Verbesserung der Arbeitsplatzergonomie durch intelligente elektrische Aktuatoren

Elektrische Linearaktuatoren liefern seit langem ergonomische Vorteile, indem sie Aufgaben automatisieren, die repetitiv, schmutzig oder gefährlich sind. Jüngst hat die Integration von Bordintelligenz in elektrische Aktuatoren ihren ergonomischen Beitrag auf ein neues Level gehoben. Intelligente Funktionen wie digitale Motorkontrolle, Positionsrückmeldung, Synchronisation und Echtzeitüberwachung machen es noch einfacher, Automatisierung zur Verbesserung von Arbeitskomfort, Sicherheit und Effizienz einzusetzen.

Digitale Motorkontrolle

Herkömmliche Aktuatoren hängen oft von großen, leistungsineffizienten Relais oder unabhängigen Controllern ab, um Aktuatoren auszufahren, einzufahren oder anzuhalten. Die Nutzung von Bordelektronik zur Leistungssteuerung kann den Strom an Schaltern oder Kontakten von 20 A auf unter 22 mA reduzieren, was ein einfacheres, kostengünstigeres Systemdesign ermöglicht. Bediener können den Aktuator über eine einfache Steuerung betreiben und die Richtung ändern.

Stellen Sie sich einen Arbeitsplatz vor, an dem Mitarbeiter Komponenten von über 100 Pfund handhaben und häufiges Greifen und Bücken erforderlich ist. Wenn ihr Arbeitstisch von Aktuatoren mit Niederspannungsschaltung gesteuert wird, könnte jeder Benutzer die Höhe auf ein Niveau einstellen, das minimales Bücken oder Strecken erfordert, was Ermüdung reduziert und gleichzeitig die Produktivität verbessert (Abbildung 1).

Während herkömmliche Aktuatorbaugruppen solche Einstellungen zulassen könnten, würden sie externe Motorschaltung erfordern, die mehr Strom verbraucht und manuell erfolgen muss. Durch elektronische Steuerung des Stromflusses ist die gesamte Schaltung im Aktuatorgehäuse eingebettet, was auch eine schlankere, sauberere Umgebung ohne externe Verkabelung schafft.

Die Automatisierung der Motorschaltung bietet auch Sicherheitsvorteile. Ein Aktuator zieht je nach Last zwischen 20 und 40 Ampere. Die Minimierung der Exposition gegenüber diesem Strom während Installation und Betrieb ermöglicht größere ergonomische Kontrolle und reduziert potenzielle Stromschlagrisiken durch hochstromige Relais.

Digitale Positionsrückmeldung

Intelligente elektrische Aktuatoren (Abbildung 2) ermöglichen nicht nur feine Positionseinstellungen, sondern liefern auch Echtzeit-Rückmeldung über den Umfang dieser Einstellungen. Sie können den Standort der Last über den gesamten Hub melden. Im Arbeitstisch-Beispiel aus Abbildung 1 könnten sie Daten zum Standort der Last erfassen und mit voreingestellten Parametern vergleichen, um einen konsistenten Betrieb sicherzustellen.

Zusammen mit der digitalen Positionsrückmeldung kommt die Fähigkeit, Geschwindigkeit zu messen und zu steuern. Angenommen, Sie automatisieren das Heben oder Senken einer schweren Tür, die eine bestimmte Maschine abschirmt oder eine Trennwand bildet. Der Mikrocontroller könnte Impulszahlen von einem Encoder empfangen und basierend auf der Anzahl der in einem festen Zeitintervall empfangenen Impulse Wegstrecke und Geschwindigkeit berechnen. Bleiben wir beim Beispiel der schweren Tür (Abbildung 3): Dies würde ermöglichen, die Geschwindigkeit so einzustellen, dass sie sich dem Ende des Hubs verlangsamt, um zu verhindern, dass die Tür zuschlägt, bevor der Bediener Zeit hat, den Durchgang zu räumen.

Analoge Positionsrückmeldung

Digitale Positionsrückmeldung ist eine der einfachsten Methoden zur Messung der Aktuatorgeschwindigkeit, aber sie ist nicht einfach zu programmieren, da sie die gemeldeten Positionen nach einem Stromausfall oder Abschalten nicht speichert. Intelligente Aktuatoren, die mit analogen Potentiometern ausgestattet sind, können jedoch exakte Positionsinformationen von Potentiometern im Aktuatorgetriebe empfangen, die Spannungssignale senden, die Anwender über Antriebsgeschwindigkeit und -richtung – vom Anfang bis zum Ende des Hubs – informieren. Sie merken sich diese Position, sodass bei Stromausfall kein Rückfahren in eine Home-Position und kein Zurücksetzen des Geräts notwendig ist.

Zuverlässiges Positionsgedächtnis ermöglicht die Entwicklung von Anwendungen, die ergonomische Einstellungen für jeden Benutzer speichern, sodass der Arbeitsplatz basierend auf Faktoren wie Körpergröße, gespeicherten Verfahren oder Benutzerpräferenzen auf mehrere Personen zugeschnitten werden kann.

Synchronisation

Die ergonomischen Vorteile intelligenter elektrischer Aktuatoren sind noch deutlicher, wenn mehrere Aktuatoren eingesetzt werden. Sie können Aktuatoren so einstellen, dass sie sich automatisch an verlagerte Lasten anpassen. Eine Flugzeugmontageanwendung, in der fünf oder zehn Arbeiter den Rumpf finalisieren, könnte sie beispielsweise mit einer Plattform unterstützen, die hoch über dem Boden angehoben werden muss.

Wenn sich Arbeiter auf der Plattform bewegen, verlagert sich das Gewicht auf verschiedene Teile der Plattform, was potenzielles Ungleichgewicht verursacht. Intelligente Aktuatoren an verschiedenen Punkten unter der Plattform (z. B. einer an jeder Ecke) könnten so eingestellt werden, dass sie sich während synchroner Aktuatorbewegung selbst anpassen, um die Lastverlagerung auszugleichen (Abbildung 4).

Anpassungen, die diese verlagerten Lasten ausgleichen, erfolgen sowohl mit Geschwindigkeitskontrolle als auch Positionsrückmeldung. Aktuatoren kommunizieren miteinander über ein internes Netzwerk, lesen gegenseitig ihre Geschwindigkeit basierend auf Positionsrückmeldung und justieren entsprechend.

Die Durchführung mit digitaler Rückmeldung führt jedoch zu einem ruckartigen Schritt, den Entwickler vermeiden können, indem sie sowohl Position als auch Geschwindigkeit in die Rückführschleife einbeziehen und diese basierend auf der Betätigungsgeschwindigkeit und der Position anpassen. Dies bietet einen ergonomischen Vorteil, der eine verlagert Last gleichmäßig von mehreren Punkten anhebt und dabei unhandliche Lasten wie Plattformen, Sitze und schwere Türen ausgleicht.

Die Steuerung mehrerer herkömmlicher Aktuatoren ist möglich, aber eine ungenaue, zeitaufwändige und arbeitsintensive Operation, die zusätzliche Belastung auf die Aktuatoren ausübt und schließlich zu Verkanten oder anderen Fehlfunktionen führt. Die Synchronisation intelligenter Aktuatoren eliminiert das Raten und führt zu einer ausgewogenen, sanften und präzisen Bewegung.

Echtzeitüberwachung

Intelligente elektrische Aktuatoren können laufende Überwachungsergebnisse für Temperatur, Strom, Geschwindigkeit, Spannung und andere Variablen liefern, was erweiterte Zustandsüberwachung, Diagnose und Fehlerbehandlung ermöglicht. Rückmeldung kann bis zu zehn Mal pro Sekunde erfolgen, da der Aktuator sich kontinuierlich selbst testet. Erkennt er ein Problem (z. B. Überschreitung eines Temperaturschwellenwerts), kann der Aktuator mittendrin stoppen oder seinen programmierten Hub beenden – vollständig eingefahren oder ausgefahren –, stoppen und innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde ein Fehlerflag an den Computer senden.

Solche Rückmeldungen ermöglichen es Nutzern, einen Schritt zurückzutreten und Muster in Nutzung, Geschwindigkeit und Position zu analysieren, um Abläufe benutzerfreundlicher, sicherer und effizienter zu gestalten. Dies ist besonders wertvoll in Fabrikautomatisierungsumgebungen, die mehrere Geräte integrieren (Abbildung 5). Gesammelte Daten könnten zeigen, wie oft ein Arbeitsplatz gehoben und gesenkt wurde oder wie oft eine Tür geöffnet und geschlossen wurde. Dies kann mit Betriebsverlauf oder Branchenbest Practices verglichen werden, um das Zellendesign zu verbessern.

Betriebsdaten könnten auch mit Verletzungsberichten kreuztabellarisch verknüpft werden, was auf die Notwendigkeit weiterer ergonomischer Analysen hinweisen kann. Wenn ein Aktuator, der ein Krimpwerkzeug positioniert, ständig Überlastungen meldet, könnte dies beispielsweise auf eine erhöhte Verletzungsrate hindeuten und identifizieren, in welcher Zelle dies geschieht, zu welcher Tageszeit und welche Schichten betroffen sein könnten.

Diversifizieren, um zu überleben

Die vielen in intelligente elektrische Aktuatoren integrierten Funktionen ermöglichen es Anwendern, eine Anwendung mit Designvereinfachung im Blick anzugehen. Die Fähigkeit, Aktuatoren digital zu steuern, digitale oder analoge Rückmeldung bereitzustellen, Mehrfach-Aktuator-Synchronisation zuzulassen oder Echtzeitüberwachung für Metriken hinzuzufügen, stellt die Werkzeuge bereit, um die Aufgabe in einem Paket zu erledigen. Jetzt können Anwender bei einer Anwendung eine Automatisierungslösung liefern, die über die Grundfunktionalität einer Hin- und Herbewegung hinausgeht.

Intelligente elektrische Aktuatoren bieten Plug-and-Play-Bewegung über mehrere Achsen automatisierter Prozesse ohne die Komplikationen anderer Automatisierungstechnologien wie hydraulische oder pneumatische Zylinder. Durch vorherige Prüfung der Anwendungsanforderungen mag der Anwender feststellen, dass die Fähigkeit des intelligenten Aktuators, Bewegung zu steuern, Position zu merken oder Anwendungsmetriken bereitzustellen, sich in einem Meer anderer Technologien differenziert.

Da Maschinenbauer und Endanwender gleichermaßen in die Zukunft blicken, werden ihre Automatisierungslösungen über die Grundfunktionalität hinausgehen und weiterhin einfachere Lösungen, längere Gerätelebensdauer und langfristige Sicherheit bieten.

Je intrinsischer diese Steuerungsfähigkeit in der Ausrüstung verankert ist, desto weniger steht sie zwischen dem Anwender und den ultimativen Vorteilen, die er erwartet. Der Nutzen zeigt sich in Mitarbeiterzufriedenheit, Sicherheit, Gesundheit und Produktivität – all das kommt jedem in der Wertschöpfungskette zugute.

Dieser Artikel wurde von Chris Diak, Automation Product Sales Manager bei Motion Industries (Birmingham, AL) und Travis Gilmer, Product Line Specialist – Linear Actuators bei Thomson Industries (Radford, VA), verfasst.