Innalzamento del livello di ergonomia con gli attuatori elettrici intelligenti

Gli attuatori lineari elettrici offrono da tempo vantaggi ergonomici grazie all'automazione di attività ripetitive, sporche o pericolose.

Recentemente, l'integrazione dell'intelligenza di bordo negli attuatori elettrici ha portato il loro contributo ergonomico a un nuovo livello. Funzioni intelligenti come il controllo digitale del motore, il feedback di posizione, la sincronizzazione e il monitoraggio in tempo reale rendono ancora più semplice l'applicazione dell'automazione per migliorare il comfort, la sicurezza e l'efficienza del luogo di lavoro.

Controllo digitale del motore

Gli attuatori tradizionali dipendono spesso da relè di grandi dimensioni e poco efficienti dal punto di vista energetico o da controllori indipendenti per estendere, ritrarre o arrestare gli attuatori. L'utilizzo dell'elettronica di bordo per gestire l'alimentazione può ridurre la corrente degli interruttori o dei contatti da 20A a meno di 22mA, consentendo un design del sistema più semplice e meno costoso. Gli operatori possono far funzionare e cambiare la direzione degli attuatori con un semplice comando.

Immaginate, ad esempio, un'area di lavoro in cui gli operatori maneggiano componenti che pesano più di 100 libbre e che richiedono frequenti spostamenti e piegamenti. Se il loro tavolo di lavoro fosse controllato da attuatori dotati di commutazione a basso livello, ogni utente potrebbe regolare l'altezza a un livello che richiede una flessione o uno stiramento minimi, riducendo l'affaticamento e migliorando la produttività. (Figura 1)

Sebbene i gruppi di attuatori tradizionali possano consentire tali regolazioni, essi richiedono la commutazione esterna del motore, che assorbe più energia e deve essere effettuata manualmente. Controllando il flusso del circuito elettronicamente, invece, tutta la commutazione è incorporata nell'alloggiamento dell'attuatore, che offre anche un'impostazione più elegante e pulita, priva di cablaggi esterni.

L'automazione della commutazione del motore comporta anche vantaggi in termini di sicurezza. Un attuatore assorbe da 20 a 40 ampere, a seconda del carico. Ridurre al minimo l'esposizione a questa corrente durante l'installazione e il funzionamento consente un maggiore controllo ergonomico, riducendo al contempo il rischio di scosse dovute a relè ad alto amperaggio.

Feedback di posizione digitale

Gli attuatori elettrici intelligenti (Figura 2) non solo consentono regolazioni di precisione della posizione, ma forniscono anche un feedback in tempo reale sull'entità di tali regolazioni. Sono in grado di segnalare la posizione del carico durante l'intera corsa. Nell'esempio del tavolo da lavoro di cui sopra (Figura 1), possono acquisire dati sulla posizione del carico e confrontarli con i parametri preimpostati per garantire un funzionamento coerente.

Oltre al feedback digitale sulla posizione, è possibile misurare e controllare la velocità. Supponiamo di dover automatizzare il sollevamento o l'abbassamento di una pesante porta che protegge una particolare macchina o forma una parete divisoria. Il microcontrollore potrebbe ricevere il conteggio degli impulsi da un encoder e calcolare la distanza e la velocità di spostamento in base al numero di impulsi ricevuti in un intervallo di tempo stabilito. Rimanendo nell'esempio del portone pesante (Figura 3), ciò consentirebbe di impostare la velocità in modo che rallenti al raggiungimento della fine della corsa, evitando che il portone si chiuda prima che l'operatore abbia il tempo di liberare l'apertura.

Feedback di posizione analogico

Il feedback di posizione digitale è uno dei modi più semplici per misurare la velocità dell'attuatore, ma non è facile da programmare perché non ricorda le posizioni segnalate dopo un'interruzione di corrente o uno spegnimento. Gli attuatori intelligenti dotati di potenziometri analogici, invece, possono ricevere informazioni esatte sulla posizione dai potenziometri nella scatola degli ingranaggi dell'attuatore, che inviano segnali di tensione che avvisano gli utenti della velocità e della direzione dell'azionamento, dall'inizio alla fine della corsa. I dispositivi ricordano la posizione, quindi in caso di interruzione dell'alimentazione non è necessario tornare alla posizione iniziale e resettare il dispositivo.

L'affidabilità della memoria di posizione consente lo sviluppo di applicazioni che memorizzano le impostazioni ergonomiche per ciascun utente, permettendo di adattare l'area di lavoro a più persone in base a fattori quali l'altezza, le procedure memorizzate o le preferenze dell'utente.

Sincronizzazione

I vantaggi ergonomici degli attuatori elettrici intelligenti sono ancora più evidenti se utilizzati con più attuatori. È possibile impostare gli attuatori in modo che si adattino automaticamente ai carichi in movimento. Un'applicazione di assemblaggio di aeromobili in cui cinque o dieci operai stanno ultimando la fusoliera, ad esempio, può essere supportata da una piattaforma che deve essere sollevata da terra. Quando gli operai si muovono sulla piattaforma, il peso si sposta su diverse parti della piattaforma, causando un potenziale squilibrio. Gli attuatori intelligenti posizionati in vari punti della piattaforma (ad esempio, uno su ogni angolo) potrebbero essere impostati per autoregolarsi e compensare lo spostamento del carico durante il movimento sincrono degli attuatori. (Figura 4)

Le regolazioni che contrastano lo spostamento del carico vengono effettuate sia con il controllo della velocità che con il feedback del posizionamento. Gli attuatori comunicano tra loro attraverso una rete interna, leggono la velocità reciproca in base al feedback di posizionamento e si regolano di conseguenza.

Tuttavia, se si utilizza la retroazione digitale, si ottiene un passo discontinuo, che i progettisti possono evitare inserendo sia la posizione che la velocità nell'anello di retroazione e facendo in modo che si regolino in base alla velocità di azionamento e alla posizione. In questo modo si ottiene un vantaggio ergonomico che consente di sollevare agevolmente un carico in movimento da più punti, compensando i carichi di dimensioni scomode come piattaforme, sedili e porte pesanti.

Il controllo di più attuatori tradizionali è possibile, ma si tratta di un'operazione imprecisa, lunga e laboriosa, che sottopone gli attuatori a ulteriori sollecitazioni, causando alla fine un inceppamento o altri malfunzionamenti. La sincronizzazione intelligente degli attuatori elimina le congetture e consente di ottenere un movimento equilibrato, fluido e ben posizionato.

Monitoraggio in tempo reale

Gli attuatori elettrici intelligenti sono in grado di restituire risultati di monitoraggio continuo per temperatura, corrente, velocità, tensione e altre variabili, consentendo un monitoraggio avanzato delle condizioni, la diagnostica e la gestione degli errori. Il feedback può essere visualizzato anche dieci volte al secondo, in quanto l'attuatore si sottopone continuamente a test. Se rileva un problema (ad esempio, il superamento di una soglia di temperatura), l'attuatore può fermarsi a metà corsa o terminare il movimento programmato (completamente retratto o esteso), fermarsi e inviare un segnale di errore al computer, il tutto in una frazione di secondo.

Questo feedback consente agli utenti di allontanarsi dalle operazioni per analizzare gli schemi di utilizzo, velocità e posizione e rendere le operazioni più semplici, sicure ed efficienti. Ciò è particolarmente utile nelle impostazioni di automazione di fabbrica che integrano più dispositivi (Figura 5). I dati raccolti possono mostrare quante volte una postazione di lavoro è stata sollevata e abbassata o quante volte una porta è stata aperta e chiusa. Questi dati possono essere confrontati con la storia operativa o con le best practice del settore per migliorare la progettazione della cella.

I dati operativi possono anche essere incrociati con i rapporti sugli infortuni, che possono evidenziare la necessità di ulteriori analisi ergonomiche. Se un attuatore che posiziona uno stampo a crimpare segnala costantemente sovraccarichi, ad esempio, potrebbe indicare un tasso di incidenza di persone che si fanno male e potrebbe identificare la cella in cui ciò avviene, l'ora del giorno e i turni di lavoro interessati.

Diversificare per sopravvivere

Le numerose funzioni integrate negli attuatori elettrici intelligenti consentono agli utenti di affrontare un'applicazione pensando alla semplificazione del progetto. La possibilità di controllare gli attuatori con mezzi digitali, di fornire un feedback digitale o analogico, di consentire la sincronizzazione di più attuatori o di aggiungere il monitoraggio in tempo reale delle metriche fornisce gli strumenti necessari per svolgere il lavoro in un unico pacchetto. Ora, quando gli utenti guardano a un'applicazione, possono fornire una soluzione di automazione che va oltre la funzionalità di base di un movimento avanti e indietro. Gli attuatori elettrici intelligenti offrono un movimento plug-and-play su più assi dei processi automatizzati senza le complicazioni di altre tecnologie di automazione, come i cilindri idraulici o pneumatici. Esaminando preventivamente le esigenze dell'applicazione, l'utente può scoprire che la capacità dell'attuatore intelligente di controllare il movimento, ricordare la posizione o fornire metriche applicative può differenziarsi da un mare di altre tecnologie.

Mentre i costruttori di macchine e gli utenti finali guardano al futuro, le loro soluzioni di automazione andranno oltre la funzionalità di base e continueranno a fornire soluzioni più semplici, una maggiore durata delle apparecchiature e una sicurezza a lungo termine.

Quanto più questa capacità di controllo è intrinseca all'apparecchiatura, tanto meno si frappone tra l'utente e i vantaggi finali che si aspetta. Il guadagno può essere trovato nella soddisfazione dei lavoratori, nella sicurezza, nella salute e nella produttività ̶ a tutto vantaggio di tutti i componenti del flusso di valore.