Herkömmliche Aktuatoren sind zum Ausfahren, Einfahren oder Halten einer Last in der Regel auf sperrige, unwirtschaftliche Relais oder separate Steuereinheiten angewiesen. Demgegenüber sinkt durch die Verwendung einer integrierten Elektronik die erforderliche Stromstärke an den Schaltern oder Kontakten von 20 A auf unter 22 mA, was ein deutlich einfacheres und kostengünstigeres Systemdesign ermöglicht. Damit können die Bediener den Aktuator über eine einfache Steuerung ein- und umschalten.

Man stelle sich eine Werkshalle vor, wo die Mitarbeiter schwere Komponenten bewegen und sich dabei häufig strecken und bücken müssen. Wäre ihre Arbeitsfläche durch Aktuatoren mit Niederstromschaltung verstellbar, könnten sie die Höhe individuell einstellen. Weniger Ermüdung und mehr Produktivität wären das Ergebnis.

Wenngleich herkömmliche Aktuator-Baugruppen ebenfalls solche Verstellmöglichkeiten bieten, ist doch eine externe Motorschaltung erforderlich – höherer Stromverbrauch und manuelle Bedienung inklusive. Demgegenüber erfolgt bei einer elektronischen Ansteuerung das Schalten direkt im Aktuator-Gehäuse, was zudem eine aufgeräumte Lösung ohne externe Verdrahtung ermöglicht. Darüber hinaus bietet das automatisierte Schalten des Motors auch sicherheitsrelevante Vorteile. Ein Aktuator nimmt je nach Last 20 bis 40 A auf. Eine reduzierte Gefährdung durch diese Stromstärke bei Einbau und Betrieb erlaubt mehr Ergonomie bei der Steuerung und reduziert das von Hochstrom-Relais ausgehende Stromschlagrisiko.

Digitale Positionsrückführung

Smarte Elektro-Aktuatoren erlauben nicht nur eine millimetergenaue Positionsjustierung, sondern bieten zudem eine Echtzeit-Rückmeldung über die Auswirkung der Justierung. Sie können die Position der Last über den gesamten Hubweg melden. Im Beispiel eines Arbeitstisches könnten sie Daten zur Position der Last erfassen und sie mit den voreingestellten Parametern vergleichen.

Ergänzt wird die digitale Positionsrückführung durch die Fähigkeit, die Geschwindigkeit zu messen und zu steuern. Beispielsweise beim Öffnen oder Schließen einer schweren Tür, die eine bestimmte Maschine abschirmt oder Bereiche voneinander trennt. Der Mikrocontroller könnte Impulszählwerte von einem Encoder empfangen und anhand der Anzahl der in einem Zeitintervall empfangenen Impulse die Fahrstrecke und Geschwindigkeit berechnen. Auf das Beispiel einer schweren Tür angewendet, könnte die Geschwindigkeit bei Annäherung an die Endlage gedrosselt werden, sodass die Tür nicht zuschlagen kann, bevor der Bediener die Öffnung verlassen hat.

Die digitale Positionsrückmeldung gehört zu den einfachsten Methoden, die Verstellgeschwindigkeit zu messen. Aber sie ist nicht einfach zu programmieren, da sie sich die gemeldeten Positionen nach einem Stromausfall oder einer Abschaltung nicht merkt. Mit analogen Potentiometern ausgestattete smarte Aktuatoren können dagegen exakte Positionsinformationen von den im Getriebe des Aktuators verbauten Potenziometern erhalten. Die übermittelten Spannungssignale melden die Antriebsgeschwindigkeit und -richtung über den gesamten Hubweg. Zudem speichern sie diese Position, sodass das Gerät selbst bei Stromausfall nicht erst in die Ausgangsstellung gefahren und dann zurückgesetzt werden muss.

Eine zuverlässige Positionsspeicherung erlaubt die Entwicklung von Systemen, die für jeden Nutzer die ergonomischen Einstellungen speichern. Somit lässt sich der Arbeitsplatz über Faktoren wie Arbeitshöhe, hinterlegte Arbeitsabläufe oder Nutzer-Präferenzen für beliebig viele Personen individualisieren.

Synchronisierung

Noch deutlicher werden die ergonomischen Vorteile smarter Elektroaktuatoren, wenn mehrere dieser Aktuatoren verwendet werden. So lassen sich die Aktuatoren beispielsweise so einrichten, dass sie sich automatisch an Ladungen anpassen, die sich verschieben. Im Flugzeugbau, wo fünf bis zehn Personen gleichzeitig an der Rumpfmontage arbeiten, wird für die Arbeiten in der Höhe beispielsweise eine Arbeitsplattform benötigt. Während sich die Monteure auf der Plattform bewegen, verlagert sich das Gewicht immer wieder, sodass es im Extremfall sogar zu gefährlichen Schräglagen kommen kann. Smarte Aktuatoren an mehreren Punkten unter der Plattform verteilt lösen das Problem, indem sie sich bei jeder Lastverlagerung während einer synchronisierten Bewegung selbst ausgleichen.

Realisiert werden die Ausgleichsbewegungen auf diese verlagerten Lasten mittels Geschwindigkeitsregelung gekoppelt mit Positionsrückführung. Dabei kommunizieren die Aktuatoren über ein internes Netzwerk, lesen über die Positionsrückführung untereinander die Geschwindigkeiten aus und gleichen ihre eigene Bewegung entsprechend an.

Wird hierzu eine digitale Rückführung genutzt, resultiert dies jedoch in einem stotternden Schritt. Vermeiden können die Entwickler dies, indem sie sowohl die Position als auch die Geschwindigkeit in den Regelkreis einbinden und die Anpassung anhand beider Größen vornehmen. Das bietet einen ergonomischen Vorteil, der eine verlagerte Last sanft über mehrere Punkte anhebt.

Eine Ansteuerung mehrerer herkömmlicher Aktuatoren ist ebenfalls möglich, führt aber zu einem ungenauen, zeitaufwändigen und arbeitsintensiven Vorgang, der die Aktuatoren zusätzlicher Belastung aussetzt, die schließlich zur Blockierung oder anderen Fehlfunktionen führt. Demgegenüber beseitigt die Synchronisierung smarter Aktuatoren jegliche Unwägbarkeiten und resultiert in einer ausbalancierten, sanften und positionsgetreuen Bewegung.

Echtzeit-Überwachung

Smarte Elektro-Aktuatoren sind in der Lage, kontinuierlich Überwachungsinformationen bezüglich Temperatur, Stromaufnahme, Geschwindigkeit, Spannung und weiteren Variablen zu liefern, was eine erweiterte Zustandsüberwachung, Diagnose und Fehlerbehandlung ermöglicht. Erkennt der Aktuator ein Problem, kann er entweder mitten im Hub anhalten oder seine programmierte Bewegung vervollständigen und eine Fehlermeldung an den Computer senden.

Anhand solcher Rückmeldungen können die Anwender ihre Betriebsabläufe auf bestimmte Muster hinsichtlich Nutzung, Geschwindigkeit und Position prüfen, um mehr Ergonomie, Sicherheit und Effizienz zu erreichen. Besonders wichtig ist das in Szenarios der Fertigungsautomatisierung, wo mehrere Geräte integriert werden. Die gesammelten Daten zeigen beispielsweise, wie häufig eine Arbeitsstation angehoben und abgesenkt oder eine Tür geöffnet und geschlossen wurde. Diese Informationen lassen sich dann mit bisherigen Werten oder idealtypischen Verfahren vergleichen, um das Layout einer Bearbeitungszelle zu optimieren. Darüber hinaus könnten die erfassten Betriebsdaten mit Unfallberichten abgeglichen werden, woraus sich die Notwendigkeit weiterer Ergonomie-Untersuchungen ergeben kann. Meldet beispielsweise ein Aktuator, der ein Crimpwerkzeug betätigt, immer wieder Überlast, kann er die Häufigkeit von Fehlern aufzeigen und darauf hinweisen, in welcher Zelle zu welcher Zeit dies vermehrt geschieht.

Mit Diversifizierung zum Erfolg

Der breite Funktionsumfang smarter Elektro-Aktuatoren erlaubt den Anwendern, ihre Systeme mit Augenmerk auf Einfachheit zu konzipieren. Die Möglichkeit, die Aktuatoren über digitale Systeme zu steuern, digitale oder analoge Rückführung zu realisieren, mehrere Aktuatoren zu synchronisieren oder Kennzahlen in Echtzeit zu überwachen, bietet das gesamte Instrumentarium in einem Paket. Wenn Anwender also eine bestimmte Anwendung umsetzen wollen, können sie eine Automatisierungslösung anbieten, die weit über die Grundfunktion einer simplen Linearbewegung hinausgeht. Smarte Aktuatoren ermöglichen automatisierte Prozesse ohne die Komplexität anderer Automatisierungstechnologien wie Hydraulik- oder Pneumatikzylinder.

Je enger diese Steuerungsfähigkeiten in das Gerät integriert sind, desto weniger stehen sie zwischen den Anwendern und dem von ihnen erwarteten Mehrwert. Der Mehrwert zeigt sich in Form von Mitarbeiterzufriedenheit, Arbeitsschutz und Produktivität, wovon letztlich die gesamte Wertschöpfungskette profitiert.