält sich für den Steuerungstechniker genauso wie ein elektromechanischer Antrieb“, meint der Fachmann. „Er kann den Antrieb bereits im Werk optimieren.“ Bei der Inbetriebnahme stehe nur noch rund eine halbe Stunde für das Einstellen der Kennwerte, die sogenannte Parametrierung, in der Umrichter-Software an. Dagegen entfallen typische, sonst anstehende Aufgaben wie Installation und Spülung der Rohrleitungen. Peitsmeyer: „Wir sind immer wieder überrascht, wie kritische Anwendungen sofort stabil einsetzbar sind, während wir bei konventioneller Hydraulik oft tagelang optimieren müssen.“ Die Anbindung an übergeordnete elektronische Systeme geschieht über Standardschnittstellen wie CANBus. Zu den ersten Anwendern zählt beispielsweise der Bahntechnikspezialist Nencki AG aus Langenthal (Schweiz), der die Bucher-Hydraulik in einen Drehgestell-Prüfstand eingebaut hat, und ein Hersteller von Flugsimulatoren. 

Scheren-Hub-Tisch „fährt“ sieben Mal schneller 

„Obwohl die Lösung sehr einfach und unkompliziert ist, verhalten sich mögliche Endanwender noch sehr zurückhaltend und kritisch“, bedauert Peitsmeyer. „Besonders erstaunt bin ich, dass bei den Elektrofahrzeugen mit Batterie-Elektrik immer noch aus Kostengründen weiterhin konventionelle Hydraulik zum Zuge kommt. Die Folge ist,  dass allein 40 bis 60 Prozent der Batterieleistung in den Kühler gehen.“ Da scheine das Bewusstsein für die hohen Folgekosten für die Batterie zu fehlen. 

Die Sonderschau „Intelligente Fluid- und Antriebstechnik“ sei daher für Bucher Hydraulics besonders interessant, weil „wir dort dem Publikum aus der Industrie und Fördertechnik die Vorteile unserer Servohydraulik vermitteln können“. Infrage käme die Lösung vor allem für den vertikalen Materialtransport etwa in Hubplatformen im innerbetrieblichen Transport. Peitsmeyer: „Bei einem Versuch an einem vier Meter verfahrbaren Scheren-Hub-Tisch mit einer Maximallast von 1,5 Tonnen erlaubte unserer Antrieb den Betrieb mit siebenfacher Geschwindigkeit – ohne übermäßige Belastung der Stahlstruktur und mit höchster Energieeffizienz. Bei dem herkömmlichen hydraulischen Antrieb wäre das nicht möglich, weil sonst der Tisch zu stark schwingen würde.“

 

Die  Hydraulik-4.0-Zukunft leuchtet auf der Hannover Messe 2018: Diesen Eindruck vermittelt der Hersteller ARGO-HYTOS mit seinem, mit drei Sensoren bestückten Hydrauliktank auf der Sonderschau „Intelligente Fluid- und Antriebstechnik“, in dem LED-Technik den sonst unsichtbaren Datenstrom visualisiert. 

Sensorik verbindet die digitale und die reale Welt. Sie ist daher eines der wichtigsten Glieder bei der Umsetzung von Industrie 4.0. Ohne die richtigen Sensoren sind nämliche alle übergeordneten Dateninterpretation-Systeme blind. Sensorik kommt immer mehr auch in scheinbar unscheinbaren Komponenten zum Einsatz. 

Zu den sicherlich unauffälligsten Bauteilen der Hydraulik, ohne die allerdings kaum ein Fluidsystem auskommt, zählen Hydrauliktanks.  Eine Spezialität sind bei ARGO-HYTOS die sogenannten Hybridtanks mit integriertem Filtergehäuse für Mineralöl und umweltschonende Hydrauligflüssigkeiten (HEES und HETG), die als einbaufertige Komplettmodule per Rotationsform und Spritzguß aus Kunststoff entstehen. 

Sensorik an Bord 

„Wer stellen auf der Sonderschau einen Hybridtank mit integrierter Sensorik aus“, sagt Uli Seeger, Leiter Produktmanagement ARGO-HYTOS GMBH aus Kraichtal-Menzingen. Animierte LED-Leisten visualisieren, wie der Datenstrom aus dem Tank in einen Controller fließt. Ein aufgeschnittener Tank demonstriert, wie problemlos sich  Sensorik zur Ölzustandsüberwachung in das Produkt integriert lässt. Zum Einsatz kommen drei bewährte Einschraub- beziehungsweise Eintauchsensoren: ein Füllstand- und Temperatursensor, ein Verschleißsensor (OPCom FerroS) und ein Ölzustandsensor (Lubcos H2O+). Es handelt sich bei allen drei Sensoren um bewährte ARGO-HYTOS-Produkte, die heute bereits auf Kundenwunsch in Tanks eingebaut werden.
Mit der Integration entspricht ARGO-HYTOS dem Wunsch der Kunden nach einem Produkt, mit dem sich von vorneherein Condition Monitoring beziehungsweise Predictive Maintenance realisieren lässt. Für die Sensorintegration spricht, dass sie quasi ab Werk die Erfassung aller für eine optimale Überwachung des Ölzustands nötigen Parameter bietet: Der nachträgliche, meist aufwendige Aufbau an externer Sensorik entfällt. Es handelt sich um einen symbolischen Aufbau, der als Demonstrator für die Sensorintegration wirbt. Seeger: „Wir zeigen mit den drei bereits integrierten Sensoren die Möglichkeiten auf, die das Erfassen von Daten aus der Hydraulikflüssigkeit dem Anwender bieten.“ 

Mit Sensor-Daten-Fusion den Ölzustand in Visier 

Als Gesprächsthema mit den Experten am ARGO-HYTOS-Stand bietet sich beispielsweise das für Industrie 4.0 interessante Thema „Vernetzung von Sensordaten“ an. Dabei handelt es sich nicht nur um die Weiterleitung von Daten an übergeordnete Systeme, sondern vor allem um das clevere Zusammenwirken mehrerer Sensoren. Das Stichwort lautet Sensor-Daten-Fusion. Im Mittelpunkt steht die Zusammenführung von Daten aus verschiedenen Sensoren, um die Detektionsleistung zu erhöhen oder um Daten besser zu klassifizieren. Dank des Einsatzes von drei Sensoren im Tank, die unterschiedlichste Kennwerten wie z.B. Temperatur, Verschleiß (Detaktion von ferromagnetischen Partikeln) und Ölfeuchte erfassen, kann der Anwender den Ölzustand ganzheitlich – mit allen „Sensorsinnen“ – beobachten und beurteilen. Das ist nur ein Beispiel von vielen Anwendungen, über die Besucher mit den Fachleuten von ARGO-HYTOS auf der Sonderschau diskutieren können.