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Ottimizzazione delle soluzioni di movimento lineare con sistemi di automazione ibridi

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Combinando una soluzione integrata di controllo assi e logica macchina.

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Sono molti i fattori tecnici e commerciali che i produttori di apparecchiature originali (OEM) devono valutare quando progettano soluzioni di controllo del movimento per i macchinari industriali. Molti tipi di macchinari industriali utilizzano il controllo del movimento per svolgere le loro funzioni e alcune delle tecnologie più diffuse da cui dipendono gli OEM per il controllo del movimento lineare sono la pneumatica e gli attuatori lineari elettrici. Il controllo del movimento può essere avviato manualmente dagli operatori o automaticamente da piattaforme di controllo avanzate.

Nella progettazione dei sistemi di automazione, gli OEM hanno storicamente dovuto scegliere tra le tecnologie di controllo del movimento. Il movimento pneumatico e quello elettrico hanno ciascuno i propri punti di forza: il movimento pneumatico è considerato robusto e facile da usare e da mantenere, mentre il movimento elettrico è percepito come intelligente, rapido e preciso. Gli OEM hanno dovuto scegliere la tecnologia in base a quella che avrebbe fornito i maggiori vantaggi all'applicazione, ma in alcune applicazioni sono state sacrificate esigenze fondamentali a favore di altre.

I processi e le priorità applicative si sono evoluti nel tempo. La sostenibilità è oggi la priorità assoluta in quasi tutti i settori, mentre i processi sono diventati più complessi e richiedono un movimento più preciso ed efficiente. Le funzioni vengono consolidate in spazi più piccoli e con meno componenti.

È cambiato anche un altro aspetto importante. Gli OEM non devono più scegliere una sola tecnologia. Esistono sistemi di automazione ibridi che combinano i punti di forza delle tecnologie pneumatiche ed elettriche per fornire i maggiori vantaggi per le applicazioni complesse di controllo del movimento.

Tendenze che guidano i sistemi di automazione ibridi

Alcuni OEM potrebbero chiedersi perché c'è bisogno di un movimento lineare elettrico oltre a quello pneumatico. Riconoscendo le diverse tendenze che guidano l'evoluzione e l'uso dei sistemi di automazione ibridi, possiamo capire meglio come sono nate le soluzioni intertecnologiche. La sostenibilità, la trasformazione digitale, la progettazione delle macchine e le pressioni competitive ne influenzano la popolarità.

Sostenibilità

L'attenzione al consumo di energia, alle emissioni di anidride carbonica e al risparmio dei costi è in aumento in tutti i settori. Il senso di responsabilità personale, la richiesta dei clienti, le normative governative e le pressioni degli stakeholder stanno alimentando questa attenzione e molte aziende stanno assumendo impegni e obiettivi a lungo termine basati su ambiziose iniziative a zero emissioni.

I sistemi di controllo del movimento che consumano meno energia e possono essere alimentati da risorse rinnovabili sono fondamentali per le apparecchiature ad alta efficienza energetica e fanno parte di una strategia aziendale sostenibile.

Trasformazione digitale

I produttori di oggi interagiscono con l'automazione digitale e con interfacce utente dettagliate nella loro vita quotidiana e si aspettano la stessa capacità digitale dai sistemi industriali. Le aziende che trasformano digitalmente le loro attività stanno riscontrando vantaggi reali e affidabili.

I sensori incorporati nei dispositivi rilevano continuamente temperatura, posizione, carico e usura in tempo reale. Il monitoraggio, la configurazione e la diagnostica automatiche e i dati di processo raccolti, presentati in dashboard, forniscono agli operatori le informazioni necessarie per prendere decisioni sicure e informate. I sistemi di controllo del movimento connessi consentono agli operatori di analizzare le prestazioni di produzione, il consumo energetico e l'affidabilità.

L'accesso a queste informazioni attraverso i cruscotti consente ai produttori di controllare meglio e migliorare continuamente le operazioni e, in ultima analisi, la produzione.

La concorrenza del mercato

Tra la carenza di manodopera e i problemi della catena di approvvigionamento, non è mai stato così difficile per le aziende mantenere un vantaggio competitivo. Inoltre, la trasformazione digitale della produzione industriale e le tecnologie avanzate che la guidano hanno permesso alle aziende che vi investono di ottimizzare in modo significativo le loro operazioni.

È più che mai necessario rimanere agili nel rispondere alle mutevoli esigenze del mercato e soddisfare in modo affidabile la domanda dei clienti per rimanere all'avanguardia del mercato. I produttori devono ridurre al minimo i tempi di inattività delle macchine e massimizzare la produzione, e l'integrazione di soluzioni di automazione ibride connesse può contribuire a migliorare l'affidabilità e i tempi di attività delle macchine.

Per ottimizzare l'uso dell'energia, migliorare le operazioni e rimanere all'avanguardia nei loro settori, le aziende cercano un pacchetto completo di controllo assi. I principali fornitori di tecnologia ne sono consapevoli e hanno sviluppato una gamma di soluzioni avanzate e integrate che combinano servoazionamenti, motori e attuatori elettrici e pneumatici.

Gli OEM hanno l'opportunità di incorporare sistemi di automazione ibridi in progetti di macchine che meglio si allineano e rispondono alle maggiori esigenze e preoccupazioni dei loro clienti.

Automazione e progettazione contemporanea delle macchine

Un modo in cui le aziende stanno superando le sfide e aumentando la produzione è l'integrazione di macchine più piccole e più sofisticate nelle loro linee di produzione. Le dimensioni ridotte consentono di inserire più macchine nello stesso spazio di produzione e la tecnologia avanzata di controllo del movimento può rendere possibile l'automazione di attività di maggiore precisione, dall'assemblaggio all'ispezione finale del prodotto.

I produttori cercano anche una tecnologia di controllo del movimento con una migliore precisione per evitare sprechi, tempi di ciclo più brevi per aumentare la produzione e una maggiore flessibilità di posizione per consentire agli operatori di cambiare i programmi della macchina premendo un pulsante. L'utilizzo di macchine con queste caratteristiche può portare a una maggiore produzione in tempi più brevi, migliorare la sostenibilità e ridurre i costi.

Come scegliere il controllo assi pneumatico, elettrico o ibrido

Le offerte di controllo del movimento sono numerose e la scelta può risultare confusa. Quando gli OEM usano l'elettrico, quando il pneumatico e quando entrambi?

Ci sono molti fattori e preoccupazioni da considerare quando si scelgono le soluzioni di controllo assi:

1. Soddisfano i requisiti di prestazioni, flessibilità e precisione dell'applicazione?

2. Quali sono i costi di funzionamento iniziali e di manutenzione continua?

3. Come influiscono sull'efficienza energetica della macchina?

4. Come si integreranno i prodotti di movimento con altri dispositivi?

5. Possono raccogliere dati e analizzare la salute del dispositivo?

6. Renderanno più semplice e veloce la progettazione di una macchina?

7. Qual è la curva di apprendimento della nuova tecnologia?

Il controllo del movimento pneumatico e quello elettrico presentano ciascuno vantaggi distinti, a seconda delle esigenze dell'applicazione, che può trarre vantaggio da uno o da entrambi. Per alcune applicazioni è chiaro quale sia la soluzione migliore. Per un semplice meccanismo di spinta di scatole da un trasportatore, il cilindro pneumatico è il più adatto. Tuttavia, se queste scatole devono essere smistate su linee o posizioni diverse del trasportatore, è necessario un attuatore elettrico con posizioni multiple.

Nelle applicazioni più complesse, la scelta può essere poco chiara. Questo è un segno che le applicazioni possono trarre il massimo vantaggio dall'utilizzo di entrambi. I cilindri elettromeccanici possono utilizzare l'aria compressa tramite un connettore pneumatico per sigillare l'aria nelle applicazioni di riempimento. Nei sistemi di assemblaggio, un sistema lineare elettrico multiasse può utilizzare una pinza pneumatica. Un asse lineare elettrico che opera in direzione verticale può utilizzare un cilindro pneumatico per la compensazione del peso.

L'automazione a tecnologia incrociata consente agli OEM di sfruttare i punti di forza complementari della tecnologia di controllo del movimento sia pneumatica che elettrica nella stessa applicazione e di trasferire i vantaggi ai propri clienti.

Esaminiamo i punti di forza di ciascuna tecnologia per capire meglio come possono lavorare insieme:

Controllo assi pneumatico

Il movimento pneumatico si ottiene utilizzando un gas compresso che agisce fisicamente su un meccanismo per produrre il movimento richiesto. È dimostrato che le soluzioni pneumatiche garantiscono un funzionamento robusto per quanto riguarda l'hardware, la progettazione e l'installazione, e di solito i componenti da cambiare o sostituire quando si aggiorna un sistema pneumatico sono meno numerosi rispetto a un sistema servo.

L'esempio più familiare di controllo del movimento pneumatico è un cilindro con pistone interno, che produce un movimento lineare. Questo può essere il motivo per cui la pneumatica è spesso considerata una tecnologia di movimento discreta, adatta solo per estendere o ritrarre completamente un meccanismo.

Tuttavia, la continua innovazione guidata dai fornitori di tecnologie di controllo del movimento ha ampliato le possibilità. Ad esempio, è possibile ottenere un movimento rotatorio continuo utilizzando attuatori a un quarto di giro.

Sono inoltre disponibili sensori e controlli di flusso per monitorare e ottimizzare il funzionamento, mentre il controllo della pressione differenziale consente di ottenere un posizionamento pneumatico continuo. Utilizzando elettrovalvole on/off relativamente piccole o valvole di posizionamento modulanti, si applica una pressione controllata a fronte di una contropressione costante.

Gli operatori possono controllare la posizione manualmente con pulsanti e interruttori o automaticamente con un controllore logico programmabile (PLC) o un controllore ad anello.

Controllo del movimento elettrico

Gli attuatori elettrici combinati con servomotori sono noti per l'alta velocità, la precisione e l'efficienza e realizzano il movimento convertendo l'elettricità in movimento rotatorio o lineare. Questi sistemi ad anello chiuso includono in genere componenti più complessi, come un controllore di movimento, un servoazionamento, un motore, un sensore di feedback e pratiche di progettazione rispetto alle soluzioni di movimento pneumatico.

Ogni servomotore è associato a un azionamento che segue i segnali comandati che forniscono la funzione desiderata e può fornire un posizionamento accurato, velocità angolari precise e profili di accelerazione variabili. Grazie a questa gamma, i servosistemi possono fornire il controllo del movimento posizionale per diverse applicazioni, dal braccio di un robot ai nastri trasportatori a rotazione continua.

Poiché i servoazionamenti e i controllori sono dispositivi a microprocessore, hanno un livello elevato e innato di funzionalità a bordo e possono offrire direttamente funzioni di diagnostica locale e remota e di registrazione dei dati per i cruscotti.

Il collegamento di PLC e altri controllori ai sistemi di servoazionamento può aiutare gli OEM a realizzare un controllo del movimento e una sincronizzazione ancora più avanzati. Le funzioni specializzate includono il posizionamento altamente accurato con ripetibilità inferiore al micron, la camma elettronica e l'ingranaggio elettronico e possono essere utili per le applicazioni più complesse, come la lavorazione, la robotica e le apparecchiature di produzione.

Ad esempio, una linea di confezionamento può passare dai dischi a camme meccanici a un sistema di servo movimento con dischi a camme elettrici. Mentre il cambio di formato con i dischi meccanici è complesso, richiede tempo ed è soggetto a errori, la conversione della macchina con i dischi a camme elettrici avviene con la semplice pressione di un pulsante. In questo modo si risparmia tempo, si migliora l'accuratezza, si minimizzano gli scarti e si riducono i costi.

Controllo del movimento ibrido

Un sistema di automazione ibrido elettropneumatico può aiutare i produttori ad applicare le tecnologie appropriate per ogni funzione specifica. Quando la sostenibilità, la flessibilità della posizione, la precisione, la stabilità, la silenziosità, la connettività e il monitoraggio sono i fattori più importanti, il controllo assi elettrico offre grandi vantaggi. Quando le applicazioni hanno limiti di spazio, richiedono un funzionamento robusto o una rapida progettazione, installazione e messa in servizio, il controllo assi pneumatico è la scelta migliore.

Le linee di produzione della maggior parte degli stabilimenti comprendono vari tipi di apparecchiature OEM, con il prodotto che si sposta tra le macchine lungo i nastri di trasporto e di accumulo. Queste linee offrono molte opportunità di integrare il movimento lineare sia pneumatico che elettrico.

Ad esempio, una tipica linea di produzione di imballaggi per bevande comprende le seguenti funzioni: stiro-soffiaggio di bottiglie, riempimento e tappatura di bottiglie, trasporto e accumulo, etichettatura di bottiglie, ispezione di riempimento ed etichettatura, imballaggio di bottiglie in casse, pallettizzazione e termoretrazione di casse. Lo stiro-soffiaggio, la piegatura delle scatole e l'applicazione della colla si avvalgono del movimento pneumatico, mentre il trasporto e il posizionamento delle bottiglie all'interno delle apparecchiature di riempimento ed etichettatura si avvalgono del servo movimento.

I nastri trasportatori semplici e i sistemi di pallettizzazione beneficiano di entrambe le forme di movimento: i nastri trasportatori possono essere azionati da motori elettrici, mentre gli arresti e i cancelli dei prodotti possono funzionare con l'azionamento pneumatico. La movimentazione di casse sfuse può essere realizzata con la pneumatica, mentre l'interpolazione e la regolazione fine della posizione possono essere controllate con il servo movimento.

Vantaggi dei sistemi di automazione ibridi

I principali fornitori di tecnologie di controllo del movimento offrono oggi pacchetti integrati di soluzioni complete che comprendono il controllo del movimento elettrico, pneumatico o ibrido. Queste soluzioni complete comprendono dispositivi intelligenti a livello di campo, controllo del movimento, controllo della macchina e analisi.

Le opzioni pneumatiche comprendono un cilindro pneumatico, un sistema di valvole, un controllore, un sistema di analisi e un cruscotto tramite gateway, mentre quelle elettriche includono un attuatore lineare elettrico, un servomotore e un azionamento, un controllore e un cruscotto tramite gateway. Sebbene entrambe le tecnologie offrano cruscotti, i dati sono disponibili direttamente dal servoazionamento, mentre i sistemi pneumatici richiedono l'aggiunta di sensori.

Soluzioni complete e integrate come questa presentano molti vantaggi sia per gli OEM che per i loro clienti. Essendo già progettati e assemblati, i sistemi di automazione ibridi possono semplificare l'approvvigionamento, lo sviluppo e la messa in servizio. Diversamente, gli OEM devono procurarsi i componenti separatamente, abbinarli e progettarli da soli. Questo non solo richiede più tempo e aggiunge complessità alla catena di fornitura, ma può anche introdurre problemi di dimensionamento.

I sistemi di automazione ibridi offrono inoltre una flessibilità che consente agli OEM di progettare macchine in grado di produrre un'ampia gamma di tipi di prodotti, di ridurre al minimo i tempi di cambio formato e di soddisfare requisiti mutevoli nel corso del tempo. Poiché molte aziende sono sottoposte a continue pressioni per aumentare la produttività e ridurre al contempo i costi operativi, questo può abbreviare i cicli di produzione, aumentare l'utilizzo delle macchine e prolungarne la durata.

Con la riconfigurazione elettronica del controllo assi, gli operatori possono modificare i profili di movimento al volo; alcuni sistemi offrono un design a prova di futuro e sono dotati di funzioni che possono essere implementate ora o nelle future generazioni di macchine. Per offrire ai clienti il massimo livello di flessibilità, cercate sistemi con attuatori elettrici estremamente versatili che coprano un'ampia gamma di requisiti applicativi.

Oltre a rimanere competitivi, i sistemi di automazione ibridi possono migliorare la sostenibilità dei produttori. Questi sistemi possono garantire una migliore efficienza delle macchine e ridurre gli scarti, con conseguente diminuzione del consumo di risorse e dei costi. L'efficienza energetica può consentire di raggiungere meglio gli obiettivi di sostenibilità, mentre il risparmio economico può ridurre il costo totale di proprietà. Per ottenere una maggiore ripetibilità e uniformità, è importante cercare un sistema con movimento lineare elettrico che offra i massimi livelli di affidabilità e precisione.

Maggiore flessibilità, efficienza e prestazioni

Gli OEM possono determinare se un sistema di automazione ibrido può essere vantaggioso per un'applicazione valutando i principali fattori applicativi, tra cui:

1. consumo energetico,

2. costi operativi,

3. flessibilità della posizione,

4. precisione,

5. vibrazioni e rumore,

6. CAP-EX,

7. connettività,

8. dimensioni,

9. installazione e

10. tempo di messa in servizio e durata.

Per scegliere le soluzioni più adatte a raggiungere i risultati desiderati, è fondamentale collaborare con un partner esperto di motion control e trasformazione digitale che disponga di un portafoglio completo di tecnologie e opzioni di dimensionamento. Un partner di questo tipo può aiutare gli OEM a mettere in funzione le soluzioni e offrire assistenza a lungo termine.

Con i sistemi di automazione ibridi, le aziende non devono scegliere tra prestazioni, flessibilità, sostenibilità, connettività e costi. Possono avere tutto: movimenti lineari precisi e potenti, flessibilità per soddisfare le mutevoli esigenze di produzione, dati e approfondimenti per massimizzare la produzione, consumo energetico ottimizzato e costi totali di gestione ridotti.