Totzonenanalyse bei der Reibungskompensation pneumatischer Zylinder

Die Reibungstotzone eines Pneumatikzylinders ist das gemessene Eingangsintervall, innerhalb dessen eine Antriebsachse unterhalb einer festgelegten Bewegungsschwelle bleibt. Haftreibung kann dieses Intervall verursachen; Ventilüberdeckung, Druckaufbau, Last, Sensorauflösung und Steuerungslogik können jedoch ebenfalls dazu beitragen. Die Totzone ist daher als Prüfgrenze zu behandeln. Eine Prozentangabe ist nur aussagekräftig, wenn geprüfte Eingangs- und Ausgangsgröße, Spanne, Richtung und Schwelle benannt sind.

Zuerst müssen die Messgrenzen feststehen.

Wichtigste Erkenntnisse

• In einer Zylinderstudie aus dem Jahr 2020 wurden 2 Kammerdrücke alle 0,1 ms synchron mit der Position erfasst und jede Bedingung 45-mal wiederholt.
• Die Losbrechreibung muss aus beiden Kammerdrücken und den wirksamen Kolbenflächen berechnet werden.
• Eine Kompensation gilt nur dann als bestanden, wenn sie die richtungsabhängigen Schwellen verringert, ohne Kriechen, Regelschwingen, Stöße oder unsichere Kräfte zu verursachen.

Dieser Leitfaden behandelt die Totzone zunächst als Messproblem und erst danach als Abstimmungsproblem. Er trennt Ventil-, Pneumatik-, Mechanik-, Sensor- und Reglerebene, damit ein zur Überwindung der Dichtungsreibung vorgesehener Offset nicht einen schwergängigen Schieber, eine Querlast, verzögerten Druckaufbau oder eine verrauschte Positionsschwelle verdeckt.

Was bedeutet Totzone bei einer Pneumatikzylinderachse?

Emerson weist im Regelventil-Handbuch von 2023 darauf hin, dass viele Regeleingriffe 1 % der Eingangsspanne oder weniger betragen. Ein inaktives Eingangsintervall ist daher betrieblich relevant. Bei einer Zylinderachse müssen Eingangs- und Ausgangsgröße jedoch festgelegt werden, bevor derselbe Begriff quantitativ verwendet werden kann (Emerson-Handbuch für Regelventile, 2023).

Als Eingang kommen beispielsweise SPS-Zählwerte, Ventil-Befehlsspannung, Solldruck oder Sollposition infrage. Die beobachtete Ausgangsgröße kann Schieberposition, Massenstrom, Kammerdruck, Kolbengeschwindigkeit oder Lastposition sein. Beide Größen sind ausdrücklich zu benennen. Jedes Paar ergibt eine andere Messgrenze. Totzone ist nicht automatisch mit Hysterese gleichzusetzen. Die Totzone beschreibt ein Eingangsintervall, das durchlaufen wird, bevor die gewählte Ausgangsgröße reagiert. Hysterese vergleicht dagegen die Ausgänge auf ansteigendem und abfallendem Pfad bei demselben Eingang. Totzeit ist eine zeitliche Verzögerung. Auflösung bezeichnet die kleinste erkennbare Änderung. Werden diese Größen vermischt, lassen sich Kompensationsverstärkungen nicht belastbar begründen.

Messung	Eingang	Beobachtete Ausgangsgröße	Im Ergebnis enthalten
Totzone vom Befehl zum Schieber	Elektrischer Ventilbefehl	Schieberrückmeldung	Treiber, Magnetik, Schieberüberdeckung, Ventilreibung
Totzone vom Befehl zum Druck	Elektrischer Befehl	Kammerdruck	Ventilverhalten, Versorgung, Verschlauchung, Kammervolumen, Leckage
Totzone vom Befehl zur Bewegung	Reglerausgang	Kolben- oder Lastbewegung	Ventil, Druckaufbau, Reibung, Last, Sensorschwelle
Kraft-Bewegungs-Schwelle	Pneumatische Nettokraft	Erste anhaltende Bewegung	Zylinder- und Führungsreibung sowie äußere Widerstandskräfte

Die Frage „Zwischen welcher Eingangs- und Ausgangsgröße, bei welcher Last und mit welcher Bewegungsschwelle wurde das inaktive Intervall gemessen?“ ist hilfreicher als die Frage, wie viel Totzone ein Zylinder besitzt.

Warum unterscheidet sich die Zylinderreibung von der Ventiltotzone?

SMC nennt für die elektropneumatischen Reglerfamilien ITV1100/2100/3100 eine Hysterese von 0,5 % des Skalenendwerts und eine Empfindlichkeit von ±0,2 % des Skalenendwerts. Dabei handelt es sich um Druckregelspezifikationen auf Bauteilebene, nicht um Garantien für die Zylinderposition. Bei einer vollständigen Achse kommen Schlauchvolumen, zwei Kammerdrücke, Kolbenflächen, Dichtungen, Führungen, Last, Rückführung und Reglerzyklus hinzu (SMC ITV, abgerufen 2026).

Diese Unterscheidung ist für die Fehlersuche entscheidend. Ein Befehl kann sich ändern, ohne dass sich der Schieber bewegt. Eine Schieberbewegung kann wiederum zu wenig Durchfluss erzeugen, um den Kammerdruck zu verändern. Der Druck kann sich ändern, ohne dass die Nettokolbenkraft die Widerstandslast überwindet. Ebenso kann die Nettokraft steigen, während der Positionssensor noch keine Bewegung meldet.

Eine ausführliche Definition auf Ventilebene enthält der separate Leitfaden zu Totzone und Regelgenauigkeit von Proportionalventilen. Dieser Artikel konzentriert sich auf die Reibung an der Grenze zwischen Zylinder und eingebauter Achse.

Wie erzeugt Haftreibung eine Bewegungsschwelle?

Bei Versuchen mit einem doppeltwirkenden Zylinder im Jahr 2020 verwendeten Forschende 3 Versorgungsdrücke von 200, 400 und 500 kPa und wiederholten jede Bedingung 45-mal. Die Bewegung setzte ein, als die Druckkräfte auf den beiden Kolbenflächen die Haftreibung überwanden. Dies zeigt, warum sich die Losbrechkraft nicht aus einer einzelnen Versorgungsdruckanzeige bestimmen lässt (Experimental Techniques, 2020).

Für das Ausfahren gelten Manometerdrücke mit demselben Atmosphärendruck als Referenz:

Dabei ist $p_{A,g}$ der Manometerdruck auf der Kolbenbodenseite, $p_{B,g}$ der Manometerdruck auf der Kolbenstangenseite, $A_A$ die volle Kolbenfläche und $A_B$ die kolbenstangenseitige Ringfläche. Beim Einsetzen einer anhaltenden Ausfahrbewegung und noch vernachlässigbarer Beschleunigung lässt sich die entgegenwirkende Haftreibung folgendermaßen abschätzen:

Der äußere Widerstand $F_{L,+}$ umfasst die angegebene Last, die Gewichtskraftkomponente, den Führungswiderstand, Kabel- oder Schlauchkräfte und alle weiteren bekannten Kräfte, die dem Ausfahren entgegenwirken. Beim Einfahren kehren sich die Druck-Flächen-Terme um:

Beim Beginn des Einfahrens ergibt sich die Abschätzung $F_{s,-}\approx F_{p,-}-F_{L,-}$. Es darf nicht angenommen werden, dass beide Richtungen übereinstimmen. Kolbenstangenseitige Fläche, Dichtungsgeometrie, Querlast, Gewichtskraft, Führungsvorspannung und angeschlossene Versorgungsleitungen können jeweils Asymmetrien verursachen.

Die Losbrechkraft ist die Nettokraft des Antriebs beim festgelegten Beginn einer anhaltenden Bewegung. Die Richtung ist maßgeblich. Es handelt sich um ein Prüfergebnis für eine bestimmte Richtung und Bedingung, nicht um einen festen Prozentsatz der theoretischen Zylinderkraft. Haftreibung ist außerdem kein fester Koeffizient, der mit einer einzigen bekannten Normalkraft multipliziert werden kann. Pneumatikdichtungen verformen sich unter Druck, Schmierfilme ändern sich mit Bewegung und Stillstandszeit, und Führungs- oder Ausrichtkräfte können über den Hub variieren. In der Haftgleitstudie von 2026 wurde die Stillstandszeit ausdrücklich in die Reibungsformulierung aufgenommen, weil sich die Wiederanfahrspitze mit der Haftdauer veränderte (Actuators, 2026). Läuft ein Zylinder unbelastet gleichmäßig, klemmt aber nach der Montage des Werkzeugs, sind Führung und Ausrichtung zu prüfen, bevor die Kompensation erhöht wird. Der Leitfaden zu Querlasten erläutert, warum ein Regeloffset keine externe Führung ersetzen kann.

Welche Signale sollten gemessen werden?

Bei der Untersuchung von 2020 wurden 2 Drucksensoren 5 cm von den Kammern entfernt angebracht, die Position mit einem Encoder mit 85 µm Auflösungsvermögen gemessen, die Kanäle alle 0,1 ms synchron abgetastet und jede Bedingung 45-mal wiederholt. Diese Einstellungen sind studienspezifisch; die synchronisierte Signalauswahl ist jedoch übertragbar (Experimental Techniques, 2020).

Zu erfassen ist die kürzeste Signalkette, mit der sich der Fehler eingrenzen lässt:

1. Positionssollwert und Reglerausgang. Technische Einheiten und Rohzählwerte sind beizubehalten.
2. Ventilbefehl und tatsächlicher Strom. Die Stromrückmeldung zeigt, ob Treiber und Spule dem Softwareausgang gefolgt sind, einschließlich des Zeitpunkts der Richtungsumkehr.
3. Schieberrückmeldung, Druck oder Durchfluss, sofern verfügbar. Es ist die Variable zu wählen, die dem vermuteten Ventilfehler am nächsten liegt. Ihr ursprünglicher Messbereich sollte erhalten bleiben, anstatt jedes Signal in Prozent umzurechnen.
4. Beide Zylinderkammerdrücke. Aus einem einzigen Verlauf kann die Druck-Flächen-Kraft eines doppeltwirkenden Zylinders nicht bestimmt werden.
5. Lastposition und abgeleitete Geschwindigkeit. Positionsbezug, Filter, Differenzierverfahren, Erkennungsschwelle und Zeitausrichtung sind zu dokumentieren. Der ungefilterte Kanal ist für die spätere Prüfung aufzubewahren.
6. Betriebsbedingungen. Mindestens Versorgungsdruck, Nutzlast, Einbaulage und Temperatur sind zu protokollieren. Wenn sich diese Größen während der Prüfung ändern, kommen Reglerausgangsdruck, Ventilzustand, Drosseleinstellungen, Zyklusverlauf, Stillstandszeit und Hubposition hinzu.

Die Abtastrate muss das kürzeste relevante Ereignis mit ausreichender Reserve auflösen. Ein Datenlogger mit 100 Hz kann für eine langsame Inbetriebnahmerampe genügen, schnelle Änderungen des Ventilstroms jedoch übersehen. Eine höhere Abtastrate behebt weder eine lange Messleitung zum Drucksensor noch unsynchronisierte Takte, eine verrauschte Differenzierung oder einen an einer nachgiebigen Halterung montierten Positionsaufnehmer. Auch die Bewegungserkennung benötigt eine Regel. Eine praktische Definition erkennt Bewegung, wenn der Weg $x_{\mathrm{det}}$ überschreitet und für die Haltezeit $t_{\mathrm{hold}}$ darüber bleibt. Beide Werte müssen veröffentlicht werden. Andernfalls kann eine geänderte Softwarefilterung wie eine veränderte Totzone erscheinen, obwohl sich die Mechanik nicht geändert hat.

Wie wird die Totzone der Achse berechnet?

Bei einer Prüfbedingung der Studie von 2020 betrug die gemessene Verzögerung vom Befehl bis zur Bewegung 0,026 s bei 400 und 500 kPa sowie 0,029 s bei 200 kPa. Dies sind Zeitverzögerungen dieses Prüfstands, keine Totzonenprozentsätze. Sie verdeutlichen, warum die inaktive Befehlsbreite und die verstrichene Reaktionszeit getrennt berechnet und angegeben werden müssen (Experimental Techniques, 2020).

Es wird eine langsame positive und negative Befehlsrampe gefahren, während die festgelegte Ausgangsgröße aufgezeichnet wird. Die ursprünglichen Einheiten bleiben erhalten. $u_{\mathrm{move},+}$ bezeichnet den Befehl in positiver Richtung bei der ersten anhaltenden Bewegung, $u_{\mathrm{move},-}$ die Schwelle in negativer Richtung. Die Breite des zentralen inaktiven Befehlsbereichs lautet:

Ist ein normierter Wert tatsächlich hilfreich, muss die geprüfte Eingangsspanne angegeben werden:

Dieser Prozentsatz gehört zu genau dieser Eingangsskalierung und Erkennungsregel. Daraus darf niemals ein Hubfehler abgeleitet werden. Ein Regler kann den inaktiven Bereich durch Integration überwinden, innerhalb eines Toleranzfensters einschwingen oder zwischen den Schwellen oszillieren. Zusätzlich ist die Druck-Flächen-Losbrechkraft in jeder Richtung exakt beim Bewegungsbeginn zu berechnen. Der Vergleich von $D_u$ mit $F_{s,+}$ und $F_{s,-}$ trennt zwei Veränderungen, die sonst gleich aussehen:

Prüfergebnis	Wahrscheinliche Interpretation
Befehlsschwelle ändert sich, Losbrechkraft bleibt ähnlich	Ventil, Elektronik, Skalierung oder Druckaufbau haben sich geändert
Losbrechkraft steigt in einer Richtung	Ausrichtung, Führungslast, Dichtungszustand, Gewichtskraft oder angeschlossene Versorgungsleitungen haben sich geändert
Beide Schwellen driften nach langer Stillstandszeit	Dichtungs-/Schmierungszustand oder stillstandszeitabhängige Reibung können beteiligt sein
Druck schwingt vor jedem Losgleiten	Kompressibilität und Ventildurchfluss wirken mit der Reibung zusammen
Position bewegt sich, aber der Detektor bleibt inaktiv	Sensorschwelle, Filterung, Umkehrspiel oder Montage verdecken die Bewegung

Rechenbeispiel: Befehlsschwellen vor und nach der Kompensation vergleichen

Angenommen, eine Achse arbeitet mit einem Befehl von -10 bis +10 V. Die Spanne muss ausdrücklich angegeben und dokumentiert werden. Die anhaltende Bewegung in positiver Richtung beginnt bei $u_{\mathrm{move},+}={0.8}\ \mathrm{V}$, die negative Bewegung bei $u_{\mathrm{move},-}=-{0.6}\ \mathrm{V}$. Die gemessene zentrale Breite beträgt:

Bezogen auf die angegebene Spanne von 20 V:

Diese Eingaben dienen nur zur Veranschaulichung und sind keine Zylinderspezifikation. Ändert die Kompensation die Schwellen auf +0,3 V und -0,2 V, sinkt die Breite auf 0,5 V beziehungsweise 2,5 % derselben Spanne. Die Änderung darf nur akzeptiert werden, wenn unabhängige Zyklen zugleich stabiles Einschwingen, eine zulässige Spitzenkraft und weder Kriechen noch Rattern oder Stoß zeigen.

Befehlstotzone und Losbrechkraft sind komplementäre Messgrößen. Wird nur eine davon verfolgt, bleibt unklar, ob die Kompensation den Eingangspfad korrigiert oder lediglich mit höherer Kraft gegen ein mechanisches Problem arbeitet.

Reibungsmodelle und Kompensationsverfahren

Canudas de Wit und Kollegen führten 1995 ein Reibungsmodell mit einem Zustand ein, das die mittlere Borstenauslenkung, Verschiebung vor dem Gleiten, den Stribeck-Effekt und die Hysterese abbildet. Eine Studie zur pneumatischen Positionierung aus dem Jahr 2018 wandte anschließend eine LuGre-basierte Reibungskompensation auf eine servopneumatische Achse an (IEEE, 1995; Journal of Mechanical Engineering, 2018).

Reibungskompensation ist ein begrenzter Reglerterm oder eine geschätzte Störgröße, mit der einer identifizierten Reibungswirkung entgegengewirkt wird. Sie ist keine Erlaubnis, die Kraft so lange zu erhöhen, bis sich eine mechanisch verspannte Achse bewegt.

Die Modellkomplexität muss sich nach der Bewegungsanforderung und den verfügbaren Messgrößen richten.

Verfahren	Abgebildeter Effekt	Geeignete Anwendung	Hauptrisiko
Richtungsabhängiger Offset	Getrennte positive und negative Losbrechbefehle	Reproduzierbare Hardware, mäßige Genauigkeit, langsame Änderungen	Überkompensation nach Reibungsänderungen
Coulomb-plus-viskoses Modell	Richtungsabhängiger konstanter Term plus Geschwindigkeitsterm	Bewegung außerhalb des Geschwindigkeitsnullpunkts	Unzureichendes Verhalten vor dem Gleiten und bei Umkehr
Stribeck-Kurve	Höhere Reibung bei niedriger Geschwindigkeit, die zur Coulomb-Reibung abfällt	Vorsteuerung bei niedriger Geschwindigkeit mit identifizierten Daten	Empfindlich gegenüber der Geschwindigkeitsschätzung nahe null
LuGre- oder erweitertes Modell	Zustand vor dem Gleiten, Stribeck-Verhalten, Hysterese	Servoachsen mit Ressourcen für Identifikation und Validierung	Mehr Parameter sowie Aufwand für Zustandsschätzung und Abstimmung
Störgrößenbeobachter	Online-Schätzung der kombinierten, nicht modellierten Kraft	Systeme mit zuverlässigem Dynamikmodell und Rückführung	Kann Laständerungen mit Reibung verwechseln
Dither	Kleiner Wechselbefehl zur Vermeidung des Haftens	Nur wenn Ventil, Mechanik, Geräusch, Verschleiß und Sicherheit dies zulassen	Wärme, Schwingung, Verschleiß, hörbares Geräusch, unerwünschte Bewegung

Ein verbreitetes statisches Modell lautet:

In diesem Modell ist $F_s$ das identifizierte Haftreibungsniveau, $F_c$ das Coulomb-Niveau, $v_s$ die Stribeck-Geschwindigkeitsskala, $\alpha$ ein Formexponent und $\sigma$ der viskose Koeffizient. Durch die Vorzeichenfunktion ist die Gleichung bei null unstetig, sofern die Implementierung keine Übergangsregel ergänzt. Die Parameter sind an der tatsächlichen Achse zu identifizieren und dürfen nicht von einer anderen Dichtung, Bohrung, einem anderen Schmierstoff, einer anderen Last oder Temperatur übernommen werden.

In einer beobachterbasierten Pneumatikstudie wurden ein innerer Druckregelkreis, ein äußerer Positionsregelkreis, ein Reibungsbeobachter und ein Geschwindigkeitsbeobachter verwendet. Der Solldruck wurde anschließend anhand der geschätzten Reibungskraft angepasst (JSME, 2009). Diese Architektur zeigt, warum die Kompensation in einer definierten Regelungsebene eingreifen muss und nicht als unerklärter Sprung des SPS-Ausgangs.

Wie sollte die Kompensation in Betrieb genommen werden?

Forschende verglichen 2026 3 Pneumatikzylinder und erfassten Position, Geschwindigkeit, 2 Kammerdrücke sowie die abgeleitete Reibung bei Änderungen von Durchfluss, Versorgungsdruck, Last und Ausgangsposition. Die Kopplung auf Systemebene und nicht eine ausschließlich geschwindigkeitsabhängige Reibung bestimmte das wiederholte Haften und Gleiten (Actuators, 2026).

Die Kompensation wird in kontrollierten Stufen in Betrieb genommen:

1. Plausible Mechanik herstellen. Ausrichtung, Führungen, Querlast, Endanschläge, Dichtungen und Schmiervorgaben sind zu prüfen, bevor Reglerverstärkungen verändert werden.
2. Pneumatische Versorgung stabilisieren. Dynamischer Versorgungsdruck und beide Kammerdrücke werden aufgezeichnet. Schlauchführung, Abluftdrosselung und Abluftgegendruck sind bei bewegter realer Nutzlast zu bestätigen.
3. Sensorik validieren. Polarität, Skalierung, Nullpunkt, Montagesteifigkeit, Rauschen, Zeitausrichtung und Bewegungsdetektor sind zu prüfen. Ein an eine lockere Encoderhalterung angepasster Offset ist keine Reibungskompensation.
4. Ausgangszustand erfassen. Langsame bidirektionale Rampen werden mit wiederholten Haltephasen gefahren.
5. Das einfachste ausreichende Modell wählen. Richtungsabhängige Losbrechglieder können für reproduzierbare Hardware genügen. Geschwindigkeitsabhängigkeit oder dynamische Zustände sind nur zu ergänzen, wenn die Residuen über unabhängige Zyklen weiterhin eine erkennbare Struktur besitzen.
6. Jeden zusätzlichen Term begrenzen. Ausgangs- und Änderungsratenbegrenzungen, Integratorführung, Umkehrlogik und ein sicheres Rückfallverhalten bei ungültigem Druck- oder Positionssignal sind festzulegen.
7. Außerhalb des Identifikationszyklus erneut prüfen. Zuerst wird die Stillstandszeit verändert. Danach sind Richtung, Hubposition, Nutzlast, Versorgungsdruck, Geschwindigkeit und der freigegebene Temperaturbereich abzudecken, ohne die Parameter zwischen jedem Lauf neu zu identifizieren.

Die Regelungseffekte der Luftkompressibilität sind vom Reibungsmodell getrennt zu betrachten. Gespeicherte Energie bleibt relevant. Während der Kolben haftet, kann der Druck weiter steigen und beim Losgleiten pneumatische Energie freisetzen. Wird ein Reibungsoffset erhöht, ohne diese Energie zu untersuchen, kann die erste Bewegung härter ausfallen.

Fehlermuster, die eine Kompensation nicht beheben kann

Forschende beobachteten 2026 bei 3 Zylindern Haftgleiten und variierten dabei Luftdurchfluss, Versorgungsdruck, äußere Last und Kolbenausgangsposition. Diese Prüfmatrix spricht gegen einen universellen Korrekturwert: Ähnliche ruckartige Bewegungen können aus unterschiedlichen Kombinationen von Druckaufbau, Ventildurchfluss, Kammervolumen, Reibung und Last entstehen (Actuators, 2026).

Verlaufsmuster	Wahrscheinlicher Pfad	Maßnahme vor einer erneuten Abstimmung
Reglerausgang ist konstant oder begrenzt	SPS-Skalierung, Totzone, Grenzwert oder Verriegelung	Befehlserzeugung und Ausgangsbegrenzungen prüfen
Strom ändert sich, Schieber oder Durchfluss jedoch nicht	Ventiltreiber, Spule, Schieberüberdeckung, Verunreinigung	Eingangs- und Ausgangsgrößen auf Ventilebene prüfen
Druck steigt in beiden Richtungen langsam	Zu kleines Ventil/zu kleine Leitung, Versorgungseinbruch, Leckage, großes Volumen	Dynamischen Druck und Strömungspfad prüfen
Eine Richtung erfordert deutlich mehr Losbrechkraft	Querlast, Führungsvorspannung, Gewichtskraft, Dichtungsasymmetrie	Mechanik korrigieren und richtungsabhängige Kräfte berechnen
Losbrechkraft ändert sich mit der Hubposition	Zylinderrohr, Führung, Ausrichtung, angeschlossener Schlauch/angeschlossenes Kabel	Reibung über den gesamten Arbeitshub erfassen
Regelmäßige Druckrampen gehen plötzlichem Losgleiten voraus	Kompressibilität und Durchfluss wirken mit Reibung zusammen	Abluftdrosselung und Stabilität bei niedriger Geschwindigkeit prüfen
Kompensation verursacht wechselnde Korrekturen	Zu hohe Verstärkung, zu großer Offset, Verzögerung oder Integrator-Windup	Begrenzte Terme reduzieren und Reglerzyklus prüfen
Reibung steigt nach Stillstand	Stillstandszeitabhängiges Dichtungs- oder Schmierverhalten	Stillstandszeit in Identifikation und Abnahme einbeziehen

Abluftdrosseleinstellungen können Bewegungen bei niedriger Geschwindigkeit stabilisieren; eine übermäßige Abluftdrosselung erhöht jedoch den Gegendruck und verändert die verfügbare Kraft. Der Leitfaden zur Geschwindigkeitsregelung durch Abluftdrosselung behandelt diese pneumatische Ebene. Bei wiederholten Sprüngen mit niedriger Geschwindigkeit ist der Verlauf mit der speziellen Haftgleitanalyse zu vergleichen. Eine Kompensation darf niemals dazu dienen, eine mechanische Klemmung mit Gewalt zu überwinden. Dadurch würde ein erkennbares Wartungsproblem lediglich in höhere Belastungen von Dichtung, Lager, Führung oder Werkzeug umgewandelt. Ebenso hat ein Regler die Gesamtachse nicht verbessert, wenn er zwar den Positionsendfehler verringert, zugleich aber Aufprallgeschwindigkeit oder Spitzenkraft erhöht.

Ein praxisgerechtes Validierungsprotokoll

ISO 19973-3:2015 behandelt die Zuverlässigkeit von Pneumatikzylindern anhand von Zyklen oder Kilometern und legt Prüf- und Berichtsverfahren für Zylinder mit Kolbenstange fest. Die Norm gibt kein allgemeingültiges Prüfintervall von 6 Monaten oder 1 Million Zyklen für die Totzone vor. Das Risiko bestimmt das Intervall. Wartungs- und Revalidierungshäufigkeit müssen sich nach der beobachteten Drift, den Zylinderdaten und dem Lastprofil der Maschine richten (ISO, 2015).

Es sind genügend Informationen aufzuzeichnen, damit eine andere Fachkraft das Ergebnis reproduzieren kann:

• Zylinder mit Hersteller, Modell, Bohrung, Kolbenstangendurchmesser, Hub, Befestigung, Führung und Dichtungsoption identifizieren;
• Ventil- und Treibermodelle sowie die ursprüngliche Befehlsskalierung festhalten;
• Nutzlast, Einbaulage, äußere Kräfte, Werkzeug, angeschlossene Schläuche oder Kabel und jede geprüfte Hubposition beschreiben. Wenn sie den Verlauf beeinflussen, dynamischen Versorgungsdruck, Reglerverhalten, Verschlauchung und Drosseleinstellungen ergänzen;
• Drucksensormodelle und Anschlusspositionen dokumentieren. Für die Positionserfassung außerdem Auflösung, Montage, Abtastrate, Filter, Differenzierung und zeitliche Ausrichtung der Kanäle angeben;
• Bewegungsschwelle $x_{\mathrm{det}}$, Haltezeit $t_{\mathrm{hold}}$, Rampensteigung, Richtung, Stillstandszeit, Zyklusverlauf und Temperatur angeben;
• $u_{\mathrm{move},+}$ und $u_{\mathrm{move},-}$ in den ursprünglichen Einheiten ausweisen. Wenn die Druck-Flächen-Kraft berechnet wurde, zusätzlich $F_{s,+}$, $F_{s,-}$, Unsicherheit, Wiederholungszahl und Abnahmegrenzen angeben;
• Reglerversion, Kompensationsparameter, Begrenzungen, Umkehrlogik, Fehlerverhalten und die für die endgültige Abnahme verwendeten unabhängigen Zyklen archivieren.

Aussagekräftige Totzonenprotokolle bewahren Messgrenze und Unsicherheit, statt eine Maschine auf einen einzigen Prozentsatz zu reduzieren. Dieselbe Achse kann berechtigterweise unterschiedliche Werte liefern, wenn sich Eingang, Ausgang, Stillstandszeit, Last, Richtung oder Erkennungsschwelle ändern.

Wenn die theoretische Zylinderkraft Teil der Prüfung ist, liefert der Leitfaden zur Pneumatikzylinderkraft die Druck-Flächen-Grundlage. Bei der Totzonenanalyse müssen anschließend gemessener Gegendruck, Last, Gewichtskraft und Losbrechreibung berücksichtigt werden, anstatt einen pauschalen Reibungsprozentsatz anzuwenden. Informationen zu Herausgeber und Autor stehen unter Über uns bereit. Für eine modellspezifische Prüfung von Messverläufen oder eine technische Korrektur können Zylinder-, Ventil-, Last- und Sensordaten sowie die synchronisierten Druckdaten über Kontakt übermittelt werden.

Häufig gestellte Fragen zur Totzone von Pneumatikzylindern

Zwei Versuche verdeutlichen die Anforderungen an die Wiederholbarkeit: In der Studie von 2020 wurde jede Bedingung 45-mal wiederholt, während die Studie von 2026 3 Zylinder und mehrere Betriebsgrößen verglich. Eine belastbare Antwort muss daher Hardware, Richtung, Last, Druck, Stillstandszeit, Erkennungsregel und das gemessene Eingangs-Ausgangs-Paar benennen (Experimental Techniques; Actuators).

Liegt die Totzone eines Pneumatikzylinders normalerweise bei 5–15 %?

Nein, ein allgemeingültiger Bereich von 5–15 % existiert nicht. Ein Prozentsatz ändert sich mit der gewählten Eingangsspanne, der beobachteten Ausgangsgröße, Richtung, Last, dem Ventil, Druckpfad, der Sensorschwelle und dem Prüfverfahren. Zuerst sind die positiven und negativen Bewegungsschwellen in den ursprünglichen Einheiten anzugeben. Eine Normierung ist nur dann vorzunehmen, wenn der Vergleich eine eindeutig benannte Befehlsspanne erfordert.

Kann eine PID-Abstimmung die durch Haftreibung verursachte Totzone beseitigen?

Der PID-Regler kann integrieren, bis die Bewegung einsetzt; die Haftreibung selbst beseitigt er jedoch nicht. Diese Unterscheidung ist wichtig. Eine zu hohe Integral- oder Proportionalverstärkung kann die Achse über die Schwelle treiben und Überschwingen oder Regelschwingen verursachen. Zuerst sind mechanische Ursachen zu beheben. Anschließend können begrenzte Vorsteuerung, Reibungsschätzung oder ein Beobachter eingesetzt werden, sofern stabile Rückführung und Anti-Windup-Verhalten erhalten bleiben.

Warum müssen beide Kammerdrücke gemessen werden?

Doppeltwirkende Zylinder erzeugen Kraft aus Drücken, die auf zwei unterschiedliche wirksame Flächen einwirken. Der Versorgungsdruck allein berücksichtigt weder den kolbenstangenseitigen Gegendruck noch dynamische Druckverluste. Werden beide Kammerdrücke beim Bewegungsbeginn erfasst, kann die richtungsabhängige Druck-Flächen-Kraft berechnet und ein Anstieg der mechanischen Reibung von einer Einschränkung durch Ventil, Versorgung oder Abluft unterschieden werden.

Sollte bei jeder klemmenden Achse ein Dithersignal eingesetzt werden?

Nein. Dither kann das Haften in manchen Ventilen oder Mechanismen verringern, aber auch unerwünschte Bewegung, Geräusche, Wärme, Verschleiß und Druckschwingungen verursachen. Es darf nur eingesetzt werden, wenn Bauteilfreigabe und Sicherheitsanalyse dies zulassen. Anschließend sind Amplitude und Frequenz über Last, Stillstandszeit, Temperatur und den vollständigen Betriebsbereich zu validieren.

Wie häufig sollte die Totzone erneut gemessen werden?

Die Messung sollte bei der Inbetriebnahme, nach relevanten Änderungen an Hard- oder Software und dann erfolgen, wenn Trends neue Verzögerungen, Asymmetrien, Regelschwingen oder erhöhte Losbrechkräfte zeigen. Das Ergebnis ist als Trend zu führen. Ein fester Kalender- oder Zyklusabstand setzt Herstellerangaben oder maschinenspezifische Zuverlässigkeitsnachweise voraus. ISO 19973-3 behandelt die Zuverlässigkeitsprüfung von Zylindern, schreibt jedoch kein allgemeingültiges Intervall für Totzonenprüfungen vor.

Quellen und technische Literatur

• Ngoc, Pham und Xuan, Experimentelle und systembezogene Simulationsstudie zum Haftgleitverhalten in Pneumatikzylindern, systembezogene Haftgleitversuche an drei Zylindern und Reibungsmodellierung; Actuators, 2026. Abgerufen 2026-07-23.
• Jiménez, Kurmyshev und Castañeda, Experimentelle Untersuchung eines doppeltwirkenden Pneumatikzylinders, synchronisierte Messungen von Kammerdruck und Weg mit wiederholten Versuchen; Experimental Techniques, 2020. Abgerufen 2026-07-23.
• Canudas de Wit et al., Ein neues Modell zur Regelung reibungsbehafteter Systeme, Grundlage des LuGre-Reibungsmodells; IEEE Transactions on Automatic Control, 1995. Abgerufen 2026-07-23.
• Wei et al., Regelung eines pneumatischen Positionsservos mit LuGre-modellbasierter Reibungskompensation, Anwendung der LuGre-Kompensation auf die pneumatische Positionsregelung; Journal of Mechanical Engineering, 2018. Abgerufen 2026-07-23.
• Kosaki und Sano, Beobachterbasierte Reibungskompensation für die Positionsregelung eines pneumatischen Servosystems, Architektur aus Druckregelkreis und Reibungsbeobachter; Journal of System Design and Dynamics, 2009. Abgerufen 2026-07-23.
• Emerson, Handbuch für Regelventile, Definition der Totzone und Kontext des Regelkreises; 6. Auflage, 2023. Abgerufen 2026-07-23.
• SMC, elektropneumatischer Regler ITV1100/2100/3100, Spezifikationen zu Empfindlichkeit, Linearität und Hysterese der Modellfamilie. Abgerufen 2026-07-23.
• ISO 19973-3:2015, Umfang der Zuverlässigkeitsprüfung und Berichterstattung für Pneumatikzylinder mit Kolbenstange. Abgerufen 2026-07-23.