Stromumkehrventile steuern Bewegen und Fixieren auf Luftgleittischen

SKVTechnik informiert:

In Fertigungs-, Montage- und Verpackungsprozessen müssen Pakete, Platten oder andere flächige Werkstücke häufig bewegt, ausgerichtet und anschließend an einer definierten Position gehalten werden. Mechanische Rollenbahnen, Hebezeuge oder manuelles Verschieben sind hierfür nicht in jeder Anwendung die technisch oder ergonomisch passende Lösung.

Luftgleittische nutzen einen kontrollierten Luftstrom, der durch Öffnungen oder geeignete Luftaustrittselemente in der Tischoberfläche austritt. Zwischen dem Tisch und dem darauf liegenden Werkstück entsteht ein Luftpolster. Dieses verringert die wirksame Reibung und erleichtert das Verschieben des Werkstücks.

Soll das Werkstück nach dem Positionieren nicht weiter gleiten, kann ein Stromumkehrventil die Luftführung verändern. Statt Druckluft unter die Auflagefläche zu fördern, wird am Arbeitspunkt Unterdruck erzeugt. Das Werkstück kann dadurch an der vorgesehenen Position fixiert werden.

Drei Prozesszustände mit einer Luftversorgung

Die Kombination aus Seitenkanalverdichter und geeignetem Stromumkehrventil ermöglicht je nach Ventilausführung mehrere Prozesszustände:

1. Blasen: Der Seitenkanalverdichter fördert Luft unter das Werkstück. Ein Luftpolster entsteht und erleichtert das Verschieben.
2. Saugen: Das Stromumkehrventil ändert die Luftführung. Am Arbeitspunkt entsteht Unterdruck, durch den das Werkstück auf der Tischfläche fixiert werden kann.
3. Neutral beziehungsweise Freigeben: Bei einer dafür vorgesehenen Ventilausführung wird die Saug- oder Druckwirkung am Arbeitsanschluss unterbrochen. Das Werkstück lässt sich kontrolliert freigeben.

Der Seitenkanalverdichter behält während des gesamten Ablaufs seine mechanische Drehrichtung bei. Das Stromumkehrventil verändert ausschließlich die internen Strömungswege.

Dadurch ist keine elektrische Drehrichtungsumkehr des Verdichtermotors notwendig. Dies erleichtert die Integration in automatisierte Handhabungs- und Bearbeitungsprozesse.

Luftpolster unterstützt das manuelle oder automatische Bewegen

Im Blasbetrieb strömt Luft durch die Tischoberfläche nach oben. Das Werkstück wird abhängig von Gewicht, Auflagefläche und Luftverteilung geringfügig angehoben beziehungsweise entlastet.

Dadurch kann sich die zwischen Werkstück und Tisch wirkende Reibung reduzieren. Große oder schwere flächige Produkte lassen sich mit geringerem Kraftaufwand verschieben, ausrichten oder an eine nachfolgende Station übergeben.

Typische Werkstücke können beispielsweise sein:

• Pakete und Kartons,
• Holz-, Kunststoff- oder Verbundplatten,
• Bleche und andere flächige Bauteile,
• Behälter mit ausreichend ebener Auflagefläche,
• Verpackungseinheiten,
• Werkstückträger,
• geeignete Montage- oder Transportplatten.

Ob ein Produkt tatsächlich auf einem Luftgleittisch bewegt werden kann, hängt von seiner Form, Masse, Oberfläche und Stabilität ab. Auch Undichtigkeiten zwischen Werkstück und Tisch sowie eine ungleichmäßige Lastverteilung beeinflussen den Prozess.

Umschalten auf Saugbetrieb zum Fixieren

Nach dem Verschieben muss das Werkstück häufig an einer bestimmten Position gehalten werden. Dies ist beispielsweise vor einer Bearbeitung, Prüfung, Kennzeichnung oder Übergabe erforderlich.

Das Stromumkehrventil schaltet die Luftführung hierzu vom Blasbetrieb auf Saugbetrieb um. Der Seitenkanalverdichter erzeugt nun Unterdruck an den wirksamen Öffnungen der Tischfläche. Das Werkstück wird gegen die Auflagefläche gezogen und kann dadurch fixiert werden.

Die tatsächlich erreichbare Haltekraft hängt nicht ausschließlich vom maximalen Vakuum des Seitenkanalverdichters ab. Wesentliche Einflussgrößen sind:

• wirksame Ansaugfläche,
• erreichbarer Unterdruck am Werkstück,
• Luftdurchlässigkeit des Werkstücks,
• Beschaffenheit und Ebenheit der Oberfläche,
• offene oder nicht abgedeckte Ansaugöffnungen,
• Leckagen an Dichtungen und Leitungen,
• Gewicht und Schwerpunkt des Werkstücks,
• seitlich wirkende Bearbeitungs- oder Prozesskräfte.

Bei porösen Materialien oder stark unebenen Oberflächen kann ein großer Leckluftstrom entstehen. In solchen Fällen muss der Seitenkanalverdichter ausreichend Volumenstrom bereitstellen, um trotz der Leckagen den benötigten Unterdruck am Werkstück aufrechtzuerhalten.

Kontrolliertes Freigeben nach dem Arbeitsschritt

Nach der Bearbeitung oder Positionierung muss die Fixierung wieder aufgehoben werden. Wird lediglich die Saugleitung geschlossen, kann ein Restunterdruck bestehen bleiben und das Ablösen verzögern.

Bei geeigneten Stromumkehrventilen kann deshalb zunächst eine neutrale beziehungsweise drucklose Stellung am Arbeitsanschluss genutzt werden. Dabei wird die Saugwirkung unterbrochen, sodass sich der Druck ausgleichen und das Werkstück kontrolliert lösen kann.

Abhängig vom Prozess kann anschließend kurzzeitig in den Blasbetrieb gewechselt werden. Der positive Luftstrom unterstützt dann das aktive Ablösen des Werkstücks und erzeugt erneut das für die Bewegung erforderliche Luftpolster.

Welche Schaltfolge sinnvoll ist, richtet sich nach Werkstück, Tischkonstruktion, Taktzeit und Sicherheitskonzept der Anlage.

Keine Drehrichtungsumkehr des Motors erforderlich

Ein Seitenkanalverdichter ist für eine festgelegte mechanische Drehrichtung ausgelegt. Eine elektrische Umkehr des Motors ist deshalb nicht das geeignete Verfahren, um zwischen Saug- und Druckbetrieb zu wechseln.

Das Stromumkehrventil wird zwischen Seitenkanalverdichter und Arbeitsprozess installiert. Es ändert die Zuordnung der Leitungswege, während Motor und Laufrad mit unveränderter Drehrichtung weiterlaufen.

Dies bietet mehrere Vorteile:

• kein mechanisches Abbremsen und erneutes Hochlaufen für jeden Wechsel,
• keine elektrische Drehrichtungsumschaltung des Motors,
• gezielte Steuerung der Luftwege,
• kurze Wechsel zwischen den Prozesszuständen,
• Einbindung in automatisierte Abläufe,
• Nutzung eines gemeinsamen Seitenkanalverdichters für Saug- und Druckfunktion.

Die erreichbare Umschaltzeit hängt von der Ventilbaureihe, der Ansteuerung, den Leitungsvolumina und der gesamten Anlage ab. Neben der reinen Ventilbewegung muss berücksichtigt werden, wie schnell sich Druck oder Unterdruck im angeschlossenen System tatsächlich auf- beziehungsweise abbaut.

Ventilfunktion passend zum Prozess auswählen

Stromumkehrventile sind in unterschiedlichen Ausführungen erhältlich. Die Auswahl darf nicht allein anhand der Anschlussgröße erfolgen.

Je nach Anwendung werden beispielsweise folgende Funktionen benötigt:

• vollständiger Saugbetrieb,
• vollständiger Druckbetrieb,
• Neutralstellung,
• teilweise Saug- oder Druckleistung,
• Umschalten zwischen verschiedenen Leitungswegen,
• magnetische oder pneumatische Ansteuerung,
• Ansteuerung über digitale Eingänge,
• feldbusbasierte Kommunikation.

Ein einfacher Prozess mit zwei klaren Betriebszuständen kann andere Anforderungen stellen als ein automatisierter Luftgleittisch, bei dem Blasleistung, Haltekraft und Druckausgleich in mehreren Stufen gesteuert werden sollen.

Die Baureihe VI6-34 bietet fünf voreingestellte Positionen: vollständige und teilweise Absaugung, Neutralstellung sowie teilweise und vollständige Druckbeaufschlagung. Der Antrieb erfolgt über einen Schrittmotor; die Ansteuerung kann über digitale Eingänge oder Modbus RTU erfolgen.

Ob diese Funktionen für den jeweiligen Luftgleittisch benötigt werden und welche aktuell lieferbare Ventilausführung geeignet ist, muss anhand der konkreten Prozessdaten geprüft werden.

Seitenkanalverdichter nach beiden Betriebszuständen auslegen

Für die Auslegung müssen sowohl der Blasbetrieb als auch der Saugbetrieb betrachtet werden. Der Seitenkanalverdichter muss in beiden Prozesszuständen einen zulässigen und ausreichenden Betriebspunkt erreichen.

Im Blasbetrieb sind insbesondere relevant:

• benötigter Luftvolumenstrom für das Luftpolster,
• Anzahl und Querschnitt der Austrittsöffnungen,
• Gewicht und Auflagefläche des Werkstücks,
• Druckverluste in Leitungen und Tisch,
• gewünschte Bewegungseigenschaften,
• Leckluft an den Seiten des Werkstücks.

Im Saugbetrieb sind unter anderem zu berücksichtigen:

• erforderliche Haltekraft,
• wirksame Ansaugfläche,
• zulässiger Unterdruck,
• Leckluftmenge,
• Porosität und Oberflächenstruktur,
• offene Ansaugöffnungen,
• auftretende Prozesskräfte.

Die Maximalwerte für Volumenstrom und Druck beziehungsweise Vakuum dürfen nicht gleichzeitig als verfügbarer Betriebspunkt angesetzt werden. Mit zunehmender Druckdifferenz sinkt der tatsächlich erreichbare Volumenstrom.

Die technische Auswahl muss daher anhand der Kennlinien des Seitenkanalverdichters für beide Betriebszustände erfolgen.

Tischfläche in steuerbare Zonen unterteilen

Bei großen Luftgleittischen kann es sinnvoll sein, die Tischfläche in mehrere steuerbare Bereiche zu unterteilen. Dadurch wird der Luftstrom nur dort eingesetzt, wo sich tatsächlich ein Werkstück befindet.

Nicht abgedeckte Öffnungen verursachen insbesondere im Saugbetrieb einen hohen Leckluftanteil. Dies kann den erreichbaren Unterdruck reduzieren und den Energiebedarf erhöhen.

Eine zonenweise Steuerung kann folgende Vorteile bieten:

• geringere Leckluft,
• gezieltere Fixierung,
• Anpassung an verschiedene Werkstückgrößen,
• effizientere Nutzung des Luftvolumenstroms,
• flexible Prozessgestaltung,
• bessere Kontrolle der Haltekraft.

Die Ausführung der Zonen, Ventile und Leitungen muss auf den vorgesehenen Prozess abgestimmt werden. Ein Stromumkehrventil ersetzt dabei nicht zwangsläufig zusätzliche Absperr- oder Zonenventile.

Leitungsführung beeinflusst das Umschaltverhalten

Zwischen Seitenkanalverdichter, Stromumkehrventil und Luftgleittisch befinden sich Leitungen mit einem bestimmten Innenvolumen. Bei jedem Umschalten müssen sich die vorhandenen Druckverhältnisse verändern.

Lange Leitungen, große Querschnitte und zusätzliche Behältervolumina können dazu führen, dass der gewünschte Druck- oder Unterdruckzustand am Arbeitspunkt verzögert erreicht wird.

Für schnelle Prozesswechsel sollten deshalb folgende Punkte geprüft werden:

• Einbauposition des Stromumkehrventils,
• Leitungslängen,
• Leitungsquerschnitte,
• unnötige Totvolumina,
• Druckverluste durch Bögen und Armaturen,
• Dichtheit der Verbindungen,
• erforderliche Druckausgleichszeiten,
• Position geeigneter Messstellen.

Die Ventilschaltzeit allein beschreibt nicht die vollständige Reaktionszeit der Anlage. Entscheidend ist, wann der benötigte Zustand tatsächlich am Werkstück anliegt.

Schutz des Seitenkanalverdichters

Der Seitenkanalverdichter darf weder im Saug- noch im Druckbetrieb außerhalb seines freigegebenen Kennlinienbereichs betrieben werden. Werden Öffnungen stark gedrosselt oder Werkstücke sehr dicht auf der Tischfläche fixiert, kann die Druckdifferenz deutlich ansteigen.

Je nach Anlagenkonzept können folgende Schutz- und Überwachungsmaßnahmen erforderlich sein:

• Druck- und Vakuumüberwachung,
• Sicherheits- oder Druckbegrenzungsventil,
• Motorschutz,
• Temperaturüberwachung,
• Ansaugfilter,
• Rückschlag- oder Absperrarmaturen,
• Überwachung der Ventilstellung,
• Freigabe der Maschinenbewegung erst nach erreichtem Sollzustand.

Die Anlagensteuerung sollte sicherstellen, dass Bearbeitungs- oder Transportbewegungen erst beginnen, wenn die erforderliche Fixierung nachweislich erreicht ist.

Technische Vorauswahl durch SKVTechnik

SKVTechnik unterstützt Anlagenbauer, Konstrukteure und Betreiber bei der technischen Vorauswahl geeigneter Stromumkehrventile und Seitenkanalverdichter für Luftgleittische.

Für die Vorauswahl werden insbesondere folgende Angaben benötigt:

• Hersteller und Typ des Seitenkanalverdichters,
• benötigter Volumenstrom,
• erforderlicher Druck und Unterdruck,
• Abmessungen und Aufbau des Luftgleittisches,
• Art, Gewicht und Abmessungen der Werkstücke,
• gewünschte Ventilstellungen,
• erforderliche Schaltfolge,
• Anschlussgrößen,
• vorgesehene Ansteuerung,
• Schalthäufigkeit und Taktzeit,
• Medium und Umgebungsbedingungen,
• Montageposition und Leitungsführung.

Die konkrete Produktauswahl erfolgt anhand der technischen Betriebsdaten und der aktuell verfügbaren Ventilausführungen. Nicht dokumentierte Kombinationen und Sonderanwendungen werden vor einer verbindlichen Empfehlung mit dem Hersteller abgestimmt.

Weitere Informationen zur Anwendung:
https://www.skvtechnik.de/umkehrventile/stromumkehrventile-fuer-luftgleittische/

Übersicht zu Stromumkehrventilen:
https://www.skvtechnik.de/umkehrventile/