A folyadékerő-rendszerek kiváltására tervezett elektromos aktuátorok: gyakorlati útmutató az ipari automatizáláshoz

Évtizedeken át a pneumatikus hengerek és a hidraulikus aktuátorok uralták az ipari mozgásvezérlést. Népszerűségük az egyszerű vezérlési módszerekből, a nagy és megbízható erőkifejtésből, valamint az egyszerű telepítésből fakad. Egy szelep működésbe lép, a közeg megmozdul, az aktuátor pedig kitolódik vagy visszahúzódik. A működési elv könnyen érthető, a karbantartás pedig még egyszerűbb.

A modern gyártóüzemekre azonban egyre nagyobb nyomás nehezedik az energiahatékonyság javítása, a karbantartási igény csökkentése, a szivárgások megszüntetése és a nagyobb pozicionálási pontosság elérése érdekében. Ezek a követelmények felgyorsították az elektromos aktuátorok elterjedését az olyan iparágakban, mint a csomagolás, az összeszerelés, a félvezetőgyártás és a folyamat-automatizálás.

A hagyományos fluidenergiával működő rendszerekkel ellentétben az elektromos aktuátorok precíz pozícióvezérlést, programozható mozgásprofilokat, megismételhető mozgást és valós idejű diagnosztikai lehetőségeket biztosítanak. A mérnökök a gyorsulást, a sebességet, a lassulást és a megállási pozíciót nyomásszabályozókra, áramlásszabályozókra vagy mechanikus beállításokra való támaszkodás nélkül vezérelhetik.

Történelmileg ezek az előnyök jelentős hátránnyal jártak. Az elektromos mozgatórendszerekhez gyakran szervohajtásokra, PLC-programozásra, kommunikációs hálózatokra, hangoló szoftverekre, enkóderes visszacsatoló rendszerekre és speciális mozgásvezérlési szaktudásra volt szükség.

Sok üzem számára – különösen az egyszerű pneumatikus hengerek cseréje esetén – ez a komplexitás jelentős akadályt jelentett az elterjedésben.

A modern, integrált elektromos aktuátorplatformok ezt a kihívást az aktuátor mechanikájának, a motorvezérlő elektronikának és a konfigurációs szoftvernek egyetlen csomagba integrálásával kívánják megszüntetni. Az eredmény olyan rendszer, amely megőrzi az elektromos mozgatás előnyeit, miközben fenntartja azt az egyszerű kezelhetőséget, amely a pneumatikus rendszereket annyira népszerűvé tette.

Ez a cikk az SMC e-Actuator platformját vizsgálja, és bemutatja, hogyan segítik az integrált elektromos mozgatórendszerek a gyártókat a hagyományos fluidtechnikai megoldásokról való átállásban.

Az automatizálási infrastruktúrájukat korszerűsítő üzemekben ezek a technológiák egyre inkább kiegészítik a modern gyártási műveletekben használt fejlett PLC- és PAC-rendszereket, ipari HMI-platformokat és mozgásvezérlési megoldásokat.

1. ábra. Az SMC e-Actuator sorozata egy bemutatóegységben.

Miért váltják le a gyártók a pneumatikus és hidraulikus aktuátorokat?

A pneumatikus rendszerek továbbra is az ipari automatizálás egyik legszélesebb körben alkalmazott mozgatástechnológiáját jelentik. A sűrített levegő a legtöbb gyárban könnyen elérhető, a pneumatikus hengerek pedig számos alkalmazásban megbízható működést biztosítanak.

A hidraulikus rendszerek továbbra is uralják a rendkívül nagy erőkifejtést igénylő alkalmazásokat, például a préseket, a nehézgépeket, a fémalakító berendezéseket és a nagy ipari aktuátorokat.

Ezen előnyök ellenére a fluidtechnikai technológiák számos üzemeltetési kihívást jelentenek.

A sűrített levegős rendszerek természetüknél fogva nem hatékonyak. A levegő sűrítése, elosztása, tárolása és elvezetése során jelentős energiaveszteségek keletkeznek. Az elöregedő létesítményekben gyakran alakulnak ki légszivárgások, amelyek növelik az energiaköltségeket anélkül, hogy hasznos munkát végeznének.

A hidraulikus rendszerek más jellegű problémákat vetnek fel. A folyadékszennyeződés, a tömítések degradációja, a szivárgások, a környezetvédelmi szempontok és a folyamatos karbantartási igények növelik az életciklus költségeit.

Az elektromos aktuátorok közvetlenül kezelik e problémák nagy részét.

• Nincs sűrítettlevegő-fogyasztás
• Nincs szükség hidraulikafolyadék-karbantartásra
• Nincs szivárgás miatti aggály
• Alacsonyabb működési zajszint
• Nagyobb pozicionálási pontosság
• Programozható mozgásprofilok
• Integrált diagnosztika
• Nagyobb energiahatékonyság

Talán a legfontosabb, hogy az elektromos aktuátorok pontos mozgásvezérlést biztosítanak, ahelyett hogy csupán két rögzített végpont között mozognának.

Ez a képesség lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy rugalmas gyártórendszereket hozzanak létre, amelyek mechanikai módosítások nélkül több terméket, receptúrát és üzemmódot is támogatnak.

Az elektromos mozgásvezérlő rendszerek hagyományos összetettsége

Bár az elektromos aktuátorok jelentős teljesítményelőnyöket kínálnak, a hagyományos szervóalapú mozgásvezérlő rendszerek gyakran lényegesen több mérnöki munkát igényelnek, mint a pneumatikus telepítések.

Egy hagyományos elektromos mozgásvezérlési megoldás jellemzően a következőket tartalmazza:

• Szervomotor
• Szervohajtás
• Mozgásvezérlő
• Jeladó-visszacsatolás
• Kommunikációs hálózat
• Programozási szoftver
• Energiaelosztó hardver
• Biztonsági integráció

Számos ipari létesítményben a mérnököknek egyszerűen csak arra van szükségük, hogy egy henger az A pozícióból a B pozícióba mozogjon. Egy ilyen egyszerű követelményhez a teljes szervórendszer telepítése szükségtelen bonyolultságot és költséget okozhat.

Ez a kihívás magyarázza, hogy a pneumatikus hengerek korlátaik ellenére miért maradtak elterjedtek.

A hagyományos mozgásvezérlő rendszer konfigurálásához, üzembe helyezéséhez és karbantartásához szükséges mérnöki munka gyakran meghaladja az egyszerű lineáris mozgatási alkalmazások előnyeit.

Az integrált elektromos aktuátorok ezt a szakadékot próbálják áthidalni azáltal, hogy szervószintű pozicionálási teljesítményt biztosítanak, miközben megőrzik a hagyományos fluidtechnikai vezérlési módszerek egyszerűségét.

Az SMC e-Actuator koncepciójának megértése

Az SMC EQFS e-Actuator sorozata gyakorlatias szemlélettel közelíti meg a mozgásvezérlést.

Ahelyett, hogy a mérnököknek külön motorokat, hajtásokat, visszacsatoló rendszereket és vezérlőket kellene beszerezniük, az aktuátor ezeket az alkatrészeket egy kompakt egységbe integrálja.

Ez az architektúra jelentősen csökkenti a telepítés bonyolultságát.

Az integrált vezérlő automatikusan kezeli a következőket:

• Pozíciószabályozás
• Motor-kommutáció
• Gyorsulásvezérlés
• Lassításvezérlés
• Pozíció-visszajelzés
• Mozgássorrendek
• Hibafelügyelet

Ennek eredményeként a felhasználó nagyjából ugyanúgy kezeli a munkahengert, mint egy pneumatikus munkahengert.

Egyszerű digitális bemenetek vezérlik a mozgást, miközben a belső vezérlő a háttérben működő kifinomult számításokat és vezérlési algoritmusokat kezeli.

2. ábra. Integrált vezérlő külön táp-, I/O- és konfigurációs interfészekkel.

Integrált vezérlők: az elektromos mozgatás telepítésének egyszerűsítése

Az elektromos munkahengerek alkalmazásának egyik legjelentősebb akadálya történelmileg a vezérlők bonyolultsága volt.

A hagyományos szervorendszerek gyakran kiterjedt konfigurációt és speciális szakértelmet igényelnek.

Az integrált vezérlőarchitektúrák egyszerűsítik a telepítést azáltal, hogy a mozgatásvezérlést közvetlenül a munkahenger-egységbe építik.

Telepítési szempontból a mérnökök elsősorban három csatlakozással találkoznak:

• 24 V DC tápbemenet
• Digitális I/O-interfész
• Konfigurációs interfész

Ez a kialakítás kiküszöböli az önálló mozgatásvezérlő rendszerekhez általában kapcsolódó kábelezési bonyolultság jelentős részét.

A gépgyártók számára előnyt jelent a kisebb kapcsolószekrény-igény, az egyszerűsített dokumentáció és a gyorsabb üzembe helyezés.

A karbantartó személyzet számára is előnyös, hogy a hibakeresés lényegesen egyszerűbbé válik, amikor a hajtás és a munkahenger egységes rendszerként működik.

Az elektromos rendszerek előnyei a folyadékalapú rendszerekkel szemben az elektromos infrastruktúra terén

Az elektromos munkahengerek egyik gyakran figyelmen kívül hagyott előnye a létesítmény infrastruktúrájával kapcsolatos.

A pneumatikus rendszereknek kiterjedt kiegészítő berendezésekre van szükségük, mielőtt akár egyetlen munkahenger is működtethető lenne.

Ez az infrastruktúra a következőket foglalhatja magában:

• Légkompresszorok
• Szárítók
• Szűrők
• Nyomásszabályozók
• Tárolótartályok
• Elosztócső-hálózat
• Szivárgáskezelési programok

A hidraulikus rendszerek szintén jelentős infrastruktúraberuházásokat igényelnek.

Ezek a rendszerek jellemzően szivattyúkat, tartályokat, szelepeket, hőcserélőket, szűrőrendszereket és kiterjedt csőhálózatokat foglalnak magukban.

Az elektromos aktuátorok számos ilyen követelményt megszüntetnek.

A tápelosztási infrastruktúra a legtöbb ipari létesítményben már kiépült. A távoli helyszínek elektromos csatlakozásainak kiépítése gyakran lényegesen egyszerűbb, mint új sűrített levegős vagy hidraulikus hálózatok telepítése.

Ez az előny különösen fontossá válik létesítménybővítési és korszerűsítési projektekben.

A mérnökök olyan helyeken is telepíthetnek mozgatórendszereket, ahol sűrített levegő nem áll rendelkezésre, vagy telepítése megfizethetetlenül drága lenne.

A tápellátási és I/O-csatlakozások megértése

Az e-Actuator egyszerű kábelezési megközelítést alkalmaz, amely illeszkedik az általános ipari automatizálási gyakorlatokhoz.

A tápcsatlakozó szabványos 24 V DC vezérlőtápot fogad, így kompatibilis a meglévő ipari tápellátási rendszerekkel.

A legtöbb modern automatizálási platform már 24 V DC tápellátási architektúrát használ az érzékelők, vezérlők, HMI-k és kommunikációs berendezések számára.

Ez a kompatibilitás leegyszerűsíti a rendszerintegrációt.

3. ábra. Az integrált vezérlőhöz használt tápellátási és digitális I/O-csatlakozók kiosztása.

A digitális bemeneti architektúra kissé eltér számos hagyományos PLC-bemeneti modultól.

Mivel az aktuátor belsőleg a tápfeszültségre hivatkozik, a külső eszközöknek közös elektromos referenciát kell használniuk.

Ennek az összefüggésnek a megértése fontossá válik a rendszerintegráció során.

A megfelelő földelés és a közös referencia megfelelő kezelése elősegíti a megbízható működést, miközben minimalizálja az elektromos zajt és a kommunikációs problémákat.

Az elektromos aktuátorokat Allen-Bradley ControlLogix, Siemens SIMATIC S7 vagy Schneider Modicon Quantum rendszerekkel integráló mérnököknek a telepítés során ellenőrizniük kell az általános tápfeszültség-referenciahasználati gyakorlatokat.

Az elektromos aktuátorokból leginkább profitáló ipari alkalmazások

Nem minden pneumatikus vagy hidraulikus alkalmazást kell automatikusan elektromos mozgatásra átállítani.

Bizonyos alkalmazások azonban jelentős előnyöket élvezhetnek az elektromos aktuátortechnológia révén.

Példák:

• Csomagológépek
• Pick-and-place rendszerek
• Összeszerelő berendezések
• Elektronikai gyártás
• Gyógyszeripari feldolgozás
• Élelmiszer- és italgyártás
• Laboratóriumi automatizálás
• Félvezetőipari berendezések

Ezek az alkalmazások gyakran ismételhető pozicionálást, rugalmas mozgásprofilokat és csökkentett karbantartási igényt követelnek meg.

Az elektromos aktuátorok olyan előnyöket kínálnak, amelyeket hagyományos fluidtechnikai rendszerekkel nehéz elérni.

Ahogy a gyártási környezetek egyre inkább alkalmazzák az intelligens gyárra vonatkozó stratégiákat, az elektromosan vezérelt mozgásrendszerek mind jobban illeszkednek az Ipar 4.0 olyan célkitűzéseihez, amelyek középpontjában a kapcsolódás, a diagnosztika, a hatékonyság és a működés átláthatósága áll.

Szoftveres konfiguráció: ahol az elektromos mozgatás praktikussá válik

Sok mérnök számára a szoftveres konfiguráció jelenti a legnagyobb kihívást, amikor pneumatikus hengerekről elektromos aktuátorokra térnek át.

A hagyományos mozgásvezérlési platformok gyakran kiterjedt paraméterbeállítást, kommunikációs leképezést, tengelykonfigurációt, hangolási eljárásokat és programozási szakértelmet igényelnek.

Az e-Actuator platform célja alapvetően eltérő.

Ahelyett, hogy több száz mozgásparamétert jelenítene meg, a szoftver kizárólag a gyakori ipari alkalmazásokhoz szükséges beállítások konfigurálására összpontosít.

Ez a megközelítés jelentősen lerövidíti az üzembe helyezés idejét, miközben megőrzi az elektromos mozgatás teljesítménybeli előnyeit.

A konfigurációs szoftver automatikusan azonosítja a csatlakoztatott működtetőelem-modellt, és csak a módosításhoz releváns paramétereket jeleníti meg.

Ennek eredményeként a mérnökök kevesebb időt töltenek bonyolult menük böngészésével, és több időt fordíthatnak a gép teljesítményének optimalizálására.

Csatlakozás az e-Actuator Setup Toolhoz

A konfiguráció az SMC által biztosított dedikált e-Actuator Setup Tool segítségével végezhető el.

A szoftver az integrált vezérlőn elhelyezett, dedikált M12-es konfigurációs porton keresztül kommunikál.

A kommunikáció létrehozása után a szoftver automatikusan felismeri:

• Működtető elem típusa
• Lökethossz
• Vezérlőverzió
• Elérhető üzemmódok
• Aktuális paraméterbeállítások

Ez az automatikus felismerési folyamat kiküszöböli a szervorendszerekhez hagyományosan kapcsolódó manuális beállítási eljárások nagy részét.

Több működtető elemet telepítő gépgyártók számára ez a lehetőség jelentősen lerövidítheti az indítási időt.

Az üzembe helyezést végző technikusok gyorsan ellenőrizhetik a konfigurációkat, módosíthatják a beállításokat és ellenőrizhetik a működést kiterjedt programozási ismeretek nélkül.

4. ábra. Az e-Actuator Setup Toolban elérhető üzemmódok.

Az üzemmódok ismertetése

A platform egyik leginnovatívabb jellemzője, hogy képes a megszokott pneumatikus szelepműködést utánozni.

A karbantartó technikusok és a gépkezelők már ismerik a pneumatikus irányváltó szelepek működését.

E vezérlési módszerek leképezésével jelentősen lerövidül az elektromos mozgatás elsajátítási ideje.

A platform három elsődleges üzemmódot kínál.

Egyetlen mágnesszelepes mód

Ez a mód a rugó-visszatérítésű pneumatikus szelephez hasonlóan működik.

A digitális bemenet aktiválásakor a működtető elem a parancsban megadott pozíció felé mozog.

A jel megszűnésekor a működtető elem automatikusan visszatér alaphelyzetébe.

Ez az üzemmód ideális az alábbiakhoz:

• Alkatrész-kilökő rendszerek
• Egyszerű pozicionáló eszközök
• Rögzítőszerkezetek
• Selejtterelő kapuk
• Betöltőállomások

Számos pneumatikus munkahengeres alkalmazás közvetlenül kiváltható ezzel a vezérlési módszerrel.

Kettős mágnesszelepes mód

A kettős mágnesszelepes mód a pneumatikus automatizálásban általánosan használt, kettős mágnesszelepes irányváltó szelep működését utánozza.

Az egyik digitális bemenet a kitolást, míg a második bemenet a visszahúzást vezérli.

A működtető elem megtartja a pozícióját, amíg új parancsot nem kap.

Ez a megközelítés nagyobb rugalmasságot biztosít a vezérlésben, és szorosan hasonlít a hagyományos ipari gépek kialakításához.

Az alkalmazások közé tartoznak:

• Átrakórendszerek
• Anyagmozgató berendezések
• Automatizált összeszerelő állomások
• Indexelő mechanizmusok
• Csomagolóberendezések

Zárt középállású üzemmód

A zárt középállású üzemmód olyan képességet biztosít, amely a legtöbb hagyományos pneumatikus hengerből hiányzik.

A kitolt és visszahúzott pozíció mellett a működtető köztes pozícióba is mozgatható.

Ez két digitális bemenet használatával hárompozíciós vezérlést tesz lehetővé.

A konfigurálható középső pozícióban való megállás lehetősége fejlettebb gépműködést tesz lehetővé teljes szervomozgás-vezérlő nélkül.

Az alkalmazások közé tartoznak:

• Többpozíciós alkatrészkezelés
• Válogatórendszerek
• Ellenőrzőállomások
• Átviteli mechanizmusok
• Termékpozicionáló rendszerek

Ez a funkcionalitás kiemeli az elektromos működtetők egyik legfontosabb előnyét a hagyományos folyadékenergetikai technológiákkal szemben.

A pneumatikus rendszerek és a szervovezérlés közötti szakadék áthidalása

Az üzemmódok az ipari automatizálás egészében zajló fontos trendet szemléltetik.

A gyártók egyre inkább olyan megoldásokat keresnek, amelyek a hagyományos automatizálás egyszerűségét a modern digitális technológiák rugalmasságával ötvözik.

Az elektromos működtetők egyedülálló helyet foglalnak el ebben az átmenetben.

Lényegesen nagyobb funkcionalitást biztosítanak, mint a pneumatikus hengerek, miközben elkerülik a teljes szervomozgás-platformokkal járó összetettség nagy részét.

Ez az egyensúly különösen vonzó a gépgyártók számára, akik olyan berendezéseket fejlesztenek ügyfeleiknek, akik esetleg nem rendelkeznek speciális mozgásvezérlési ismeretekkel.

Az egyszerű digitális parancsok továbbra is ismerősek a karbantartó személyzet számára, miközben a fejlett mozgásprofilok a mérnöki csapatok rendelkezésére állnak.

Az integrált mozgásprofilok előnyei

A pneumatikus hengerek egyik legnagyobb korlátja a precíz mozgásszabályozás hiánya.

Bár az áramlásszabályozók befolyásolhatják a sebességet, az ismételhető gyorsulási és lassulási profilok megvalósítása továbbra is nehéz.

A pneumatikus hengerek jellemzően olyan gyorsan mozognak, amennyire azt a rendszernyomás és a terhelési körülmények lehetővé teszik.

Ez gyakran a következőket eredményezi:

• Mechanikai ütés
• Termékkárosodás
• Zajkeltés
• Alkatrészkopás
• Csökkent pozicionálási pontosság

Az elektromos működtetők programozható mozgásprofilokkal oldják meg ezeket a problémákat.

A vezérlő folyamatosan szabályozza a motor teljesítményét, hogy a teljes mozgáspályán kontrollált mozgást biztosítson.

Ez simább működést, jobb ismételhetőséget és hosszabb élettartamot eredményez.

Nagy sebességű gyártási környezetben az ütközési erők csökkentése jelentősen javíthatja a gép megbízhatóságát és a termékminőséget.

Már önmagában ez az előny is gyakran indokolja a pneumatikus rendszerekről elektromos mozgástechnológiákra való áttérést.

Sebesség-, gyorsulás- és pozícióparaméterek konfigurálása

Az elektromos működtetők talán legnagyobb előnye a folyadékenergiával működő rendszerekkel szemben a mozgásjellemzők teljes körű szabályozhatósága.

Pneumatikus hengereknél a mérnökök jellemzően az áramlásszabályozó szelepek és a nyomásszabályozók beállítását módosítják a sebesség befolyásolására. Bár ez a megközelítés számos alkalmazásnál működik, a teljesítmény a terhelési viszonyoktól, a légnyomás ingadozásaitól és az alkatrészek kopásától függően változhat.

Az elektromos aktuátorok kiküszöbölik ezeket a változókat, mivel lehetővé teszik a mozgásparaméterek közvetlen meghatározását a vezérlőben.

A nyomás- és áramláskorlátozásokra való hagyatkozás helyett a mérnökök pontos értékeket állíthatnak be a következőkhöz:

• Gyorsulási ráta
• Maximális haladási sebesség
• Lassulási ráta
• Célpozíciók
• Köztes pozíciók
• Mozgási időzítés

A vezérlésnek ez a szintje jelentősen javítja a gyártási ciklusok közötti egyenletességet.

Minden mozgás ugyanazt a profilt követi, függetlenül a környezeti vagy működési körülmények kisebb eltéréseitől.

5. ábra. A pozíció-, sebesség-, gyorsulási és lassulási beállítások a beállítószoftveren keresztül konfigurálhatók.

Miért fontosak a mozgásprofilok a modern gyártásban?

A gyártórendszerek fejlődésével a mozgás minősége egyre fontosabbá vált.

A régebbi gyártóberendezések gyakran mindennél fontosabbnak tekintették a sebességet. Amíg a henger gyorsan kitolt és visszahúzódott, a rendszer elérte célját.

A mai gyártási környezetek ennél jóval többet követelnek.

A gyártósorok ma már kényes termékeket, könnyű anyagokat, precíziós szerelvényeket és erősen testreszabott termékváltozatokat kezelnek.

A túlzott ütközési erők károsíthatják a termékeket, ronthatják a minőséget és felgyorsíthatják a berendezések kopását.

A programozható mozgásprofilok segítenek kiküszöbölni ezeket a problémákat.

Ahelyett, hogy hirtelen nekiütköznének a mechanikus ütközőknek, az elektromos aktuátorok fokozatosan gyorsíthatnak, szabályozott haladási sebességet tarthatnak fenn, majd a célpozíció elérése előtt egyenletesen lelassulhatnak.

Az előnyök a következők:

• Kisebb mechanikai ütőterhelés
• Alacsonyabb rezgésszint
• Jobb termékminőség
• Hosszabb gépélettartam
• Alacsonyabb karbantartási költségek
• Nagyobb pozicionálási pontosság

Ezek az előnyök különösen fontossá válnak olyan iparágakban, mint az elektronikai gyártás, a gyógyszergyártás, a félvezetőgyártás és az automatizált összeszerelési műveletek.

Konfigurálható pozicionálás a mechanikai végütközőkön túl

A hagyományos pneumatikus hengerek jellemzően két rögzített mechanikai végállás között működnek.

Ha eltérő pozícióra van szükség, a mérnököknek gyakran mechanikus ütközőket kell felszerelniük, át kell tervezniük a hardvert, vagy más lökethosszúságú aktuátort kell választaniuk.

Az elektromos aktuátorok lényegesen nagyobb rugalmasságot biztosítanak.

A szoftver lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy a működési pozíciókat az aktuátor fizikai lökethatáraitól függetlenül határozzák meg.

Ez azt jelenti, hogy egyetlen aktuátor több gépkonfigurációt is képes támogatni mechanikai módosítás nélkül.

Példák:

• Termékspecifikus receptek
• Többféle csomagméret
• Rugalmas összeszerelési műveletek
• Automatizált átállások
• Adaptív gyártórendszerek

Ahogy a gyártók egyre inkább rugalmas gyártási stratégiákat követnek, ez a képesség jelentős versenyelőnnyé válik.

Ahelyett, hogy a kezelők fizikailag beállítanák a gépeket a gyártási futamok között, egyszerűen kiválaszthatnak egy új receptet a gép kezelőfelületén.

A munkahenger automatikusan az új konfigurációs paramétereknek megfelelően mozog.

Az Ipar 4.0 és az intelligens gyártás előnyei

A folyadékenergiáról az elektromos mozgatásra való áttérés szorosan illeszkedik a szélesebb körű Ipar 4.0 kezdeményezésekhez.

A modern gyárak egyre inkább olyan hálózatba kapcsolt berendezésekre támaszkodnak, amelyek üzemeltetési átláthatóságot, diagnosztikai információkat és teljesítményelemzést biztosítanak.

A pneumatikus hengerek általában korlátozott visszajelzést kínálnak.

Legfeljebb külső érzékelőket telepíthetnek a mérnökök a kitolt és visszahúzott helyzet meghatározására.

Az elektromos munkahengerek természetüknél fogva jóval gazdagabb üzemeltetési adatokat generálnak.

Példák:

• Pozíció-visszajelzés
• Mozgásállapot
• Ciklusszámok
• Hibafeltételek
• Mozgási időzítés
• Teljesítménytrendek
• Üzemeltetési előzmények

Ezek az információk támogathatják a prediktív karbantartási kezdeményezéseket és javíthatják a berendezések általános hatékonyságát.

A modern ipari kommunikációs hálózatokkal és ipari számítástechnikai platformokkal integrálva az elektromos munkahengerek értékes adatforrássá válnak a hálózatba kapcsolt gyártási környezetekben.

Energiahatékonysági összehasonlítás: elektromos és pneumatikus rendszerek

Az energiahatékonyság továbbra is az elektromos munkahengerek alkalmazása mellett szóló egyik legerősebb érv.

A sűrített levegőt gyakran a gyártóüzemek egyik legdrágább közműszolgáltatásaként írják le.

A sűrített levegő előállítása jelentős mennyiségű elektromos energiát igényel.

További veszteségek keletkeznek az alábbiak révén:

• Kompressziós veszteségek
• Elosztócső-hálózati veszteségek
• Nyomásesések
• Levegőszivárgások
• Szelepveszteségek
• Kipufogási veszteségek

Iparági tanulmányok gyakran becslik úgy, hogy a gyárakban előállított sűrített levegő jelentős része soha nem végez hasznos munkát.

Az elektromos munkahengerek közvetlenül alakítják át az elektromos energiát mechanikus mozgássá.

Ez a közvetlen átalakítási folyamat általában jóval nagyobb teljes rendszerhatásfokot eredményez.

A több gyártósoron több száz munkahengert üzemeltető létesítményekben az összesített energiamegtakarítás jelentős lehet.

Ezek a megtakarítások gyakran javítják a teljes élettartamköltség számítását az elektromos és pneumatikus technológiák összehasonlításakor.

A karbantartási igények csökkentése

A karbantartási szempontok túlmutatnak az energiafogyasztáson.

A folyadékenergetikai rendszerek folyamatos figyelmet igényelnek a megbízható működés fenntartásához.

A gyakori karbantartási tevékenységek közé tartoznak:

• Szivárgásészlelés
• Tömítéscsere
• Szűrő karbantartása
• Nyomásbeállítás
• Kenéskezelés
• Levegőminőség-ellenőrzés
• Hidraulikafolyadék cseréje

Az elektromos aktuátorok számos ilyen követelményt megszüntetnek.

Bár a mechanikai alkatrészek továbbra is rendszeres ellenőrzést igényelnek, a sűrített levegő és a hidraulikafolyadékok hiánya egyszerűsíti a hosszú távú karbantartási stratégiákat.

A megbízhatóságközpontú karbantartási programokat bevezető létesítmények egyre inkább az elektromos mozgatórendszereket tekintik a nem tervezett állásidő és a karbantartási munkaterhelés csökkentésének egyik módszereként.

6. ábra. A mozgásparaméterek közvetlenül az aktuátorra írhatók, ami egyszerűsíti az üzembe helyezést és a későbbi konfigurációmódosításokat.

Ipari alkalmazások, amelyekben az elektromos aktuátorok a legnagyobb értéket biztosítják

Bár az elektromos aktuátorok számos pneumatikus munkahengert kiválthatnak, a legnagyobb megtérülés gyakran a rugalmasságot, pontosságot és ismételhetőséget igénylő alkalmazásokban érhető el.

Nem minden gép profitál egyformán az elektromos mozgatásból.

Az egyszerű, folyamatosan nagy sebességgel működő toló- és visszahúzó alkalmazások az alacsonyabb kezdeti költségek miatt továbbra is előnyben részesíthetik a pneumatikus technológiát.

Azonban a szabályozott pozicionálást, termékváltást vagy több üzemmódot igénylő alkalmazások gyakran előnyösebben oldhatók meg elektromos rendszerekkel.

A legsikeresebb alkalmazások közé tartoznak:

• Automatizált összeszerelő rendszerek
• Csomagológépek
• Dobozcsomagoló berendezések
• Termékellenőrző állomások
• Robotizált átrakórendszerek
• Elektronikai gyártósorok
• Orvostechnikai eszközök gyártása
• Félvezető-feldolgozó berendezések

Ezekben a környezetekben jelentős működési előnyt biztosít, hogy a mozgásparaméterek hardveres beállítások helyett szoftveresen módosíthatók.

A csomagológépek korszerűsítése

A csomagolóberendezések jelentik az elektromos aktuátorok alkalmazásának egyik legnagyobb lehetőségét.

A hagyományos csomagolórendszerek gyakran több tucat, az alábbiakért felelős pneumatikus munkahengert tartalmaznak:

• Termékpozicionálás
• Kartondobozok kezelése
• Kapuműködtetés
• Alkatrészek selejtezése
• Dobozbetöltés
• Címkepozicionálás

A termékválaszték bővülésével a gyártók gyakran küzdenek a hosszadalmas átállási folyamatokkal.

Mechanikai beállításokra akkor van szükség, amikor a csomag méretei megváltoznak.

Az elektromos aktuátorok lehetővé teszik ezen beállítások automatikus végrehajtását.

A megállítók és vezetők kézi áthelyezése helyett a kezelők egyszerűen kiválasztanak egy új termékreceptet.

A gép ezt követően automatikusan beállítja az aktuátorok pozícióját a tárolt konfigurációs paraméterek alapján.

Ez a képesség jelentősen csökkenti az átállási időt, miközben javítja az ismételhetőséget.

Számos csomagolástechnikai OEM-gyártó ma már elektromos aktuátorokat kombinál ipari HMI-rendszerekkel, hogy felhasználóbarát beállítási felületeket hozzon létre, amelyek egyszerűsítik a gép működtetését.

Automatizált összeszerelő rendszerek

Az összeszerelési műveletek gyakran lényegesen nagyobb pozicionálási pontosságot igényelnek, mint amit a pneumatikus hengerek megbízhatóan biztosítani tudnak.

A komponenseket pontosan illeszteni kell, mielőtt a behelyezési, rögzítési, hegesztési vagy ellenőrzési műveletek megkezdődnek.

Az elektromos aktuátorok ismételhető pozicionálási teljesítményt kínálnak, amely támogatja a következőket:

• Alkatrészek behelyezése
• Préskötéses összeszerelés
• Rögzítőelemek pozicionálása
• Csatlakozó-szerelés
• Alkatrész-átadási műveletek

Mivel a pozicionálás szoftveresen definiált, a mérnökök könnyen módosíthatják a mozgásprofilokat a termékek fejlődésével párhuzamosan.

Ez a rugalmasság egyre értékesebbé válik azokban a gyártási környezetekben, ahol több termékváltozat készül közös gyártóberendezéseken.

Élelmiszer- és italgyártás

Az élelmiszergyártó létesítmények működési és fenntarthatósági okokból egyaránt folyamatosan vizsgálják a pneumatikus rendszerek alternatíváit.

A sűrített levegő továbbra is elterjedt az élelmiszer-feldolgozó üzemekben, de a teljes levegőfogyasztás csökkentése jelentősen javíthatja az energiahatékonyságot.

Az elektromos aktuátorok további előnyöket is kínálnak, többek között:

• Alacsonyabb energiafogyasztás
• Jobb pozicionálási állandóság
• Alacsonyabb karbantartási igény
• Egyszerűsített higiéniai eljárások
• Jobb folyamatismételhetőség

Az olyan alkalmazások, mint a töltés, a válogatás, a csomagolás és az anyagmozgatás, gyakran profitálnak az elektromos mozgásrendszerek által nyújtott precíz vezérlési jellemzőkből.

A gépgyártók és OEM-ek tervezési előnyei

A gépgyártókra állandó nyomás nehezedik, hogy csökkentsék a tervezési ráfordítást, miközben javítják a gép teljesítményét.

Az integrált elektromos aktuátorok mindkét cél elérését segítik.

A hagyományos mozgásrendszerek gyakran több beszállító összehangolását igénylik, beleértve az aktuátorgyártókat, hajtásbeszállítókat, kábelbeszállítókat és vezérlőrendszer-szolgáltatókat.

Az integrált aktuátorplatform a komplexitás jelentős részét egyetlen rendszerben egyesíti.

A gépgyártók előnyei közé tartoznak:

• Kevesebb alkatrész
• Egyszerűsített villamos tervezés
• Gyorsabb összeszerelés
• Kisebb helyigény a kapcsolószekrényben
• Egyszerűsített dokumentáció
• Rövidebb üzembe helyezési ciklusok

Ezek az előnyök jelentősen csökkenthetik a gépfejlesztési költségeket, miközben javítják a berendezésplatformok közötti szabványosítást.

Integráció modern PLC-platformokkal

Az elektromos aktuátorok folyamatosan növekvő népszerűségének egyik oka a modern ipari vezérlőrendszerekkel való kompatibilitásuk.

Az egyszerű digitális bemeneti architektúra gyakorlatilag bármely PLC-platformmal lehetővé teszi az egyszerű integrációt.

A gyakori integrációs platformok közé tartoznak:

• Allen-Bradley ControlLogix
• Allen-Bradley CompactLogix
• Siemens SIMATIC S7
• Mitsubishi MELSEC iQ-R
• Omron CJ sorozat
• Schneider Modicon Quantum

Mivel az aktuátorvezérlő belsőleg végzi a mozgásszámításokat, a PLC-nek csak egyszerű parancsjeleket kell biztosítania.

Ez a felépítés minimális programozási igényt biztosít, miközben megőrzi a kompatibilitást a meglévő automatizálási infrastruktúrával.

Amikor a pneumatikus rendszerek továbbra is célszerűek

Az elektromos aktuátorok előnyei ellenére a pneumatikus technológia továbbra is rendkívül hatékony számos ipari alkalmazásban.

A mérnököknek objektíven kell értékelniük a követelményeket, ahelyett hogy automatikusan azt feltételeznék, hogy az újabb technológiák mindig a legjobb megoldást nyújtják.

A pneumatikus hengerek gyakran továbbra is előnyösek, ha:

• Rendkívül magas ciklusszám szükséges
• A pozicionálási pontosság nem kritikus
• Meglévő sűrítettlevegő-infrastruktúra áll rendelkezésre
• A kezdeti költség az elsődleges szempont
• A környezeti feltételek szélsőségesek
• Az egyszerű, végponttól végpontig tartó mozgatás elegendő

A legsikeresebb mérnöki döntések a teljes életciklus költségeinek értékelésén alapulnak, nem kizárólag a kezdeti vételárra összpontosítanak.

Számos üzemben a pneumatikus, hidraulikus és elektromos mozgástechnológiák kombinációja biztosítja az optimális megoldást.

Az ipari mozgásvezérlés jövője

Az ipari automatizálás jövőjét várhatóan az intelligens elektromos mozgásrendszerek egyre szélesebb körű alkalmazása jellemzi majd.

Számos iparági trend továbbra is ösztönzi ezt az átállást:

• Ipar 4.0 kezdeményezések
• Prediktív karbantartási programok
• Energiahatékonysági célok
• Rugalmas gyártási követelmények
• Digitális átalakítási projektek
• Munkaerő- és szaktudáshiány

Az integrált elektromos aktuátorok egyszerre számos ilyen kihívásra kínálnak megoldást.

Fejlettebb diagnosztikát, szoftveresen konfigurálható működést, jobb energiahatékonyságot és egyszerűbb karbantartást biztosítanak, miközben továbbra is könnyen használhatók a hagyományos automatizálási rendszerekben jártas technikusok számára.

A vezérléstechnika folyamatos fejlődésével az elektromos aktuátorok várhatóan még könnyebben telepíthetővé válnak, miközben egyre fejlettebb képességeket kínálnak.

Összegzés

Az elektromos aktuátorok már nem korlátozódnak az összetett, szervovezérelt alkalmazásokra. Az olyan modern integrált megoldások, mint az SMC e-Actuator platform, jól példázzák, hogy az elektromos mozgástechnológia miként biztosíthatja a pneumatikus rendszerekhez hagyományosan társított egyszerűséget, miközben a modern motorvezérlési technológia pontosságát, rugalmasságát és hatékonyságát is nyújtja.

A vezérlők közvetlenül az aktuátoregységbe történő integrálásával, a kábelezési igények egyszerűsítésével és intuitív szoftveres konfigurációs eszközök biztosításával ezek a rendszerek számos olyan akadályt csökkentenek, amelyek korábban visszatartották az elektromos mozgástechnológia alkalmazását.

A nagyobb hatékonyságra, a csökkentett karbantartási igényre, a jobb pozicionálási pontosságra és a nagyobb gyártási rugalmasságra törekvő gyártók számára az elektromos aktuátorok meggyőző alternatívát kínálnak a hagyományos fluidtechnikai rendszerekkel szemben. Bár a pneumatikus és hidraulikus technológiák továbbra is fontos ipari szerepet töltenek be, az integrált elektromos mozgásmegoldások egyre vonzóbb lehetőséget jelentenek a következő generációs automatizálási rendszerek számára.