Noch vor Kurzem war die pneumatische Seite einer Maschine Sache anderer. Der Konstrukteur entwarf das Gestell, fügte Platzhalter für Zylinder und Ventilblöcke ein und schickte das Modell an einen Hydrauliklieferanten, der die Schlauchverläufe, Anschlussgrößen und die Gehäusepassung auf dem Papier (oder in einem separaten Schaltplanprogramm) festlegte. Druckluft wurde vorausgesetzt. Dann zischte der Prototyp.
Heute treffen die Luftstromwerte zuerst an der CAD-Workstation ein. Bohrung, Hub, Zyklusrate, SCFM-Bedarf, Ventil-Cv-Wert, Verteileranschlussgröße, Gehäuseentlüftung und Wasserdichtheitsklasse: All das wird zusammen mit der Geometrie modelliert, denn in MCAD werden die Kompromisse aufgelöst.
Diese Veränderung ist für jeden, der Maschinen baut, von Bedeutung. Ein Zylinder, der in der Baugruppe einwandfrei aussieht, kann dennoch unterkühlt werden, undicht werden oder seine Magnetventile können überhitzen, sobald er mit realer Luft in Berührung kommt.
Die Luftströmung gehört von Anfang an ins CAD-Modell.
Ein pneumatischer Zylinder ist ein geometrisches Bauteil mit einer vorgegebenen Fördermenge. Bohrung und Hub bestimmen das Fördervolumen. Die erforderliche Taktfrequenz der Maschine bestimmt, wie schnell dieses Volumen wieder aufgefüllt wird. Der Versorgungsdruck legt fest, wie viel Druckluft der Kompressor liefern muss, um die benötigte Fördermenge zu gewährleisten. Ohne diese Werte modelliert man die Geometrie, erhält man ein Bauteil, das zwar in eine Baugruppe passt, aber nicht ausreichend mit Druckluft versorgt wird.
Strömungsoptimierte CAD-Planung ist schon lange unerlässlich. Der Volumenstrombedarf des Aktuators bestimmt die Ventilauswahl, der Cv-Wert des Ventils die Anschlussgröße am Verteiler und die Position des Verteilers die Schlauchlänge, was wiederum den Druckabfall und letztendlich die Aktuatordrehzahl beeinflusst. Jede Änderung einer Variablen beeinflusst die anderen. Es ist ratsam, dies im Modell zu beobachten, anstatt es in der Fertigung umzusetzen.
SCFM und CFM sind nicht die gleiche Zahl.
Die Terminologie stiftet bei Konstrukteuren mehr Verwirrung als nötig. CFM (Kubikfuß pro Minute) bezeichnet den Volumenstrom bei der jeweiligen Temperatur und dem jeweiligen Druck am Messpunkt. Die beiden Begriffe sind nicht austauschbar. Eine Verwechslung führt zu einer Unterversorgung der Maschine.
Für ein besseres Verständnis des praktischen Unterschieds und warum die Nennleistung eines Kompressors (SCFM) bei Leitungsdruck immer höher ist als die tatsächliche Fördermenge (CFM), ist die SCFM-vs.-CFM-Übersicht von Nigen eine hilfreiche Einführung, die man am besten neben dem CAD-Arbeitsplatz griffbereit hat. Sobald man den Unterschied verinnerlicht hat, widersprechen sich die Datenblätter von Ventil-, Zylinder- und Kompressorherstellern nicht mehr.
Die Luftstromspezifikationen bestimmen das Aktuatormodell
Der Bohrungsdurchmesser ist die mit Abstand wichtigste Kenngröße. Der Luftverbrauch steigt quadratisch mit dem Bohrungsdurchmesser. Ein Aktuator, der auf Basis einer Schätzung eine Nummer größer dimensioniert wurde, kann den vom restlichen System benötigten Luftdurchsatz (SCFM) verdoppeln oder verdreifachen. Die Hublänge ist ebenfalls relevant, jedoch linear. Die Taktfrequenz multipliziert den jeweiligen Bedarf pro Hub.
Die zweite Einschränkung betrifft die Abmessungen. Soll der Aktuator mit Standardteilen austauschbar sein, ist seine Montagegeometrie nicht frei wählbar. Normen wie ISO 6431 für Einstangenzylinder legen die Lochmuster für die Montage, die Gewinde am Stangenende und die Positionen der Anschlüsse im Bohrungsbereich von 32 bis 320 mm fest. Entspricht die Konstruktion der Norm, kann jeder geeignete Zylinder in die Baugruppe eingebaut werden. Entwirft man die Konstruktion hingegen freihändig, wird jeder Serviceeinsatz zu einer Sonderanfertigung.
Der Verteiler ändert die Baugruppe
Der Ansaugkrümmer ist entscheidend für die Wirtschaftlichkeit des Luftstroms. Die Anschlussgrößen müssen dem benötigten Cv-Wert der Aktuatoren entsprechen. Der Motorblock selbst muss so nah an den Aktuatoren sitzen, dass die Schlauchlänge den Druck nicht unnötig erhöht. Und das Material muss allen Einflüssen der Umgebung standhalten, sei es Kühlmittelnebel, Reinigungsspritzer, Umgebungswärme oder Vibrationen.
Die Modellierung des Krümmers als reales, bemaßtes Objekt (und nicht als Platzhalter) erzwingt diese Entscheidungen frühzeitig. Man erkennt, ob der Ventilblock mit einem nahegelegenen Rahmenteil kollidiert. Man sieht, ob die Auslasskanäle in einen Kabelbaum münden. Man sieht, ob die Befestigungspunkte auf einer ebenen Fläche oder einer ungünstigen Schweißnaht liegen. Nichts davon ist in einer schematischen Darstellung ersichtlich.
Die Gehäusenormen schränken die CAD-Geometrie ein
Ein Gehäuse für Magnetventile, Verteiler oder pneumatische Steuerungen muss vor äußeren Einflüssen schützen und oft auch eine kontrollierte Wärmeabfuhr ermöglichen. Das NEMA-Schutzsystem definiert, was „Schutz vor äußeren Einflüssen“ in einer bestimmten Umgebung bedeutet (Staub, tropfendes Öl, Wasserstrahl aus dem Schlauch, korrosive Atmosphären), und jede Schutzart hat direkte geometrische Auswirkungen auf das Modell.
Der Nutzen zeigt sich erst später.
Hauptsächlich im nachgelagerten Bereich. Wenn die Luftstromspezifikationen von Anfang an die Modellierung bestimmen, dauern die Gespräche mit dem Pneumatiklieferanten über die Ventilauslegung nur noch Minuten statt Tage. Die Rohrleitungen werden kürzer und gerader, da der Verteiler an der optimalen Position sitzt.
Die Zykluszeiten der Prototypen liegen nahe an den berechneten Werten, da der Druckabfall eingeplant und nicht geschätzt wurde. Das Gehäuse wird mit intakter Schutzart ausgeliefert, da jede Durchdringung vor dem Zuschnitt der ersten Platte hinsichtlich der Dichtungsgeometrie überprüft wurde.
Für all dies sind keine Spezialwerkzeuge erforderlich. Es genügt, wenn SCFM, Cv-Wert, Bohrung, Hub und Einlassklasse als zentrale Parameter im Modell gespeichert werden und nicht in einer separaten Tabelle, die erst bei der Inbetriebnahme geöffnet wird.
