Folgesteuerung über Druck- und Wegventile

Stell dir eine Vorrichtung vor, die ein Werkstück bearbeitet. Zylinder A spannt es ein, Zylinder B fährt mit dem Bohrwerkzeug zu, bohrt, zieht sich zurück, und erst dann öffnet die Spannung wieder. Vier Bewegungen, die in einer ganz bestimmten Reihenfolge ablaufen müssen. Würde B losfahren, bevor A gespannt hat, fliegt das Werkstück aus der Vorrichtung.

Eine Folgesteuerung sorgt dafür, dass diese Schritte zwangsläufig nacheinander ablaufen. Jeder Schritt meldet sein Ende, und diese Meldung startet den nächsten. Man spricht auch von einer Ablaufsteuerung, weil ein fester Ablauf abgearbeitet wird.

Der Unterschied zur Einzelbewegung ist die Verkettung. Bei einer Einzelbewegung betätigt der Bediener ein Ventil, der Zylinder fährt, fertig. Bei der Folgesteuerung gibt der Bediener nur den Startbefehl — den Rest erledigt die Anlage selbst, indem jeder abgeschlossene Schritt den folgenden auslöst.

Wichtig ist die Frage: Woran erkennt die Anlage überhaupt, dass ein Schritt fertig ist? Eine rein hydraulisch aufgebaute Folgesteuerung hat keine Sensoren und keine Logikbausteine. Sie nutzt zwei physikalische Größen, die sich während einer Bewegung ändern und am Schrittende einen eindeutigen Zustand erreichen.

Damit ein Schritt den nächsten auslösen kann, muss sein Ende eindeutig erkennbar sein. In der Hydraulik gibt es dafür zwei zuverlässige Auslösekriterien.

Das erste ist der Weg. Der Zylinder hat seine Endlage erreicht, die Kolbenstange ist vollständig aus- oder eingefahren. Diese Position lässt sich mechanisch abgreifen: Die Kolbenstange oder ein mitfahrendes Bauteil betätigt am Ende des Hubs ein Ventil. Solange der Zylinder noch fährt, ist das Ventil nicht betätigt — erst die Endlage schaltet es um. Das Wegkriterium eignet sich immer dann, wenn der Zylinder eine definierte Strecke zurücklegt und seine Endlage erreichen soll.

Das zweite Kriterium ist der Druck. Fährt ein Zylinder gegen einen Anschlag oder presst er ein Werkstück, kann er sich nicht weiter bewegen. Das Öl kann nicht mehr verdrängt werden, und der Druck in dieser Leitung steigt an. Dieser Druckanstieg ist das Signal: Der Zylinder hat seine Arbeit getan, etwa das Werkstück mit der gewünschten Kraft gespannt. Das Druckkriterium passt überall dort, wo nicht ein bestimmter Weg, sondern eine bestimmte Kraft das Ziel ist.

Welches Kriterium man wählt, hängt vom Schritt ab. Ein Vorschubzylinder, der bis zum Anschlag fahren soll, wird sinnvoll über den Weg abgefragt. Ein Spannzylinder, der mit definierter Kraft halten soll, über den Druck. Beide Kriterien lassen sich in einer Anlage mischen.

Beide Wege haben ihre Tücken. Beim Druckkriterium istdie Einstellung heikel: Wird der Schaltdruck zu niedrig gewählt, schaltet der Folgeschritt zu früh, womöglich bevor die volle Spannkraft anliegt. Schwankt der Systemdruck, kann es zu Fehlauslösungen kommen. Beim Wegkriterium muss das betätigte Ventil zuverlässig genau in der Endlage schalten und darf nicht durch Verschmutzung oder mechanisches Spiel verzögert auslösen.

Die konkreten Bauformen der Ventile, die hier zum Einsatz kommen, sind ein eigenes Thema. Hier genügt das Verständnis ihrer Aufgabe in der Kette.

Beim Wegkriterium übernimmt ein mechanisch betätigtes Wegeventil die Rolle des Schrittauslösers. Es sitzt am Ende der Bewegungsstrecke, und seine Betätigung erfolgt durch die Kolbenstange selbst oder durch ein mit ihr verbundenes Bauteil. Üblich ist eine Betätigung über einen Rollenhebel oder einen Stößel: Erreicht der Kolben die Endlage, drückt eine Anschlagfläche gegen die Rolle, das Ventil schaltet um. Ein so aufgebautes Ventil nennt man Rollenhebelventil.

In diesem umgeschalteten Zustand gibt das Ventil den Ölweg zum nächsten Zylinder frei. Solange die Endlage nicht erreicht ist, bleibt das Ventil in Ruhestellung und der Folgezylinder erhält kein Öl. So entsteht die Verkettung: Bewegung A läuft, A erreicht die Endlage, A betätigt das Wegeventil, das Wegeventil schaltet Öl auf Bewegung B.

Eine einfache Zwei-Zylinder-Wegfolge lässt sich so beschreiben: Der Bediener startet, Zylinder A fährt aus. Am Ende seines Hubs betätigt die Kolbenstange von A ein Rollenhebelventil. Dieses Ventil leitet das Öl weiter zu Zylinder B, der daraufhin ausfährt. B fährt nur, weil A vorher seine Endlage gemeldet hat — die Reihenfolge ist zwangsläufig.

Die folgende Skizze zeigt diese Anordnung schematisch.

Beim Druckkriterium übernimmt ein Druckfolgeventil den Schrittwechsel. Man kennt es auch als Zuschaltventil. Es bleibt geschlossen, solange der Druck in der überwachten Leitung unter einem eingestellten Wert liegt, und öffnet erst, wenn dieser Schaltdruck erreicht ist. Mit dem Öffnen gibt es den Weg zum nächsten Zylinder frei.

Der typische Anwendungsfall ist das Spannen. Zylinder A fährt gegen das Werkstück. Solange er sich noch bewegt, bleibt der Druck niedrig. Sobald er ansteht und das Werkstück presst, kann das Öl nicht weiter verdrängt werden, und der Druck steigt. Erreicht er den am Druckfolgeventil eingestellten Wert, öffnet das Ventil und gibt Öl auf Zylinder B frei. Damit ist sichergestellt, dass B erst dann startet, wenn A mit ausreichender Kraft spannt.

Die Einstellung des Schaltdrucks bestimmt also indirekt die Mindest-Spannkraft, die anliegen muss, bevor der nächste Schritt freigegeben wird. Dieser Zusammenhang ist rein über Druck, Kraft und Kolbenfläche beschreibbar.

Die Kraft, die ein Zylinder ausübt, ergibt sich aus dem Druck und der wirksamen Kolbenfläche:

Die Kolbenfläche eines Rundkolbens berechnet sich aus dem Durchmesser:

Setzt man den eingestellten Schaltdruck als Druck ein, erhält man die Spannkraft, die genau dann anliegt, wenn das Druckfolgeventil öffnet. So lässt sich der Schaltdruck gezielt auf eine gewünschte Mindest-Spannkraft auslegen.

Jetzt setzen wir die Schritte zu einem kompletten Ablauf zusammen. Als Beispiel dient die Spann-Bohr-Vorrichtung: Zylinder A spannt das Werkstück, Zylinder B führt das Bohrwerkzeug. Üblich ist die Schreibweise mit „+“ für ausfahren und „−“ für einfahren. Der vollständige Ablauf lautet:

A+ → B+ → B− → A−

Zuerst spannt A (A+). Das Druckfolgeventil erkennt am Druckanstieg, dass die Spannkraft anliegt, und gibt B frei. B fährt aus und bohrt (B+). Am unteren Hubende betätigt B ein Wegeventil, das die Rückbewegung einleitet (B−). Ist B wieder oben, betätigt es dort ein weiteres Wegeventil, das schließlich die Spannung löst (A−). Erst danach ist die Vorrichtung wieder frei für das nächste Werkstück.

Dieser Ablauf zeigt das typische Mischen der Kriterien: Der Wechsel von A+ auf B+ läuft über den Druck (Spannkraft muss anliegen), die Schritte rund um B über den Weg (Endlagen des Bohrhubs). Welcher Schritt über welches Kriterium ausgelöst wird, ergibt sich aus seiner Aufgabe.

Den Ablauf stellt man übersichtlich in einer Schritttabelle dar. Sie zeigt für jeden Schritt, was passiert und wodurch der nächste ausgelöst wird:

Eine genauere zeitliche Darstellung über ein Weg-Schritt- oder Weg-Zeit-Diagramm ist ein eigenes Thema der Funktionsdiagramme und wird dort ausführlich behandelt.

Geht ein Schritt schief — etwa weil ein Wegeventil klemmt oder der Schaltdruck neuerreicht wird — bleibt die Kette stehen. Der nächste Schritt bekommt keine Freigabe, und die Anlage verharrt im aktuellen Zustand. Das ist sicherheitstechnisch erwünscht: Lieber ein Stillstand als ein Folgeschritt unter falschen Bedingungen. Bei der Fehlersuche arbeitet man die Kette daher Schritt für Schritt ab und prüft, an welcher Stelle die Freigabe ausbleibt.

In der Praxis liest man eine solche Folgesteuerung aus ihrem hydraulischen Schaltplan. Die Bauteile sind dort nach ÖNORM ISO 1219 mit genormten Symbolen dargestellt — Zylinder, Wege- und Druckventile, Leitungen. Wer die Symbole und das Folgeprinzip kennt, erkennt im Plan, welcher Zylinder welchen Schritt auslöst und über welches Kriterium. Die genaue Symbolik des Schaltplans ist ein eigenes Thema; entscheidend ist hier, die Folge im Plan wiederzuerkennen.

Wo rein hydraulische Folgesteuerungen an Grenzen stoßen — bei vielen Schritten, Verzweigungen oder häufig wechselnden Abläufen — übernimmt heute oft eine elektrohydraulische Lösung mit Magnetventilen und einer übergeordneten Steuerung. Das Grundprinzip der Schrittverkettung bleibt aber dasselbe.