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Cilindro idraulico vs. servocilindro elettrico

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Componenti del sistema e funzionalità di controllo del movimento, della forza e della velocità

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I cilindri idraulici, noti per la loro elevata forza a un costo accessibile, sono ampiamente utilizzati da decenni nelle apparecchiature di automazione industriale e in altre apparecchiature di automazione specializzate. I sistemi idraulici sono robusti, relativamente semplici da implementare e garantiscono un basso costo per unità di forza. Negli ultimi anni, gli attuatori elettrici a stelo (servocilindri) sono diventati più flessibili, precisi e affidabili, con capacità di forza sempre maggiori. Questi progressi hanno dato vita a un dibattito ancora in corso su quale tecnologia — cilindro idraulico o attuatore elettrico — offra la migliore soluzione complessiva.

1. Attuatori elettrici a stelo vs. cilindri idraulici: componenti del sistema

Il numero di componenti e lo spazio complessivo richiesto per un sistema a cilindro idraulico sono molto maggiori rispetto a quelli di un sistema elettrico. I sistemi idraulici richiedono:

Un cilindro
Un gruppo motopropulsore per fornire la pressione dell’olio
Valvole di controllo e accessorie
Filtri
Tubi flessibili
Raccordi
Componenti aggiuntivi

I cilindri idraulici offrono un ingombro ridotto nel punto di lavoro (dove è richiesta la densità di potenza), ma l’unità di potenza idraulica (HPU), che regola la portata e la pressione verso questi attuatori e altri componenti, può richiedere un ingombro notevole in termini di superficie. Le HPU non sono di dimensioni ridotte e in genere vengono collocate vicino al cilindro stesso, aumentando ulteriormente l’ingombro del sistema. Nei sistemi di grandi dimensioni con HPU montate a distanza, tubi flessibili di notevole lunghezza possono ridurre la rigidità complessiva e l’efficienza del sistema idraulico.

Gli attuatori elettrici a stelo offrono un ingombro complessivo minore. Questi sistemi utilizzano un attuatore meccanico; un motore (servomotore o altro); un riduttore opzionale; cavi; e un azionamento/amplificatore, solitamente montato in un armadio di comando.

Sebbene l’attuatore elettrico — a causa del suo design che integra una vite di trasmissione e un sistema di cuscinetti — richieda una lunghezza maggiore rispetto a un cilindro idraulico, quando si considera l’ingombro complessivo del sistema, questa lunghezza aggiuntiva è più che compensata dall’ingombro molto più ridotto del servoazionamento — l’equivalente funzionale dell’HPU. In genere, le apparecchiature di automazione utilizzano un armadio di controllo e possono essere progettate per ospitare un azionamento aggiuntivo. I requisiti dimensionali di un servoazionamento sono normalmente una frazione di quelli di un’unità di potenza idraulica (HPU).

Nei nuovi progetti di sistema, se è possibile ricavare lo spazio aggiuntivo nel punto di lavoro per accogliere la corsa operativa e la lunghezza complessiva dell’attuatore elettrico, l’ingombro complessivo della macchina può essere notevolmente ridotto eliminando la necessità di grandi unità di potenza.

2. Attuatori elettrici a stelo vs. cilindri idraulici: capacità di controllo del movimento

Il motivo principale per cui gli ingegneri scelgono un sistema di attuatori elettrici anziché un sistema a cilindri idraulici è la flessibilità delle sue capacità di controllo del movimento: controllo della posizione (posizioni multiple, precisione); controllo della velocità; controllo dell’accelerazione/decelerazione; controllo della forza di uscita; e controllo complesso di tutte queste variabili di movimento in tempo reale. Gli attuatori elettrici, abbinati a un servoazionamento e a un sistema motorizzato, offrono un controllo infinito della posizione. La precisione e la ripetibilità della posizione superano di gran lunga le capacità di un sistema idraulico.

I sistemi idraulici standard sono ottimi per applicazioni di posizionamento da un’estremità all’altra, ma il posizionamento a metà corsa è più complicato e richiede una valvola di controllo e l’intervento dell’operatore. Il posizionamento a metà corsa è a circuito aperto e richiede che un operatore decida quale posizione sia accettabile. Inoltre, il controllo della velocità viene monitorato tramite una valvola di controllo e richiede nuovamente che un operatore imposti la velocità accettabile per un’applicazione, ma raggiungere un’impostazione esatta della velocità è spesso difficile da ottenere. Una volta regolata l’impostazione della velocità, la forza di pressione richiesta da un cilindro idraulico viene regolata tramite la valvola di pressione. Infine, la ripetibilità della posizione, della velocità e della forza di un cilindro idraulico è soggetta all’usura delle guarnizioni, a perdite, a cadute e picchi di pressione provenienti dalla pompa e ad altri fattori legati alla manutenzione. È difficile ottenere prestazioni ripetibili di giorno in giorno, di mese in mese o di anno in anno in un ambiente di produzione, quando la qualità e la viscosità dell’olio variano a causa delle variazioni di temperatura. Il raggiungimento del livello di prestazione desiderato richiederà un intervento costante da parte dell’operatore.

I sistemi idraulici più avanzati, denominati “servoidraulici”, sono in grado di controllare con precisione posizione, velocità e forza, ma richiedono componenti aggiuntivi — un servocontrollore, una servovalvola elettroidraulica e un dispositivo di retroazione di posizione come un trasduttore lineare — che comportano una notevole complessità, ingombro e costi aggiuntivi. Questi componenti controllano la pressione e la portata nel cilindro idraulico, in modo simile a come un servoazionamento controlla la corrente verso un servomotore. L’idraulica dispone anche di controllori ancora più avanzati, che consentono di coordinare più assi tra loro. Tuttavia, ciò è raro nell’implementazione dei sistemi idraulici e questi controllori aggiungono estrema complessità e costi al sistema complessivo. Inoltre, possono essere piuttosto sensibili e richiedono una manutenzione rigorosa per garantire le prestazioni desiderate.

Se abbinati a un sistema di servocomando, gli attuatori elettrici offrono un controllo più che infinito, oltre a precisione e ripetibilità superiori. I servocomandi multiasse sono oggi facilmente reperibili come prodotti standard nella maggior parte dei moderni sistemi di controllo. I controllori e gli attuatori elettrici possono essere coordinati tra loro in modo più semplice ed economico in configurazioni complesse rispetto alle varianti idrauliche, che presentano maggiori limitazioni. La velocità di uno o più attuatori elettrici è controllata in modo preciso e accurato in ogni momento e può passare facilmente da una velocità all’altra senza arrestarsi o superare la posizione prevista. Il controllo dell’accelerazione e della decelerazione garantisce che gli attuatori elettrici non “sbattano” contro i fermi rigidi né entrino in azione con scossoni. Ciò elimina lo stress sugli elementi del telaio e la necessità di sovradimensionare le strutture per resistere a carichi d’urto. Tutti i movimenti saranno fluidi, consentendo l’impiego degli attuatori elettrici in processi critici in cui le vibrazioni delle macchine non sono accettabili o la velocità di processo ne risentirebbe. La forza viene controllata tramite la corrente fornita al servomotore. Poiché i servocontrollori esercitano un controllo preciso sulla corrente, quasi tutti gli attuatori elettrici garantiscono un controllo accurato e ripetibile della forza erogata nel punto di lavoro.

Infine, una caratteristica importante degli attuatori elettrici è la loro capacità di fornire un controllo programmabile di tutte le variabili del profilo di movimento. Di conseguenza, l’unica interazione richiesta all’operatore è il tempo di progettazione iniziale necessario per integrare le variabili di prestazione desiderate in un PLC o nell’ambiente di programmazione di un altro controllore. Una volta impostato, il funzionamento si ripete giorno dopo giorno, mese dopo mese e anno dopo anno. Inoltre, grazie all’uso di schermi HMI (Human Machine Interface), le variabili di posizione, velocità, accelerazione/decelerazione e forza possono essere facilmente modificate in qualsiasi momento, garantendo la massima flessibilità. In un ambiente OEM, le prestazioni del sistema saranno più facili da controllare grazie alla maggiore uniformità di un sistema elettrico rispetto a uno idraulico.

3. Attuatori elettrici a stelo vs. cilindri idraulici: capacità di forza

Grazie alle loro elevate pressioni di esercizio, i sistemi a cilindri idraulici sono eccellenti nel generare forze estremamente elevate. Le pressioni tipiche variano da 1800 a 3000 psi (da 124,1 a 206,8 bar). In alcuni sistemi idraulici ad alta pressione, si utilizzano pressioni nominali fino a 5000 psi (344,7 bar) per aumentare ulteriormente la densità di potenza. Poiché i cilindri idraulici funzionano secondo il principio della potenza fluida «Forza = Pressione × Area», le alte pressioni consentono a cilindri di dimensioni ridotte di sviluppare forze molto elevate. Ad esempio, cilindri con alesaggio da 3 pollici e 5 pollici a 2200 psi potrebbero sviluppare rispettivamente circa 15.000 lbf (66.723,3 kN) e 43.000 lbf (191.273,5 kN). Tuttavia, i cilindri idraulici non vengono solitamente utilizzati al massimo della loro capacità di forza di uscita; in genere sono sovradimensionati per migliorare il controllo.

Quando si prendono in considerazione gli attuatori elettrici, è importante determinare la forza di lavoro richiesta. Per stimare la forza approssimativa necessaria per un attuatore elettrico, l’approccio tipico consiste nel regolare la pressione della porta di lavoro idraulica o quella dell’impianto fino a quando l’operazione non può più essere eseguita. I sistemi con attuatori elettrici si basano sulla corrente che attraversa il servomotore per produrre una coppia sul sistema meccanico, che aziona la vite di potenza facendola ruotare e generando forza. Questo rappresenta un enorme vantaggio: la forza è istantanea. Nei sistemi idraulici, dove la rigidità del sistema non è ottimizzata, l’attuatore idraulico deve attendere che la pressione si accumuli fino al raggiungimento della forza. Un altro grande vantaggio dei sistemi elettrici è che il servocontrollore regola automaticamente la corrente. Il sistema di attuatori elettrici utilizza essenzialmente la corrente “su richiesta”. Qualsiasi regolazione avviene automaticamente. Un gruppo idraulico deve mantenere costantemente la pressione nel sistema affinché il cilindro idraulico possa azionarsi, il che può risultare estremamente difficile.

Nella scelta di un sistema di attuatori elettrici, è importante considerare il numero di giri al minuto (RPM) e la coppia del motore, in combinazione con il passo della vite dell’attuatore elettrico. Abbinare la velocità e la coppia del servomotore alla resa meccanica della vite di comando può risultare complesso. Raggiungere le forze estreme che l’idraulica è in grado di produrre è del tutto possibile con la tecnologia elettrica, ma in genere l’attuatore elettrico impiegato avrà un diametro del corpo maggiore e il sistema di attuatori elettrici avrà una velocità massima che non potrà essere superata. La complessità nel dimensionamento di un sistema può essere facilmente superata, poiché i produttori di attuatori e componenti per servomotori forniscono pacchetti software di dimensionamento per il controllo del movimento di facile utilizzo che tengono conto di tutte queste variabili.

4. Attuatori elettrici a stelo vs. cilindri idraulici: capacità di velocità

Il raggiungimento di velocità elevate con forze elevate rappresenta una sfida sia per la tecnologia idraulica che per quella elettrica. L’idraulica richiede pressione per la forza e portata per la velocità. Per ottenere velocità più elevate con forze maggiori, nel sistema deve esserci una quantità sufficiente di olio pressurizzato per spingere il volume di olio richiesto all’interno di un cilindro nel tempo necessario (definito come portata). Ciò richiede in genere un sistema di accumulo per trattenere il volume pressurizzato. Il problema può aggravarsi con i cilindri a corsa lunga; gli accumulatori non carichi potrebbero causare una carenza di olio nel sistema. In definitiva, l’impiego di capacità aggiuntiva nei sistemi con accumulatori idraulici consente di raggiungere velocità elevate con forze elevate. Lo svantaggio di questa pratica è che, in assenza di un controllo servoidraulico sul sistema idraulico, l’energia in eccesso (forza × velocità) viene essenzialmente utilizzata in uno schema di controllo ad anello aperto.

Come affermato in precedenza, le capacità di forza di un sistema di attuatori elettrici dipendono dalla giusta combinazione tra il numero di giri al minuto (RPM) del servomotore, la coppia del servomotore e il vantaggio meccanico derivante dal passo della vite e, eventualmente, da un riduttore. Man mano che le dimensioni dei servomotori aumentano, la coppia in genere aumenta in modo significativo, ma il numero di giri al minuto (RPM) diminuisce. In applicazioni estreme in termini di forza e velocità, l’unico modo in cui un sistema di attuatori elettrici possa essere in grado di raggiungere le prestazioni desiderate è sovradimensionare notevolmente il sistema, il che può comportare costi proibitivi. In alternativa, è bene ricordare che un sistema di attuatori elettrici ha il controllo completo sul profilo di movimento; non è necessario che percorra l’intera lunghezza ad ogni ciclo. Inoltre, grazie al controllo dell’accelerazione e della decelerazione, il sistema elettrico può stabilizzarsi più rapidamente, riducendo il tempo di ciclo e aumentando l’efficienza. Infine, la tecnologia degli attuatori elettrici può attenuare alcune delle velocità di picco richieste, poiché consente di eseguire movimenti più intelligenti e più brevi.