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Il mondo dell'attuazione sta diventando elettromeccanico

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Velocità, precisione e dimensioni.

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Quando si tratta di attuatori lineari, i dispositivi elettromeccanici stanno diventando l'opzione preferita rispetto ai loro cugini pneumatici grazie alla loro velocità, precisione e dimensioni.

Negli ultimi anni, le richieste da parte dei manager delle fabbriche e delle aziende sono diventate sempre più forti per utilizzare più attuatori elettrici a stelo e meno attuatori pneumatici nelle apparecchiature di automazione industriale. Diversi fattori stanno guidando questa conversione, ma i più significativi includono le crescenti esigenze di:

1. Migliorare le prestazioni delle macchine con attuatori elettromeccanici capaci di una maggiore precisione.

2.Ridurre le dimensioni delle apparecchiature con attuatori elettromeccanici che richiedono solo circa un quarto dello spazio per fornire la stessa spinta degli attuatori pneumatici.

3. Utilizzare l'energia in modo più efficiente, perché gli attuatori elettromeccanici non hanno bisogno di compressori d'aria in funzione 24 ore su 24 e 7 giorni su 7 per mantenere la pressione.

4. Ridurre la manutenzione e il costo totale di proprietà, perché gli attuatori elettromeccanici utilizzano meno componenti, non richiedono compressori e non subiscono perdite d'aria.

Una volta presa la decisione di sostituire gli attuatori pneumatici con quelli elettromeccanici, il passo successivo è quello di selezionare gli attuatori elettromeccanici giusti tra le molte marche. Anche se le specifiche di spinta fondamentali possono essere simili, esistono differenze significative nelle aree delle prestazioni del ciclo di vita, della manutenibilità e della resistenza ambientale.

In generale, più grande è il diametro della vite a sfera, maggiore è il potenziale di spinta. Tuttavia, raggiungere questo risultato richiede un corretto accoppiamento del cuscinetto reggispinta e di tutti i punti di fissaggio, compreso il tubo di estensione, la chiocciola interna della sfera, l'alloggiamento del cuscinetto e l'alloggiamento del tergicristallo. Altrimenti, qualsiasi aumento della spinta andrebbe a scapito della vita del sistema. Un componente troppo debole per gestire il suo carico si usura molto più velocemente o addirittura si danneggia.

Si potrebbero avere due attuatori, ciascuno dotato di una vite a sfera da 16 mm che fornisce 750 N di spinta, e uno, per esempio, potrebbe avere una durata di 2.000 km di corsa, mentre l'altro fornisce 8.000 km di corsa. La differenza sta nel modo in cui la vite a sfera e gli altri componenti sono accoppiati tra loro.

Inoltre, a causa dei diametri più grandi delle viti a sfera che sono correlati al costo e all'ingombro, l'accoppiamento corretto della vite a sfera e degli altri componenti riduce entrambi. Per soddisfare un requisito applicativo di 3.200 N di forza, un fornitore potrebbe usare una vite a sfera di 20 mm di diametro, mentre un altro fornitore, con componenti correttamente accoppiati, potrebbe ottenere la stessa spinta con una vite di 12 mm di diametro. Così, quest'ultima vite a sfera può essere ridimensionata senza sacrificare le prestazioni.

L'accoppiamento corretto delle viti a sfera con altri componenti influisce significativamente sulla durata dell'attuatore e, se combinato con il design del supporto, i due fattori hanno il maggiore impatto sulla precisione e sulla capacità di carico. Un altro obiettivo della progettazione dell'attuatore è quello di ridurre la corsa libera radiale e laterale. I fattori che influenzano questo aspetto sono il diametro del corpo portante, l'area della superficie di contatto e l'uso delle gambe di supporto. Un corpo portante più grande, per esempio, supporta carichi radiali esterni più grandi massimizzando la superficie di contatto in situazioni di carico laterale. La capacità di caricare lateralmente gli attuatori elettrici aumenta le prestazioni, la precisione e la compattezza a un livello non raggiungibile con gli attuatori pneumatici o idraulici.

Anche se massimizzare le aree di superficie migliora la capacità di carico radiale e laterale, non aiuta necessariamente la stabilità. Questo viene spesso affrontato bloccando le gambe elevate in canali scanalati (tre nell'immagine sopra). Queste gambe di supporto riducono le vibrazioni, che possono aggiungere rumore e contribuire all'usura. La maggior parte dei progetti usa una o due di queste scanalature, rimuovendo così un po' di gioco, ma può generare dei ticchettii quando il sistema comincia ad usurarsi nel tempo. L'uso di quattro gambe invece di due, tuttavia, riduce l'usura e il rumore, fornendo una protezione antirotazionale più efficace e duratura. Inoltre, le gambe aggiuntive assicurano un movimento di ritorno senza aderenze, riducendo ulteriormente il gioco dovuto all'usura.

Inoltre, la curvatura di queste gambe portanti verso l'esterno crea un precarico radiale, che riduce il gioco nel tubo di spinta. Centra anche il corpo portante e il dado a sfera, eliminando la necessità di spessorare il portante all'estrusione e compensando l'usura nel corso della vita del dispositivo. Mantenere tutto in allineamento riduce la quantità di volte in cui l'attuatore deve essere calibrato per una coppia costante al minimo.

Tolleranze strette sono fondamentali per ridurre l'usura e il rumore. Ma se non c'è alcun traferro, la pressione si accumula quando gli attuatori funzionano ad alta velocità. Questo causa il surriscaldamento, contribuendo a problemi di lubrificazione e altri problemi di durata. Per risolvere questo problema, rendere due delle caratteristiche chiave maschili sulle gambe portanti più basse delle altre due - questo è l'approccio che Thomson adotta con molti dei suoi attuatori. Questo fornisce uno spazio sufficiente per evitare l'accumulo di pressione. Come si vede nell'immagine qui sopra, due delle chiavi maschio situate ortogonalmente sulle gambe portanti sono più basse delle altre due.

Manutenibilità

La facilità di manutenzione influisce sulle prestazioni del ciclo di vita e contribuisce ai vantaggi della produttività. Gli attuatori elettromeccanici differiscono per la lubrificazione e la gestione del motore. La maggior parte degli attuatori si ritrae per esporre parzialmente le parti dal 60% al 70% per la lubrificazione. I tecnici rimuovono i tappi, individuano le parti che necessitano di lubrificazione, aggiungono il grasso e potrebbero dover ripetere questo processo.

Un approccio migliore, tuttavia, è quello di estendere o ritrarre completamente il tubo, rivelando tutti i componenti per la massima esposizione. Questo permette alle aziende di utilizzare la lubrificazione automatica. Inoltre, l'uso di un nipplo di lubrificazione eliminerebbe la necessità di rimuovere il tappo, semplificando ulteriormente la manutenzione.

La manutenzione può anche essere accelerata se si elimina il tempo necessario per accoppiare il motore con l'attuatore meccanico. Tradizionalmente il montaggio del motore in una configurazione parallela richiede dai 20 ai 25 minuti. Una volta che il motore è stato montato, un tecnico deve utilizzare una varietà di strumenti per regolarlo per la corretta tensione della cinghia e l'allineamento. Questo richiede almeno 12 passaggi.

Tuttavia, se l'attuatore viene fornito con una soluzione parallela preassemblata, la cinghia può essere pretensionata durante il montaggio, eliminando la necessità di regolazioni di tensione in più fasi - il motore può essere imbullonato e utilizzabile in soli tre passaggi. Per il montaggio in linea, i vantaggi di una soluzione preassemblata sono simili, anche se non così drammatici.

Inoltre, l'uso di cuscinetti a cavallo elimina il rischio di disallineamento. Protegge anche l'albero del motore dai carichi radiali, il che riduce il rumore e prolunga ulteriormente la vita dell'attuatore.

Resistenza ambientale

Gli attuatori elettromeccanici differiscono nella loro capacità di resistere a condizioni difficili, all'ambiente e a frequenti lavaggi ad alta pressione. Ciò dipende dal profilo esterno, dalla scelta del materiale e dai metodi di tenuta.

I profili con superfici lisce sono più puliti delle superfici scanalate perché non accumulano polvere e fluidi. Quindi, sono più appropriati per ambienti difficili quando sono richiesti lavaggi frequenti. Ci potrebbe essere un lato negativo nell'avere un esterno liscio, però. Se usato in applicazioni che richiedono attacchi per il sensore, potrebbe essere necessario un ulteriore add-on di plastica per attaccare il sensore.

La resistenza ambientale dipende anche dalla composizione del materiale del tubo di estensione. La maggior parte dei sistemi usa l'acciaio al cromo, ma l'acciaio inossidabile è una scelta molto migliore per gli ambienti difficili.

Un indicatore chiave della resistenza all'ambiente è il codice IP (Ingress Protection). Un grado IP di 65, per esempio, significa che il dispositivo è a prova di polvere e protetto da getti d'acqua a bassa pressione provenienti da qualsiasi direzione, come si potrebbe trovare in un'operazione di lavaggio dell'industria alimentare e delle bevande. Solo pochi attuatori elettrici soddisfano questo grado, ma in ambienti corrosivi, è fondamentale. Un grado IP di 54 fornisce una certa protezione contro gli spruzzi d'acqua e meno del 100% di protezione contro la polvere, rendendolo accettabile per alcune applicazioni di lavaggio, ma non se è coinvolta la pressione. Un grado IP di 40, che è comune tra gli attuatori lineari, implica che non c'è protezione contro la polvere o i liquidi.

I gradi IP più alti dipendono principalmente dall'uso di guarnizioni migliori. Thomson, per esempio, sigilla ogni vano, compresi i supporti del motore, sui suoi attuatori elettromeccanici. Anche tutte le guarnizioni dovrebbero essere sigillate ed estendersi fino al motore piuttosto che fermarsi alla piastra di montaggio.

La prossima generazione di controllo del movimento

Con la crescita della domanda di mercato per una maggiore produttività, tempi di cambio più brevi, maggiore affidabilità, maggiori risparmi energetici e costi operativi e di manutenzione inferiori, sempre più progettisti e utenti finali stanno passando agli attuatori elettromeccanici rispetto a quelli pneumatici. Per i macchinari che richiedono un controllo del movimento sofisticato, gli attuatori elettromeccanici sono praticamente l'unica alternativa. Ma anche per semplici operazioni di movimento lineare, i progettisti e gli utenti del controllo del movimento si orientano verso l'attuazione elettrica grazie alla minore e/o più facile manutenzione, ai maggiori risparmi energetici e al funzionamento più pulito.

Vantaggi ancora maggiori sono possibili confrontando attentamente le diverse marche di attuatori elettrici. Interpretare sempre la "capacità di carico" nel contesto della durata dichiarata del sistema e dei requisiti di spazio. Ci sono reali compromessi in queste aree. Il design del carrello influisce sulla precisione e sulle capacità di carico laterale e rotativo, quindi prestate molta attenzione a come il carrello è fissato nel canale e alla forma e alle dimensioni di qualsiasi meccanismo di guida.

Meccanismi e parti migliorate, come gambe di supporto e design delle gambe, che possono essere curvate per una migliore presa, miglioreranno la precisione e l'usura. E il profilo esterno appropriato, le scelte dei materiali e la strategia di tenuta sono fattori chiave per la resistenza ambientale. I profili più lisci, i materiali in acciaio inossidabile e le classificazioni IP più alte tendono ad offrire la maggiore protezione.