Wenn die Endmontage meterhoher Produkte manuelle Eingriffe erfordert, setzen Hersteller industrieller Geräte Arbeitsplattformen unterschiedlichster Art ein, um den Zugang zu den entsprechenden Arbeitsbereichen herzustellen. Diese Lösungen reichen von einfachen Trittleitern bis zu komplett ausgestatteten Roboteranlagen. Eine führende Position zwischen diesen Marktextremen besetzt das Unternehmen Spika Design & Manufacturing aus Lewistown im US-Bundesstaat Montana, seines Zeichens Anbieter handelsüblicher sowie individuell konstruierter Arbeitsbühnen. Spika beliefert Produktionsunternehmen der Automobil- sowie zivilen und militärischen Luftfahrtindustrie mit zuverlässigen, ergonomischen Plattformen für eine Vielzahl an Montage- und Wartungsarbeiten. Um diese Marktstellung zu behaupten, gilt es jedoch, die im Wandel befindlichen Kundenanforderungen genau zu beobachten.

„Sämtliche unserer Kunden benötigen auf die eine oder andere Weise eine Arbeitsbühne – sei es, um an die Bereiche eines großen Pick-ups zu gelangen oder die Triebwerksdüse eines Raketenantriebs zu warten“, erklärt Jeff Ruffner, Direktor Geschäftsentwicklung bei Spika. „Die Sicherheitsbeauftragten der Unternehmen verlangen eine bestmögliche Einhaltung sämtlicher Arbeitsschutzvorschriften. Die technischen Teams legen ebenfalls Wert auf Sicherheit, aber genauso wünschen sie sich eine maximale Höhenverstellbarkeit. Erschwerend kommt hinzu, dass unsere Kunden maßgeschneiderte, kostengünstige Lösungen mit immer kürzeren Lieferzeiten verlangen.“

Ein Schlüssel zur Erfüllung dieser Kundenanforderungen liegt bei Spika in der Wahl elektromechanischer Linearaktuatoren zum Heben und Senken der Arbeitsbühnen sowie der zugehörigen höhenverstellbaren Zugangstreppen. Unterstützt durch den Aktuatoren-Hersteller Thomson Industries führt das Spika-Konstruktionsteam tagtäglich den Nachweis, dass sich die Einhaltung von Sicherheitsvorschriften, Höhenverstellbarkeit, maßgeschneiderte Innovationen und kurze Lieferzeiten nicht gegenseitig ausschließen.

Herausforderung angenommen

Die meisten von Spika angebotenen Arbeitsbühnen sind 1 m breit und 3 bis 5 m lang. Angesichts dieser Maße ist es bezogen auf die Sicherheit und die Produktivität immanent wichtig, die Bühne jederzeit in Waage zu halten. Vor der Nutzung von Aktuatoren wurde die Höhenverstellbarkeit der Arbeitsbühnen mit Hilfe manueller Spindelhubgetriebe realisiert. Hierzu wurde die Arbeitsbühne zunächst an einer Seite bis zur gewünschten Höhe angehoben, dann wurde die Spindel auf der anderen Seite solange gedreht, bis die Bühne austariert war. Angesichts dieser offensichtlich ineffizienten Vorgehensweise testeten die Spika-Ingenieure alternative Lösungen.

„Wir probierten motor- und manuell per Kette betätigte Kugelgewindetriebe, aber diese erwiesen sich als zu umständlich“, erzählt Tom Spika, Unternehmensgründer und CEO. „Auch die in der Hebetechnik verbreiteten hydraulischen Systeme haben wir in Erwägung gezogen, stießen hier aber ebenfalls auf erhebliche Nachteile. Hierzu gehörten die Gefahr austretender Hydraulikflüssigkeit, ein schleichendes Absinken und vor allen die fehlende Möglichkeit, das System in Waage zu halten. Somit kristallisierten sich elektromechanische Aktuatoren als die zugleich wirtschaftlichste und effektivste Lösung heraus.“

Eine typische elektromechanische Konfiguration besteht aus vier Aktuatoren an einem Bühnensegment für eine Höhenverstellbarkeit von bis zu einem Meter, eine weitere aus zwei Aktuatoren an jeder Ecke, mit denen die Höhe um bis zu knapp zwei Metern angepasst werden kann. Genauso werden Aktuatoren zum Verstellen der neigungsvariablen Treppen genutzt, damit die Arbeiter einfach auf die justierte Höhe gelangen. Die Höhenverstellung von bis zu zwei Metern lässt sich über Tasten an der Plattform steuern.

Spika beliefert Produktionsunternehmen der Automobil- sowie zivilen und militärischen Luftfahrtindustrie mit ergonomischen Plattformen für eine Vielzahl an Montage- und Wartungsarbeiten.

Wenngleich eine erhebliche Verbesserung im Vergleich zu den Spindelhubstützen, erschien den Ingenieuren von Spika diese simple Anordnung von Aktuatoren als suboptimal. Schwankungen in Faktoren wie der Lastverteilung oder Bodenbeschaffenheit führten immer wieder zu schief stehenden Plattformen. Eine ungleich verteilte Last führte beispielsweise dazu, dass ein Aktuator ein paar Zentimeter schneller herauffährt als ein anderer, sodass neben einer etwas wackeligen Bewegung auch eine mechanische Belastung entstand.

Im Einklang

Um die Probleme der Gewichtsverteilung in den Griff zu bekommen und die Arbeitsbühne in Waage zu halten, montierten die Spika-Ingenieure elektromechanische Aktuatoren. Ursprünglich hatten sie eine frühe Generation selbst-synchronisierender Aktuatoren eingesetzt. Als die Kunden jedoch vermehrt größere Verstellbereiche bei höheren Lasten verlangten, suchten sie nach einer stabileren Lösung.

„Waren 600 mm Verstellweg in der Vergangenheit oft ausreichend, werden heute nicht selten zwei Meter oder sogar mehr verlangt“, erklärt Ruffner.

Angesichts steigender Kundennachfrage nach Arbeitsbühnen mit größerer Höhenverstellbarkeit suchte und fand Spika eine verbesserte Lösung in den elektrischen Linearaktuatoren bei Thomson Industries.

Die Umsetzung solcher Vorgaben verlangte nach schnelleren Aktuatoren mit einer höheren statischen Haltekraft. Nach Auswertung mehrerer Optionen kam das Spika-Team zu dem Ergebnis, dass der elektromechanische Aktuator Electrak® HD von Thomson die beste Lösung darstellt. Er bietet die notwendige Geschwindigkeit und Tragzahl, um den wechselnden und vermehrt ungleichmäßigen Lastbedingungen standzuhalten.

Mit einem Geschwindigkeitsvermögen von über 38 mm/s und Hublängen bis zu 1000 mm bieten Electrak HD Aktuatoren die benötigte ruckfreie Synchronisierung für die anspruchsvollen Anwendungen von Spika. Sämtliche Modelle dieser Produktreihe verfügen zudem über eine statische Tragzahl von bis zu 18 kN.

„Eine durchgängig hohe statische Tragzahl jedes einzelnen Aktuators ist extrem wichtig“, so Ruffner. „Die OSHA verlangt für alle Arbeitsbühnen Belastungstests mit einem vierfachen Sicherheitsfaktor. Mit der von Thomson durchgängig gebotenen Tragzahl von 18 kN sind wir sicher, den Testbereich für alle denkbaren Anwendungsfälle abgedeckt zu haben.“

Neben der Nachfrage nach mehr Verstell- und Belastbarkeit wünschten sich die Kunden von Spika kürzere Lieferzeiten. Auch hier kann Thomson helfen, indem die Aktuatoren innerhalb von zwei bis drei Wochen geliefert werden anstelle der in der Branche üblichen acht bis zwölf Wochen.

Eine smartere Lösung

Ihre Synchronisierungsfunktion verdanken die Aktuatoren von Thomson einem integrierten Mikrocontroller, mit dem die einzelnen Aktuatoren über einen gemeinsamen Schaltkreis kommunizieren. Die Aktuatoren benötigen lediglich jeweils zwei Leiter für die Verbindung zur Stromversorgung und zu den weiteren Aktuatoren im System. Anschließend kann jeder der Aktuatoren im Schaltkreis genutzt werden, um das System anzusteuern, wozu er über ein dreiadriges Niederstromkabel mit einem einfachen Schalter oder einem binären E/A-Punkt einer SPS verbunden wird.

Mittels integrierter Elektronik-Platine versorgen die elektromechanischen Thomson Electrak HD Linearaktuatoren die Spika-Arbeitsbühnen mit stoßfreier Synchronisierung.

In einer typischen Konfiguration bestimmen die Spika-Ingenieure einen Aktuator als Master, der den Bezugspunkt liefert, auf den sich alle übrigen Aktuatoren synchronisieren. Zudem bewegen sich alle Aktuatoren unabhängig von Laständerungen mit einer voreingestellten Geschwindigkeit. Wenn die Ansteuerung von der ganz eingefahrenen Stellung aus beginnt, folgt daraus eine stoßfreie, synchronisierte Bewegung, die asymmetrische und sogar wechselnde Lasten beherrscht.

„Insbesondere im Vergleich zu hydraulischen Systemen bieten uns die synchronisierten Thomson-Aktuatoren eine optimale Lösung für unsere Zwecke“, konstatiert Spika. „Mit den zusammengeschalteten Aktuatoren von Thomson bleiben unsere Bühnen unabhängig von der jeweiligen Lastverteilung stets in Waage. Mit Hydraulik wäre das nur schwer zu bewerkstelligen.“

Die Höhenverstellung bei schwereren Lasten erfordert schnellere Aktuatoren mit größerer statischer Haltekraft, um die Bühne in Waage zu halten. Thomson Electrak HD Aktuatoren bewältigen wechselnde und asymmetrische Lastbedingungen – dank Geschwindigkeit, Verstellkraft, Sicherheit und effizientem Betrieb.

Antwort auf die Herausforderungen des Marktes

Die Aktuator-Synchronisierung hat Spika ganz neue, innovative Möglichkeiten eröffnet, auf kundenseitige Herausforderungen zu reagieren. So benötigte zum Beispiel ein führender Flugzeugbauer eine Arbeitsbühne, die um die Nase eines Flugzeugs verläuft, wobei ein Ausleger zusätzliche 4,5 m von der Bühne herausragen musste. Für das Heben und Senken dieses Ausschubs von der Hauptbühne waren fünf Aktuatoren notwendig. Wenngleich der Ausschub von unten durch rollengeführte Träger gestützt wurde, bedeutete die Last des Ausschubs eine zusätzliche Belastung für die Aktuatoren.

In Fällen weit auskragender und asymmetrischer Lasten, wie bei dieser Arbeitsbühne für den Zugang zur Nase eines Flugzeugs, liegt der Schlüssel in der Synchronisierung der Aktuatoren. Damit entfällt die Notwendigkeit, zusätzliche Gegengewichte anzubringen, während die Aktuatoren eine verbesserte Systemfunktionalität gewährleisten.

„Synchronisierung ist für weit auskragende und asymmetrische Lasten wie diese extrem wertvoll“, erklärt Ruffner. „ In der Vergangenheit war es nicht unüblich, am gegenüberliegenden Ende der Bühne Gewichte anzuhängen, um solche auskragenden Konstruktionen auszubalancieren. Die elektronische Synchronisierung macht diese Art der Gegenballastierung für diese Art der Lasten jedoch überflüssig, da die synchronisierten Aktuatoren Geschwindigkeitsunterschiede erkennen und die einzelnen Aktuatoren so für ein optimales Systemverhalten ansteuern können.

„Unternehmen haben vermehrt die Ergonomie für ihre Arbeiter im Blick, da sich die damit verbundenen Kosten langfristig summieren“, fährt er fort. „Einer unserer Kunden aus dem Flugzeugbau sah sich gezwungen, seine Arbeitsbühnen und Ausschübe neu zu konstruieren, da viele Mitarbeiter über muskuläre Verletzungen klagten. Durch den Einsatz einer unserer Arbeitsbühnen, die mehrere sichere Zugangspunkte bietet, verbesserten sie die Gesundheit und Sicherheit ihrer Mitarbeiter, während sie zugleich Versicherungskosten einsparen konnten.“

Für die Kunden von Spika ist nichts wichtiger als die Sicherheit und Ergonomie am Arbeitsplatz. Im Fall dieser Montagestraße für Eisenbahnwaggons schützen die synchronisierten Thomson-Aktuatoren an der Arbeitsbühne die Arbeiter vor potenziellen Gefahrensituationen – und sparen zudem Versicherungskosten.

Nach Überzeugung der Spika-Ingenieure spielen Aktuatoren langfristig eine zentrale Rolle, wenn es darum geht, die Wünsche der Kunden umzusetzen. Während typische Konfigurationen heute 10 oder 12 Aktuatoren umfassen, gehen die Experten angesichts des zu erwartenden Preisverfalls davon aus, dass irgendwann deutlich mehr dieser Komponenten eingesetzt werden könnten – und weisen darauf hin, dass die Anzahl der synchronisierbaren Aktuatoren zumindest theoretisch unbegrenzt ist.

„Nachdem die technische Entwicklung von Aktuatoren uns in die Lage versetzt, neuen Herausforderungen an die Effizienz gerecht zu werden, erhalten wir immer mehr spezielle Anfragen“, erzählt Ruffner. „Ein Flugzeugbauer wünschte sich Ausschübe, die gleichzeitig ausfahren und beim Anheben der Arbeitsbühne der Kontur des Arbeitsobjekts folgen. Bei Erreichen von 50 Prozent dessen Höhe sollten die Ausschübe dann einfahren. Bei derartigen Aufgaben könnten wir auf die in den Electrak HD-Aktuatoren integrierte zusätzliche Intelligenz und Kommunikationsfunktionen zurückgreifen, um zum Beispiel eine speicherprogrammierbare Steuerung anzubinden und die Interaktionen über Servomotoren sowie Frequenzumrichter für komplexere Bewegungen anzusteuern.“

Ganz gleich, was die Zukunft industrieller Arbeitsbühnen bereithält: es ist mehr als wahrscheinlich, dass synchronisierte Aktuatoren eine zentrale Rolle übernehmen werden – und dass innovative Unternehmen wie Spika dieses Potential voll ausschöpfen werden, um ihren Kunden Lösungen mit noch mehr Sicherheit und Kosteneffizienz anzubieten.