A pneumatikus hengerek és a hidraulikus aktuátorok évtizedeken át uralták az ipari mozgásvezérlést. Népszerűségük az egyszerű vezérlési módszerekből, a nagy és megbízható erőkifejtésből, valamint az egyszerű telepítésből fakad. Egy szelep működésbe lép, a munkaközeg megmozdul, az aktuátor pedig kitolódik vagy visszahúzódik. A koncepció könnyen érthető, a karbantartása 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 fluidtechnikai rendszerekkel ellentétben az elektromos aktuátorok precíz pozíciószabályozást, programozható mozgásprofilokat, ismételhető 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 mozgásrendszerekhez gyakran szervohajtásokra, PLC-programozásra, kommunikációs hálózatokra, hangoló szoftverekre, enkóderes visszacsatoló rendszerekre és speciális mozgásvezérlési szakértelemre volt szükség.

Számos üzemben, különösen az egyszerű pneumatikus hengerek cseréjekor, ez a komplexitás jelentős akadályt jelentett az alkalmazásban.

A modern, integrált elektromos aktuátorplatformok ezt a kihívást az aktuátormechanika, a motorvezérlő elektronika és a konfigurációs szoftver egyetlen csomagba integrálásával igyekeznek kiküszöbölni. Az eredmény egy olyan rendszer, amely az elektromos mozgatás előnyeit a pneumatikus rendszereket népszerűvé tevő egyszerű kezelhetőség megőrzése mellett biztosítja.

Ez a cikk az SMC e-Actuator platformját vizsgálja, és bemutatja, hogyan segítik az integrált elektromos mozgásrendszerek 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 bemutatóegységében látható e-Actuator sorozat.

Miért cserélik le a gyártók a pneumatikus és hidraulikus aktuátorokat?

A pneumatikus rendszerek továbbra is az ipari automatizálásban legszélesebb körben használt mozgástechnológiák közé tartoznak. A sűrített levegő a legtöbb gyárban könnyen rendelkezésre áll, a pneumatikus hengerek pedig számos alkalmazásban megbízható működést biztosítanak.

A hidraulikus rendszerek továbbra is meghatározóak a rendkívül nagy erőkifejtést igénylő alkalmazásokban, például a préseknél, a nehézgépeknél, a fémalakító berendezéseknél és a nagy ipari aktuátoroknál.

Ezen előnyök ellenére a fluidtechnikai technológiák számos üzemeltetési kihívást is jelentenek.

A sűrített levegős rendszerek természetüknél fogva nem hatékonyak. Jelentős energiaveszteség keletkezik a levegő sűrítése, elosztása, tárolása és elvezetése során. Az elöregedő létesítményekben gyakran alakulnak ki légszivárgások, amelyek hasznos munka végzése nélkül növelik az energiaköltségeket.

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

Az elektromos aktuátorok közvetlenül kezelik e problémák jelentős részét.

• Nincs sűrített levegőfogyasztás
• Nincs szükség hidraulikafolyadék-karbantartásra
• Nincs szivárgással kapcsolatos aggály
• Alacsonyabb működési zaj
• Nagyobb pozicionálási pontosság
• Programozható mozgásprofilok
• Integrált diagnosztika
• Nagyobb energiahatékonyság

Talán a legfontosabb, hogy az elektromos aktuátorok nem csupán két rögzített végpont közötti mozgatást tesznek lehetővé, hanem a mozgás precíz vezérlését is biztosítják.

Ez a képesség lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy rugalmas gyártórendszereket hozzanak létre, amelyek több termék, receptúra és üzemmód támogatására is képesek mechanikai módosítások nélkül.

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
• Szervóhajtás
• 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 feladathoz teljes szervórendszert telepíteni szükségtelen bonyolultságot és költséget eredményezhet.

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 alkalmazásokból származó előnyöket.

Az integrált elektromos aktuátorok ezt a hiányt 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 sorozat gyakorlatias megközelítést alkalmaz a mozgásvezérlésben.

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 nagymértékben csökkenti a telepítés bonyolultságát.

Az integrált vezérlő automatikusan kezeli a következőket:

• Pozíciószabályozás
• Motor-kommutáció
• Gyorsításvezérlés
• Lassításvezérlés
• Pozíció-visszacsatolás
• Mozgássorrend
• Hibafelügyelet

Ennek eredményeként a felhasználó nagyjából úgy kezeli az aktuátort, mint egy pneumatikus munkahengert.

Az egyszerű digitális bemenetek vezérlik a mozgást, miközben a belső vezérlő a háttérben működő összetett számításokat és vezérlési algoritmusokat kezeli.

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

Integrált vezérlők: az elektromos mozgásrendszerek telepítésének egyszerűsítése

Az elektromos aktuátorok 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 mozgásvezérlési intelligenciát közvetlenül az aktuátoregységbe építik.

Telepítési szempontból a mérnökök elsősorban három csatlakozással dolgoznak:

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

Ez a kialakítás kiküszöböli az önálló mozgásvezérlő rendszereknél általánosan előforduló kábelezési bonyolultság jelentős részét.

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

A karbantartó személyzet is profitál ebből, mivel a hibaelhárítás lényegesen egyszerűbbé válik, amikor a hajtás és az aktuátor egységes rendszerként működik.

Az elektromos infrastruktúra előnyei a fluidtechnikai rendszerekkel szemben

Az elektromos aktuátorok egyik gyakran figyelmen kívül hagyott előnye a létesítményi infrastruktúrával kapcsolatos.

A pneumatikus rendszerekhez kiterjedt segédberendezésekre van szükség, 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 hasonlóan jelentős infrastrukturális beruházásokat igényelnek.

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

Az elektromos aktuátorok számos ilyen követelményt kiküszöbölnek.

Az ipari létesítmények többségében már kiépült a tápelosztási infrastruktúra. Az elektromos csatlakozások távoli helyszínekre történő kiterjesztése 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 mozgásrendszereket, ahol a sűrített levegő nem áll rendelkezésre, vagy a kiépítése 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 vezérlőfeszültséget fogad, így kompatibilis a meglévő ipari táprendszerekkel.

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

Ez a kompatibilitás leegyszerűsíti a rendszerintegrációt.

3. ábra. Az integrált vezérlő által használt tápellátási és digitális I/O-csatlakozókiosztás.

A digitális bemeneti architektúra némileg 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 minimálisra csökkenti 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-referencia gyakorlatokat.

Az elektromos aktuátorokból leginkább profitáló ipari alkalmazások

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

Bizonyos alkalmazások azonban jelentős előnyt húzhatnak az elektromos aktuátortechnológiából.

Például:

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

Ezek az alkalmazások gyakran megismételhető pozicionálást, rugalmas mozgásprofilokat és kisebb karbantartási igényt követelnek meg.

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

Ahogy a gyártási környezetek egyre inkább alkalmazzák az intelligens gyár stratégiáit, az elektromosan vezérelt mozgásrendszerek egyre jobban összhangba kerülnek az Ipar 4.0 olyan célkitűzéseivel, amelyek középpontjában a csatlakoztathatóság, a diagnosztika, a hatékonyság és a működés átláthatósága áll.

Szoftverkonfiguráció: ahol az elektromos mozgás praktikussá válik

Sok mérnök számára a szoftverkonfiguráció 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.

A több száz mozgásparaméter megjelenítése helyett 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 teljesítményelőnyeit.

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 közötti navigálással, 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 használatával végezhető el.

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

A kommunikáció létrehozása után a szoftver automatikusan felismeri:

• Működtetőelem típusa
• Lökethossz
• Vezérlőverzió
• Elérhető üzemmódok
• Aktuális paraméterbeállítások

Ez az automatikus felismerési folyamat számos, a szervorendszerekhez hagyományosan kapcsolódó manuális beállítási eljárást megszüntet.

Több működtetőelemet telepítő gépgyártók esetében ez a képesség jelentősen csökkentheti az indítási időt.

Az üzembe helyezést végző technikusok gyorsan ellenőrizhetik a konfigurációkat, módosíthatják a beállításokat és ellenőrizhetik a működést anélkül, hogy kiterjedt programozási ismeretekre lenne szükségük.

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

Az üzemmódok ismertetése

A platform egyik leginnovatívabb tulajdonsága, hogy képes a jól ismert pneumatikus szelepek működését utánozni.

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

Ezeknek a vezérlési módszereknek a megismétlésével jelentősen lerövidül az elektromos mozgatás elsajátításához szükséges idő.

A platform három elsődleges üzemmódot kínál.

Egyetlen szolenoid üzemmód

Ez az üzemmód a rugóvisszatérítésű pneumatikus szelephez hasonlóan működik.

A digitális bemenet aktiválásakor a működtetőelem a megadott pozíció felé mozog.

A jel megszűnésekor a működtetőelem automatikusan visszatér alaphelyzetébe.

Ez az üzemmód ideális az alábbiakhoz:

• Alkatrész-kilökő rendszerek
• Egyszerű pozicionáló eszközök
• Befogómechanizmusok
• Selejtleválasztó kapuk
• Betöltőállomások

Számos pneumatikus munkahengeres alkalmazás közvetlenül kiváltható ezzel a vezérlési módszerrel.

Kettős szolenoid üzemmód

A kettős szolenoid üzemmód a pneumatikus automatizálásban gyakran használt, kettős szolenoidos irányváltó szelep működését utánozza.

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

A működtetőelem mindaddig megtartja a pozícióját, amíg új parancsot nem kap.

Ez a megközelítés rugalmasabb vezérlést tesz lehetővé, és szorosan hasonlít a hagyományos ipari gépek kialakítására.

Az alkalmazások közé tartoznak:

• Átviteli rendszerek
• Anyagmozgató berendezések
• Automatizált összeszerelőállomások
• Léptetőmechanizmusok
• Csomagolóberendezések

Zárt középállású üzemmód

A zárt középállású üzemmód olyan képességet biztosít, amely a legtöbb hagyományos pneumatikus hengernél nem érhető el.

A kitolási és visszahúzási pozíciók mellett az aktuátor köztes pozícióba is mozgatható.

Ez két digitális bemenet használatával hárompozíciós vezérlést tesz lehetővé.

Az állítható 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 rávilágít az elektromos aktuátorok egyik fő előnyére a hagyományos fluidtechnikai technológiákkal szemben.

A pneumatikus és a szervovezérlés közötti szakadék áthidalása

Az üzemmódok az ipari automatizálás egészében zajló fontos tendenciát szemléltetik.

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

Az elektromos aktuátorok egyedi helyet foglalnak el ebben az átmenetben.

A pneumatikus hengereknél lényegesen nagyobb funkcionalitást kínálnak, miközben elkerülik a teljes szervomozgatási platformokhoz kapcsolódó összetettség jelentős részét.

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

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

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 a rendszernyomás és a terhelési feltételek lehetővé teszik.

Ez gyakran a következőket eredményezi:

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

Az elektromos aktuátorok programozható mozgásprofilokkal oldják meg ezeket a problémákat.

A vezérlő folyamatosan szabályozza a motor kimenetét, hogy a teljes mozgási út során kontrollált mozgást biztosítson.

Ennek eredménye egyenletesebb működés, jobb ismételhetőség és hosszabb élettartamú berendezés.

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 mozgatástechnológiákra való átállást.

Sebesség-, gyorsulás- és pozícióparaméterek konfigurálása

Talán az elektromos aktuátorok legnagyobb előnye a fluidtechnikai rendszerekkel szemben a mozgásjellemzők teljes körű szabályozhatósága.

Pneumatikus hengerek esetén a mérnökök jellemzően az áramlásszabályozó szelepeket és a nyomásszabályozó beállításait 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 változó tényezőket, mivel lehetővé teszik a mozgásparaméterek közvetlen meghatározását a vezérlőben.

Ahelyett, hogy a nyomás- és áramláskorlátozásokra támaszkodnának, a mérnökök pontos értékeket állíthatnak be a következőkhöz:

• Gyorsulási ráta
• Maximális mozgatási sebesség
• Lassítási ráta
• Célpozíciók
• Köztes pozíciók
• Mozgási idők

Ez a szintű vezérlés jelentősen javítja a gyártási ciklusok közötti állandóságot.

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

5. ábra. A pozíció-, sebesség-, gyorsulási- és lassítási 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 a célját.

A mai gyártási környezetek sokkal 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 a mechanikus ütközőknek ütköznének, az elektromos aktuátorok fokozatosan gyorsulhatnak, szabályozott mozgatási sebességet tarthatnak fenn, majd a célpozíció elérése előtt finoman lelassulhatnak.

Az előnyök a következők:

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

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

Konfigurálható pozicionálás a mechanikus végütközőkön túl

A hagyományos pneumatikus hengerek jellemzően két rögzített mechanikus 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 elmozdulási határaitól függetlenül határozzák meg.

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

Például:

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

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

Ahelyett, hogy a gyártási sorozatok között fizikailag állítanák át a gépeket, a kezelők egyszerűen kiválaszthatnak egy új receptet a gép kezelőfelületén.

Az aktuátor automatikusan az új konfigurációs paramétereknek megfelelően mozog.

Az Ipar 4.0 és az intelligens gyártás előnyei

A fluidenergiáról 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 működési átláthatóságot, diagnosztikai információkat és teljesítményelemzéseket biztosítanak.

A pneumatikus hengerek általában csak korlátozott visszacsatolást kínálnak.

Legjobb esetben a mérnökök külső érzékelőket szerelhetnek fel a kitolt és visszahúzott helyzet meghatározására.

Az elektromos aktuátorok természetüknél fogva sokkal gazdagabb üzemeltetési adatokat szolgáltatnak.

Például:

• Pozíció-visszacsatolás
• Mozgásállapot
• Ciklusszámok
• Hibaállapotok
• Mozgási idők
• 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 aktuátorok értékes adatforrássá válnak a hálózatba kapcsolt gyártási környezetekben.

Energiahatékonysági összehasonlítás: elektromos és pneumatikus rendszerek

Az energiahatékonyság továbbra is az elektromos aktuátorok alkalmazása melletti egyik legerősebb érv.

A sűrített levegőt gyakran a gyártóüzemek egyik legdrágább közműszolgáltatásaként jellemzik.

A sűrített levegő előállítása jelentős elektromos energiát igényel.

További veszteségek keletkeznek a következők révén:

• Kompressziós veszteségek
• Az elosztócsővezeték veszteségei
• 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 aktuátorok közvetlenül alakítják át az elektromos energiát mechanikus mozgássá.

Ez a közvetlen átalakítási folyamat általában lényegesen magasabb teljes rendszerhatásfokot eredményez.

A több gyártósoron több száz aktuátort üzemeltető létesítményekben az összesített energiamegtakarítás jelentős mértékűvé válhat.

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

A karbantartási igény csökkentése

A karbantartási szempontok túlmutatnak az energiafogyasztáson.

A fluidtechnikai rendszerek megbízható működésének fenntartásához folyamatos odafigyelés szükséges.

A gyakori karbantartási tevékenységek közé tartozik:

• Szivárgásészlelés
• Tömítéscsere
• Szűrő karbantartása
• Nyomásbeállítás
• Kenés kezelése
• Levegőminőség ellenőrzése
• Hidraulikafolyadék cseréje

Az elektromos aktuátorok számos ilyen követelményt kiküszöbölnek.

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

A megbízhatóságközpontú karbantartási programokat bevezető üzemek közül egyre többen tekintenek az elektromos mozgatórendszerekre az előre nem tervezett állásidő és a karbantartási munkaterhelés csökkentésének eszközeként.

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 nyújtják

Bár az elektromos aktuátorok számos pneumatikus hengert helyettesíthetnek, a legnagyobb megtérülés gyakran olyan alkalmazásokban érhető el, amelyek rugalmasságot, pontosságot és ismételhetőséget igényelnek.

Nem minden gép profitál egyformán az elektromos mozgatásból.

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

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

A legsikeresebb alkalmazások közé tartoznak:

• Automatizált összeszerelő rendszerek
• Csomagológépek
• Dobozcsomagoló berendezések
• Termékellenőrző állomások
• Robotizált átadórendszerek
• 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 egyik legnagyobb lehetőséget az elektromos aktuátorok alkalmazására.

A hagyományos csomagolórendszerekben gyakran több tucat pneumatikus henger található, amelyek a következőkért felelősek:

• Termékpozicionálás
• Kartondobozok kezelése
• Kapuműködtetés
• Alkatrészek selejtezése
• Dobozok berakodása
• Címke pozicionálása

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

A csomag méreteinek megváltozásakor mechanikus beállításokra van szükség.

Az elektromos aktuátorok lehetővé teszik, hogy ezek a beállítások automatikusan történjenek.

A kezelők az ütközők és vezetők kézi áthelyezése helyett egyszerűen kiválasztanak egy új termékbeállítást.

A gép ezután automatikusan beállítja az aktuátorok pozícióját a tárolt konfigurációs paramétereknek megfelelően.

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

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

Automatizált összeszerelő rendszerek

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

Az alkatrészeknek pontosan illeszkedniük kell a beillesztési, rögzítési, hegesztési vagy ellenőrzési műveletek előtt.

Az elektromos működtetők ismételhető pozicionálási teljesítményt biztosítanak, amely támogatja az alábbiakat:

• Alkatrészek beillesztése
• Sajtolóillesztéses összeszerelés
• Kötőelemek pozicionálása
• Csatlakozók beszerelése
• Alkatrészátadási műveletek

Mivel a pozicionálást szoftver határozza meg, a mérnökök könnyen módosíthatják a mozgásprofilokat a termékek fejlődésével párhuzamosan.

Ez a rugalmasság egyre értékesebbé válik a többféle termékváltozatot közös gyártóberendezésen előállító gyártási környezetekben.

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 működtetők további előnyöket is kínálnak, többek között:

• Csökkentett energiafogyasztás
• Javított pozicionálási állandóság
• Alacsonyabb karbantartási igény
• Egyszerűsített higiéniai eljárások
• Javított folyamatismételhetőség

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

A gépgyártók és OEM-ek tervezési előnyei

A gépgyártók folyamatos nyomás alatt állnak, hogy csökkentsék a tervezési ráfordítást, miközben javítják a gép teljesítményét.

Az integrált elektromos működtetők mindkét cél elérését elősegítik.

A hagyományos mozgásrendszerek gyakran több beszállító közötti koordinációt igényelnek, beleértve a működtetők gyártóit, a hajtásszállítókat, a kábelbeszállítókat és a vezérlőrendszerek szolgáltatóit.

Az integrált működtetőplatform a komplexitás jelentős részét egyetlen rendszerben egyesíti.

A gépgyártók számára többek között az alábbi előnyöket kínálják:

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

Ezek az előnyök jelentősen csökkenthetik a gépfejlesztés költségeit, miközben javítják a berendezésplatformok szabványosítását.

Integráció modern PLC-platformokkal

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

Az egyszerű digitális bemeneti architektúra lehetővé teszi a szinte bármely PLC-platformmal való 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 a működtető vezérlője 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 munkahengerek 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 kínálják.

A pneumatikus hengerek gyakran továbbra is előnyösek, ha:

• Rendkívül magas ciklusszám szükséges
• A pozicionálási pontosság nem kritikus
• Meglévő sűrített levegős infrastruktúra áll rendelkezésre
• A kezdeti költség az elsődleges szempont
• A környezeti feltételek szélsőségesek
• Az egyszerű, végpontok közötti mozgatás elegendő

A legsikeresebb mérnöki döntések az eszközök teljes életciklus-költségének értékelésén alapulnak, nem kizárólag a kezdeti vételárra összpontosítva.

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

Az ipari mozgatásvezérlés jövője

Az ipari automatizálás jövőjét várhatóan az intelligens elektromos mozgatórendszerek 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 transzformációs projektek
• Munkaerőhiány és szakemberhiány

Az integrált elektromos munkahengerek egyszerre számos ilyen kihívásra kínálnak megoldást.

Fejlett diagnosztikát, szoftveresen konfigurálható működést, jobb energiahatékonyságot és egyszerűsített karbantartást biztosítanak, miközben továbbra is könnyen kezelhetők a hagyományos automatizálási rendszerekben jártas technikusok számára.

A vezérléstechnika folyamatos fejlődésével az elektromos munkahengerek várhatóan még könnyebben telepíthetők lesznek, miközben egyre fejlettebb képességeket kínálnak.

Összegzés

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

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

A hatékonyság növelésére, a karbantartási igény csökkentésére, a pozicionálási pontosság javítására és a nagyobb gyártási rugalmasság elérésére törekvő gyártók számára az elektromos munkahengerek meggyőző alternatívát kínálnak a hagyományos fluidtechnikai rendszerekkel szemben. Bár a pneumatikus és hidraulikus technológiák továbbra is fontos ipari szerepet töltenek be, az integrált elektromos mozgatási megoldások egyre vonzóbb lehetőséget jelentenek a következő generációs automatizálási rendszerek számára.