Attuatori lineari elettrici ad alta potenza in un piccolo pacchetto

I progettisti di macchine per il mobile-off-highway, la movimentazione dei materiali, l'automazione di fabbrica e altre applicazioni affamate di potenza possono ora ottenere attuatori elettrici che forniscono fino a due kilonewton (kN) / 450 libbre di forza (lbf) con elettronica avanzata a bordo

Gli attuatori lineari elettromeccanici stanno fornendo sempre più potenza e intelligenza in fattori di forma più piccoli. L'impacchettamento di una maggiore capacità di controllo del movimento in un involucro più compatto ha dato origine a una nuova generazione di attuatori ad alta densità di potenza. I progettisti di macchine per il settore mobile-off-highway, la movimentazione dei materiali, l'automazione di fabbrica e altre applicazioni affamate di potenza possono ora ottenere attuatori elettrici che forniscono fino a due kilonewton (kN) / 450 libbre di forza (lbf) con elettronica avanzata a bordo ̶ il tutto in un componente che richiede meno spazio e più efficienza di costo rispetto agli attuatori idraulici o elettromeccanici più pesanti che potrebbero essere stati precedentemente utilizzati per tali applicazioni.

La convergenza delle seguenti tendenze industriali sta stimolando la domanda di attuatori lineari con una maggiore densità di potenza:

- I progettisti dell'automazione industriale stanno cercando di azionare carichi più pesanti in spazi più ristretti senza i requisiti ambientali e di manutenzione degli attuatori idraulici;

- Gli ingegneri di sistema cercano informazioni operative e diagnostiche più precise per ottimizzare le prestazioni e affrontare le sfide più complesse del controllo del movimento;

- Gli OEM stanno lavorando per progettare macchinari più complessi in un pacchetto più condensato che fornisce loro maggiore flessibilità ed economia

Primi passi verso un controllo del movimento più efficiente in termini di spazio

I progettisti di applicazioni che richiedono più di 2 kN / 450 lbf in un involucro compatto hanno tradizionalmente utilizzato l'idraulica, la pneumatica o anche una soluzione elettromeccanica servoazionata. Questi sistemi, tuttavia, richiedevano anche l'integrazione di molti componenti esterni, come motori, pompe, serbatoi e tubi flessibili. Il fatto che questi sistemi siano anche costosi da mantenere a causa delle perdite di fluido ha contribuito a guidare la domanda di alternative.

Negli ultimi 20 anni, gli attuatori elettromeccanici industriali hanno ampliato l'offerta di forza fino a 16 kN / 3597 lbf nel tentativo di consentire una maggiore conversione idraulica. Complementare a questa potenza è l'integrazione dell'elettronica a bordo, che, oltre ad aiutare a fornire il controllo del movimento necessario per aumentare le prestazioni a livelli più alti, rende anche le apparecchiature esterne che consumano spazio, come encoder, relè e interruttori, definibili via software in modo che possano essere gestite all'interno dell'alloggiamento dell'attuatore. Questo elimina la necessità di spazio richiesto da tali dispositivi e dal loro cablaggio necessario, dando al progettista della macchina molta più flessibilità.

Ridurre l'ingombro

Mentre il mercato ha accolto attuatori più potenti con la capacità di convertire gli assi tradizionalmente idraulici in elettromeccanici, molti fornitori di macchine mobili off-highway, per la movimentazione dei materiali e l'automazione di fabbrica hanno anche richiesto un design più compatto per soddisfare le esigenze della loro base di clienti. In generale, le macchine stanno diventando più complesse e, allo stesso tempo, più compatte. Al fine di soddisfare le tendenze del loro settore, i costruttori di macchine stanno ora progettando attrezzature più complesse trovando al contempo modi creativi per renderle più compatte. I fornitori di tecnologia per il controllo del movimento hanno risposto con progressi negli ingranaggi, nel dimensionamento dei motori, nell'elettronica di bordo e in altre innovazioni che hanno portato a una nuova razza di attuatori elettromeccanici che si sono ridotti nelle dimensioni complessive rispetto ai loro predecessori tradizionali, pur aumentando la densità di potenza.

E con la maggiore potenza, questi attuatori elettromeccanici più compatti mantengono tutta l'intelligenza incorporata nelle loro controparti più grandi ̶ un elemento chiave di differenziazione rispetto agli attuatori a base di fluido. I vantaggi del controllo elettronico includono un'ampia automazione e la possibilità di manutenzione come il feedback sulla posizione, le comunicazioni J1939 CAN bus e LIN bus, la commutazione a bassa corrente, l'uscita di indicazione di fine corsa, la sincronizzazione di più attuatori e l'opzione di utilizzo con PLC.

Thomson Industries, per esempio, ha progettato un attuatore elettromeccanico per carichi fino a 2 kN / 450 lbf che ha tutte le stesse capacità elettroniche di un modello che può gestire 16 kN / 3597 lbf, ma lo offre in una custodia più piccola.

Selezione di attuatori a maggiore densità di potenza

Mentre la selezione dell'attuatore è tradizionalmente iniziata con la determinazione del carico richiesto, della lunghezza della corsa e della velocità, molti progettisti di sistemi di controllo del movimento stanno scoprendo che i vincoli di spazio sono uno di questi fattori di selezione di base. In alcuni casi, i carichi richiesti possono aumentare o rimanere stabili a livelli più alti perché le geometrie delle macchine non cambiano molto, costringendo i progettisti a fare un compromesso tra dimensioni e forza richiesta. A complicare la sfida c'è il fatto che soddisfare i vincoli di dimensione può effettivamente richiedere più forza.

I veicoli mobili off-highway sono un buon esempio di una categoria di applicazioni che beneficia di un minore ingombro dell'attuatore. I veicoli più piccoli tendono ad essere più facili da gestire, più efficienti dal punto di vista energetico e spesso possono essere più efficienti dal punto di vista dei costi, specialmente se i progettisti non devono fornire più capacità di carico di quanto sia effettivamente richiesto per il compito da svolgere

Una mietitrebbia da raccolta, per esempio, potrebbe avere alcuni componenti che richiedono fino a 16 kN / 3597 lbf ma altre attrezzature mobili che non lo fanno. Sistemi come il setaccio, che aiuta a separare la granella consumabile dalla pula, o il deviatore del vento, che dirige la pula a sinistra o a destra della mietitrebbia a seconda della direzione del vento, possono ancora richiedere una gestione del carico più pesante, ma molto meno di 3597 lbf. Queste attrezzature sono spesso situate in parti del veicolo con limitazioni di spazio, e tutto ciò che può essere fatto per ottimizzare questo spazio sarebbe benvenuto.

I meccanismi di bloccaggio nei sistemi di movimentazione dei materiali e le regolazioni ergonomiche su un trasportatore sono altre applicazioni che possono beneficiare di attuatori a più alta densità di potenza. Molte di queste applicazioni potrebbero utilizzare qualcosa che può gestire carichi fino a 2 kN / 450 lbf ma raramente, se mai, avrebbero bisogno di avvicinarsi alla capacità di 16 kN / 3597 lbf

Un altro esempio di automazione potrebbe essere un attuatore utilizzato per sollevare o abbassare un trasportatore pesante per gestire cartoni di varie dimensioni. Tali operazioni possono essere richieste solo poche volte al giorno e automatizzarle con un sistema pesante non sarebbe probabilmente efficace dal punto di vista dei costi. Un sistema a maggiore densità di potenza, tuttavia, offrirebbe un attuatore più efficace in un ingombro minore, che potrebbe portare i vantaggi dell'automazione a un ambiente operativo precedentemente manuale, potenzialmente pericoloso e - rispetto agli attuatori a fluido - più sporco.

Andando avanti

In generale, la nuova generazione di attuatori di piccole dimensioni e ad alta densità di potenza è ideale per applicazioni che richiedono fino a 2 kN / 450 lbf di capacità e intelligenza a bordo. Qualsiasi cosa più grande richiederebbe probabilmente un attuatore elettromeccanico più grande, la sincronizzazione di più attuatori intelligenti, o - se il funzionamento pulito e la precisione non sono essenziali - una soluzione alimentata a fluido. Se l'intelligenza a bordo non è critica e il carico richiesto è inferiore a 0,5 kN / 112 lbf, un attuatore elettromeccanico più semplice potrebbe rientrare nei limiti di spazio disponibili.

Anche se lo spazio non è una considerazione primaria, rendere un componente più piccolo senza rinunciare alla potenza o all'intelligenza potrebbe aggiungere valore al prodotto finale in termini di flessibilità, costo, consumo energetico e manutenzione. Senza un attuatore intelligente di minore densità, le opzioni sono di implementare un attuatore più grande o di limitare la funzionalità. Con l'attuatore più compatto, ci saranno meno compromessi nella progettazione. I progettisti avranno la potenza di cui hanno bisogno, insieme a un migliore accesso ai dati operativi e alla capacità di sincronizzarsi con altri attuatori.

Man mano che l'Internet industriale delle cose e le iniziative dell'Industria 4.0 guidano lo sviluppo di applicazioni più connesse e intelligenti, la domanda di attuatori più compatti è destinata a crescere. E con questo arriva una maggiore capacità di integrare meccanismi precedentemente isolati e di scalare i sistemi di controllo del movimento per la massima flessibilità e il vantaggio dei costi.