Per decenni, i cilindri pneumatici e gli attuatori idraulici hanno dominato il controllo del movimento industriale. La loro popolarità deriva dai metodi di controllo semplici, dalla robusta erogazione della forza e dall’installazione lineare. Una valvola viene eccitata, il fluido si muove e l’attuatore si estende o si ritrae. Il concetto è facile da comprendere e ancora più facile da mantenere.

Tuttavia, i moderni stabilimenti produttivi devono affrontare una pressione crescente per migliorare l’efficienza energetica, ridurre le esigenze di manutenzione, eliminare le perdite e ottenere una maggiore precisione di posizionamento. Questi requisiti hanno accelerato l’adozione degli attuatori elettrici in settori che vanno dal confezionamento e dall’assemblaggio alla produzione di semiconduttori e all’automazione di processo.

A differenza dei tradizionali sistemi alimentati da fluidi, gli attuatori elettrici offrono un controllo preciso della posizione, profili di movimento programmabili, movimenti ripetibili e funzionalità diagnostiche in tempo reale. Gli ingegneri possono controllare accelerazione, velocità, decelerazione e posizione di arresto senza affidarsi a regolatori di pressione, regolatori di flusso o regolazioni meccaniche.

Storicamente, questi vantaggi comportavano un inconveniente significativo. I sistemi di movimento elettrico richiedevano spesso azionamenti servo, programmazione PLC, reti di comunicazione, software di messa a punto, sistemi di retroazione tramite encoder e competenze specialistiche nel controllo del movimento.

Per molti stabilimenti, soprattutto quelli che sostituiscono semplici cilindri pneumatici, questa complessità rappresentava un notevole ostacolo all’adozione.

Le moderne piattaforme integrate per attuatori elettrici mirano a eliminare questa difficoltà combinando la meccanica dell’attuatore, l’elettronica di controllo del motore e il software di configurazione in un unico pacchetto. Il risultato è un sistema che offre i vantaggi del movimento elettrico, mantenendo al contempo la semplicità operativa che ha reso così popolari i sistemi pneumatici.

Questo articolo esamina la piattaforma e-Actuator di SMC e analizza come i sistemi integrati di movimento elettrico aiutino i produttori ad abbandonare le tradizionali tecnologie oleodinamiche e pneumatiche.

Per gli stabilimenti che stanno modernizzando l’infrastruttura di automazione, queste tecnologie integrano sempre più i moderni sistemi PLC e PAC, le piattaforme HMI industriali e le soluzioni per il controllo del movimento utilizzati nelle moderne attività produttive.

Figura 1. La serie e-Actuator in un’unità dimostrativa di SMC.

Perché i produttori stanno sostituendo gli attuatori pneumatici e idraulici

I sistemi pneumatici restano una delle tecnologie di movimento più utilizzate nell’automazione industriale. L’aria compressa è facilmente disponibile nella maggior parte degli stabilimenti e i cilindri pneumatici offrono un funzionamento affidabile per molte applicazioni.

I sistemi idraulici continuano a dominare le applicazioni che richiedono forze estremamente elevate, tra cui presse, macchinari pesanti, apparecchiature per la formatura dei metalli e grandi attuatori industriali.

Nonostante questi vantaggi, le tecnologie oleodinamiche e pneumatiche introducono diverse difficoltà operative.

I sistemi ad aria compressa sono intrinsecamente inefficienti. Si verificano perdite energetiche significative durante la compressione, la distribuzione, lo stoccaggio e lo scarico dell’aria. Negli stabilimenti più vecchi si sviluppano spesso perdite d’aria, aumentando i costi energetici senza generare lavoro utile.

I sistemi idraulici presentano problematiche diverse. La contaminazione del fluido, il deterioramento delle tenute, le perdite, le considerazioni ambientali e i requisiti di manutenzione continua aumentano i costi del ciclo di vita.

Gli attuatori elettrici affrontano direttamente molti di questi problemi.

• Nessun consumo di aria compressa
• Nessuna manutenzione del fluido idraulico
• Nessun problema di perdite
• Minore rumorosità durante il funzionamento
• Maggiore precisione di posizionamento
• Profili di movimento programmabili
• Diagnostica integrata
• Maggiore efficienza energetica

Forse ancora più importante, gli attuatori elettrici consentono un controllo preciso del movimento, anziché limitarsi a spostarsi tra due punti finali fissi.

Questa capacità consente agli ingegneri di creare sistemi di produzione flessibili, in grado di supportare più prodotti, ricette e modalità operative senza regolazioni meccaniche.

La complessità tradizionale dei sistemi elettrici di movimentazione

Sebbene gli attuatori elettrici offrano notevoli vantaggi in termini di prestazioni, i sistemi tradizionali di movimentazione basati su servo richiedono spesso uno sforzo ingegneristico considerevolmente maggiore rispetto alle installazioni pneumatiche.

Una soluzione convenzionale per il movimento elettrico include in genere:

• Motore servo
• Azionamento servo
• Controller del movimento
• Feedback dell’encoder
• Rete di comunicazione
• Software di programmazione
• Hardware per la distribuzione dell’alimentazione
• Integrazione della sicurezza

In molti stabilimenti industriali, agli ingegneri serve semplicemente un cilindro che si sposti dalla Posizione A alla Posizione B. Installare un sistema servo completo per un requisito così semplice può introdurre complessità e costi non necessari.

Questa difficoltà spiega perché i cilindri pneumatici rimangano diffusi nonostante i loro limiti.

Lo sforzo ingegneristico necessario per configurare, mettere in servizio e mantenere un sistema tradizionale di controllo del movimento spesso supera i vantaggi nelle applicazioni di semplice movimento lineare.

Gli attuatori elettrici integrati cercano di colmare questa lacuna offrendo prestazioni di posizionamento a livello servo, mantenendo al contempo la semplicità dei metodi tradizionali di controllo dei sistemi oleodinamici e pneumatici.

Comprendere il concetto di e-attuatore SMC

La serie di e-attuatori SMC EQFS affronta il controllo del movimento da una prospettiva pratica.

Invece di richiedere agli ingegneri di acquistare separatamente motori, azionamenti, sistemi di feedback e controller, l’attuatore integra questi componenti in un gruppo compatto.

Questa architettura riduce drasticamente la complessità dell’installazione.

Il controller integrato gestisce automaticamente:

• Controllo della posizione
• Commutazione del motore
• Controllo dell’accelerazione
• Controllo della decelerazione
• Feedback sulla posizione
• Sequenziamento del movimento
• Monitoraggio dei guasti

Di conseguenza, l’utente interagisce con l’attuatore in modo molto simile a un cilindro pneumatico.

Semplici ingressi digitali comandano il movimento, mentre il controller interno gestisce i sofisticati calcoli e algoritmi di controllo che operano dietro le quinte.

Figura 2. Controller integrato con interfacce dedicate per alimentazione, I/O e configurazione.

Controller integrati: semplificare l’implementazione del movimento elettrico

Storicamente, uno dei principali ostacoli all’adozione degli attuatori elettrici è stata la complessità dei controller.

I sistemi servo tradizionali richiedono spesso una configurazione estesa e competenze specialistiche.

Le architetture con controller integrato semplificano l’installazione incorporando l’intelligenza di movimento direttamente nell’assieme dell’attuatore.

Dal punto di vista dell’installazione, gli ingegneri interagiscono principalmente con tre connessioni:

• Ingresso di alimentazione a 24 V CC
• Interfaccia I/O digitale
• Interfaccia di configurazione

Questo design elimina gran parte della complessità del cablaggio comunemente associata ai sistemi di controllo del movimento autonomi.

I costruttori di macchine traggono vantaggio dalla riduzione dello spazio richiesto nel quadro, dalla semplificazione della documentazione e da procedure di messa in servizio più rapide.

Anche il personale addetto alla manutenzione ne trae vantaggio, perché la diagnosi dei guasti diventa significativamente più semplice quando azionamento e attuatore operano come un sistema unificato.

Vantaggi dell’infrastruttura elettrica rispetto ai sistemi a fluido

Uno dei vantaggi spesso trascurati degli attuatori elettrici riguarda l’infrastruttura dell’impianto.

I sistemi pneumatici richiedono numerose apparecchiature ausiliarie prima che un singolo attuatore possa funzionare.

Questa infrastruttura può includere:

• Compressori d’aria
• Essiccatori
• Filtri
• Regolatori di pressione
• Serbatoi di accumulo
• Tubazioni di distribuzione
• Programmi di gestione delle perdite

I sistemi idraulici richiedono investimenti infrastrutturali altrettanto ingenti.

Questi sistemi includono generalmente pompe, serbatoi, valvole, scambiatori di calore, sistemi di filtrazione ed estese reti di tubazioni.

Gli attuatori elettrici eliminano molti di questi requisiti.

L’infrastruttura di distribuzione dell’energia elettrica è già presente nella maggior parte degli impianti industriali. Estendere i collegamenti elettrici a postazioni remote è spesso significativamente più semplice che installare nuove reti per l’aria compressa o l’idraulica.

Questo vantaggio diventa particolarmente importante nei progetti di ampliamento e modernizzazione degli impianti.

Gli ingegneri possono installare sistemi di movimentazione in luoghi in cui l’aria compressa potrebbe non essere disponibile o la cui installazione potrebbe risultare proibitiva.

Comprendere le connessioni di alimentazione e I/O

L’e-Actuator utilizza un cablaggio semplice, in linea con le pratiche comuni dell’automazione industriale.

Il connettore di alimentazione riceve la tensione di controllo standard a 24 VCC, garantendo la compatibilità con i sistemi di alimentazione industriali esistenti.

La maggior parte delle moderne piattaforme di automazione utilizza già architetture di alimentazione a 24 VCC per sensori, controller, HMI e apparecchiature di comunicazione.

Questa compatibilità semplifica l’integrazione del sistema.

Figura 3. Assegnazione dei pin di alimentazione e degli I/O digitali utilizzati dal controller integrato.

L’architettura degli ingressi digitali differisce leggermente da quella di molti moduli di ingresso PLC convenzionali.

Poiché l’attuatore fa riferimento internamente alla tensione di alimentazione, i dispositivi esterni devono condividere un riferimento elettrico comune.

Comprendere questa relazione diventa importante durante l’integrazione del sistema.

Una corretta messa a terra e una gestione adeguata del riferimento comune contribuiscono a garantire un funzionamento affidabile, riducendo al minimo i disturbi elettrici e i problemi di comunicazione.

Gli ingegneri che integrano attuatori elettrici con i sistemi Allen-Bradley ControlLogix, Siemens SIMATIC S7 o Schneider Modicon Quantum devono verificare le pratiche comuni relative al riferimento di alimentazione durante l’installazione.

Applicazioni industriali che traggono i maggiori vantaggi dagli attuatori elettrici

Non tutte le applicazioni pneumatiche o idrauliche dovrebbero essere automaticamente convertite al movimento elettrico.

Tuttavia, alcune applicazioni possono trarre notevoli vantaggi dalla tecnologia degli attuatori elettrici.

Gli esempi includono:

• Macchinari per l’imballaggio
• Sistemi pick-and-place
• Apparecchiature per l’assemblaggio
• Produzione elettronica
• Produzione farmaceutica
• Produzione di alimenti e bevande
• Automazione di laboratorio
• Apparecchiature per semiconduttori

Queste applicazioni richiedono spesso un posizionamento ripetibile, profili di movimento flessibili e una riduzione delle esigenze di manutenzione.

Gli attuatori elettrici offrono vantaggi difficili da ottenere con i tradizionali sistemi oleodinamici e pneumatici.

Poiché gli ambienti produttivi continuano ad adottare strategie di fabbrica intelligente, i sistemi di movimento a controllo elettrico si allineano sempre più agli obiettivi dell’Industria 4.0, incentrati su connettività, diagnostica, efficienza e visibilità operativa.

Configurazione software: quando il movimento elettrico diventa pratico

Per molti ingegneri, la configurazione software rappresenta la principale preoccupazione nel passaggio dai cilindri pneumatici agli attuatori elettrici.

Le piattaforme tradizionali di controllo del movimento richiedono spesso un’impostazione completa dei parametri, la mappatura delle comunicazioni, la configurazione degli assi, procedure di taratura e competenze di programmazione.

L’obiettivo della piattaforma e-Actuator è fondamentalmente diverso.

Invece di esporre centinaia di parametri di movimento, il software si concentra sulla configurazione delle sole impostazioni necessarie per le applicazioni industriali comuni.

Questo approccio riduce drasticamente i tempi di messa in servizio, mantenendo al contempo i vantaggi prestazionali del movimento elettrico.

Il software di configurazione identifica automaticamente il modello dell'attuatore collegato e presenta solo i parametri pertinenti da regolare.

Di conseguenza, gli ingegneri dedicano meno tempo a navigare in menu complicati e più tempo a ottimizzare le prestazioni della macchina.

Connessione all'e-Actuator Setup Tool

La configurazione viene eseguita utilizzando l'e-Actuator Setup Tool dedicato fornito da SMC.

Il software comunica attraverso la porta di configurazione M12 dedicata, situata sul controller integrato.

Dopo aver stabilito la comunicazione, il software rileva automaticamente:

• Tipo di attuatore
• Lunghezza della corsa
• Versione del controller
• Modalità operative disponibili
• Impostazioni attuali dei parametri

Questo processo di rilevamento automatico elimina molte delle procedure di configurazione manuale tradizionalmente associate ai servosistemi.

Per i costruttori di macchine che installano più attuatori, questa funzionalità può ridurre significativamente i tempi di avviamento.

I tecnici incaricati della messa in servizio possono verificare rapidamente le configurazioni, modificare le impostazioni e convalidare il funzionamento senza una conoscenza approfondita della programmazione.

Figura 4. Modalità operative disponibili nell'e-Actuator Setup Tool.

Spiegazione delle modalità operative

Uno degli aspetti più innovativi della piattaforma è la capacità di emulare il comportamento familiare delle valvole pneumatiche.

I tecnici della manutenzione e gli operatori delle macchine comprendono già il funzionamento delle valvole direzionali pneumatiche.

Replicando questi metodi di controllo, la curva di apprendimento per il movimento elettrico si riduce notevolmente.

La piattaforma offre tre modalità operative principali.

Modalità a solenoide singolo

Questa modalità funziona in modo simile a una valvola pneumatica con ritorno a molla.

Quando l'ingresso digitale si attiva, l'attuatore si sposta verso la posizione comandata.

Quando il segnale viene rimosso, l'attuatore torna automaticamente nella posizione iniziale.

Questa modalità operativa è ideale per:

• Sistemi di espulsione dei pezzi
• Dispositivi di posizionamento semplici
• Meccanismi di bloccaggio
• Cancelli di scarto
• Stazioni di carico

Molte applicazioni con cilindri pneumatici possono essere sostituite direttamente utilizzando questo metodo di controllo.

Modalità a doppio solenoide

La modalità a doppio solenoide riproduce il comportamento di una valvola direzionale a doppio solenoide, comunemente utilizzata nell'automazione pneumatica.

Un ingresso digitale comanda l'estensione, mentre un secondo ingresso comanda la retrazione.

L'attuatore mantiene la propria posizione finché non riceve un nuovo comando.

Questo approccio offre una maggiore flessibilità di controllo e ricorda da vicino i design tradizionali delle macchine industriali.

Le applicazioni includono:

• Sistemi di trasferimento
• Apparecchiature per la movimentazione dei materiali
• Stazioni di assemblaggio automatizzate
• Meccanismi di indicizzazione
• Apparecchiature per il confezionamento

Modalità a centro chiuso

La modalità a centro chiuso introduce una funzionalità non disponibile nella maggior parte dei cilindri pneumatici convenzionali.

Oltre alle posizioni di estensione e retrazione, l'attuatore può spostarsi in una posizione intermedia.

Ciò consente un controllo a tre posizioni utilizzando soltanto due ingressi digitali.

La possibilità di arrestarsi in una posizione centrale configurabile crea opportunità per un funzionamento più sofisticato della macchina senza richiedere un controller completo per il movimento servo.

Le applicazioni includono:

• Movimentazione di componenti in più posizioni
• Sistemi di smistamento
• Stazioni di ispezione
• Meccanismi di trasferimento
• Sistemi di posizionamento dei prodotti

Questa funzionalità evidenzia uno dei principali vantaggi degli attuatori elettrici rispetto alle tecnologie convenzionali ad azionamento fluidico.

Colmare il divario tra pneumatica e controllo servo

Le modalità operative dimostrano un'importante tendenza in atto nell'automazione industriale.

I produttori cercano sempre più soluzioni che combinino la semplicità dell'automazione tradizionale con la flessibilità delle moderne tecnologie digitali.

Gli attuatori elettrici occupano una posizione unica in questa transizione.

Offrono una funzionalità significativamente maggiore rispetto ai cilindri pneumatici, evitando al contempo gran parte della complessità associata alle piattaforme di movimento servo complete.

Questo equilibrio è particolarmente interessante per i costruttori di macchine che sviluppano apparecchiature per clienti che potrebbero non disporre di competenze specialistiche nel controllo del movimento.

I semplici comandi digitali rimangono familiari al personale addetto alla manutenzione, mentre i profili di movimento avanzati restano disponibili per i team di progettazione.

Vantaggi dei profili di movimento integrati

Una delle principali limitazioni dei cilindri pneumatici è la mancanza di un controllo preciso del movimento.

Sebbene i regolatori di flusso possano influire sulla velocità, ottenere profili di accelerazione e decelerazione ripetibili rimane difficile.

I cilindri pneumatici in genere si muovono alla velocità consentita dalla pressione del sistema e dalle condizioni di carico.

Ciò spesso comporta:

• Urto meccanico
• Danni al prodotto
• Generazione di rumore
• Usura dei componenti
• Riduzione della precisione di posizionamento

Gli attuatori elettrici risolvono questi problemi mediante profili di movimento programmabili.

Il controller regola continuamente l'uscita del motore per ottenere un movimento controllato lungo l'intero percorso di traslazione.

Ciò si traduce in un funzionamento più fluido, una migliore ripetibilità e una maggiore durata delle apparecchiature.

Negli ambienti di produzione ad alta velocità, la riduzione delle forze d'impatto può migliorare significativamente l'affidabilità delle macchine e la qualità dei prodotti.

Questo solo vantaggio spesso giustifica il passaggio dai sistemi pneumatici alle tecnologie per il movimento elettrico.

Configurazione dei parametri di velocità, accelerazione e posizione

Forse il più grande vantaggio offerto dagli attuatori elettrici rispetto ai sistemi ad azionamento fluidico è il controllo completo delle caratteristiche del movimento.

Con i cilindri pneumatici, gli ingegneri regolano generalmente le valvole di controllo del flusso e le impostazioni dei regolatori per influenzare la velocità. Sebbene questo approccio funzioni per molte applicazioni, le prestazioni possono variare in base alle condizioni di carico, alle fluttuazioni della pressione dell'aria e all'usura dei componenti.

Gli attuatori elettrici eliminano queste variabili consentendo di definire direttamente i parametri di movimento nel controller.

Invece di affidarsi alle restrizioni di pressione e portata, gli ingegneri possono stabilire valori precisi per:

• Tasso di accelerazione
• Velocità massima di corsa
• Tasso di decelerazione
• Posizioni target
• Posizioni intermedie
• Tempi di spostamento

Questo livello di controllo migliora significativamente la coerenza tra i cicli di produzione.

Ogni movimento segue lo stesso profilo, indipendentemente da lievi variazioni ambientali o operative.

Figura 5. Le impostazioni di posizione, velocità, accelerazione e decelerazione possono essere configurate tramite il software di configurazione.

Perché i profili di movimento sono importanti nella produzione moderna

La qualità del movimento è diventata sempre più importante con l'evoluzione dei sistemi di produzione.

Le apparecchiature di produzione più datate spesso davano priorità assoluta alla velocità. Finché il cilindro si estendeva e si ritraeva rapidamente, il sistema raggiungeva il proprio obiettivo.

Gli ambienti produttivi odierni richiedono molto di più.

Le linee di produzione gestiscono oggi prodotti delicati, materiali leggeri, assemblaggi di precisione e varianti di prodotto altamente personalizzate.

Forze d'impatto eccessive possono danneggiare i prodotti, ridurre la qualità e accelerare l'usura delle apparecchiature.

I profili di movimento programmabili contribuiscono a eliminare questi problemi.

Invece di colpire bruscamente gli arresti meccanici, gli attuatori elettrici possono accelerare gradualmente, mantenere una velocità di corsa controllata e decelerare dolcemente prima di raggiungere la posizione target.

I vantaggi includono:

• Urti meccanici ridotti
• Livelli di vibrazione inferiori
• Migliore qualità del prodotto
• Maggiore durata delle macchine
• Costi di manutenzione ridotti
• Maggiore precisione di posizionamento

Questi vantaggi diventano particolarmente importanti in settori quali la produzione elettronica, la produzione farmaceutica, la fabbricazione di semiconduttori e le operazioni di assemblaggio automatizzato.

Posizionamento configurabile oltre gli arresti meccanici di fine corsa

I cilindri pneumatici tradizionali operano generalmente tra due limiti meccanici fissi.

Se è necessaria una posizione diversa, spesso gli ingegneri devono installare arresti meccanici, riprogettare l'hardware o selezionare una lunghezza di corsa diversa per l'attuatore.

Gli attuatori elettrici offrono una flessibilità notevolmente maggiore.

Il software consente agli ingegneri di definire le posizioni operative indipendentemente dai limiti della corsa fisica dell'attuatore.

Ciò significa che un singolo attuatore può supportare più configurazioni della macchina senza modifiche meccaniche.

Gli esempi includono:

• Ricette specifiche per prodotto
• Molteplici dimensioni delle confezioni
• Operazioni di assemblaggio flessibili
• Cambi formato automatizzati
• Sistemi di produzione adattivi

Poiché i produttori perseguono sempre più strategie di produzione flessibile, questa capacità diventa un vantaggio competitivo significativo.

Invece di regolare fisicamente i macchinari tra una produzione e l'altra, gli operatori possono semplicemente selezionare una nuova ricetta tramite l'interfaccia della macchina.

L'attuatore si muove automaticamente in base ai nuovi parametri di configurazione.

Vantaggi dell'Industria 4.0 e della produzione intelligente

La transizione dalla potenza fluidica al movimento elettrico è strettamente in linea con le più ampie iniziative dell'Industria 4.0.

Le fabbriche moderne dipendono sempre più da apparecchiature connesse in grado di fornire visibilità operativa, informazioni diagnostiche e analisi delle prestazioni.

I cilindri pneumatici generalmente offrono un feedback limitato.

Nel migliore dei casi, gli ingegneri possono installare sensori esterni per determinare le posizioni di estensione e retrazione.

Gli attuatori elettrici generano intrinsecamente dati operativi molto più ricchi.

Gli esempi includono:

• Feedback sulla posizione
• Stato del movimento
• Conteggio dei cicli
• Condizioni di errore
• Tempi di spostamento
• Tendenze delle prestazioni
• Cronologia operativa

Queste informazioni possono supportare le iniziative di manutenzione predittiva e migliorare l'efficacia complessiva delle apparecchiature.

Quando sono integrati con moderne reti di comunicazione industriale e piattaforme di informatica industriale, gli attuatori elettrici diventano preziose fonti di dati negli ambienti produttivi connessi.

Confronto dell'efficienza energetica: sistemi elettrici e pneumatici

L'efficienza energetica resta una delle argomentazioni più solide a favore dell'adozione degli attuatori elettrici.

L'aria compressa è spesso descritta come una delle utenze più costose all'interno di uno stabilimento produttivo.

La generazione di aria compressa richiede una notevole quantità di energia elettrica.

Ulteriori perdite si verificano attraverso:

• Inefficienze di compressione
• Perdite nelle tubazioni di distribuzione
• Cadute di pressione
• Perdite d'aria
• Perdite delle valvole
• Perdite di scarico

Gli studi di settore stimano frequentemente che una percentuale significativa dell'aria compressa prodotta negli stabilimenti non svolga mai un lavoro utile.

Gli attuatori elettrici convertono direttamente l'energia elettrica in movimento meccanico.

Questo processo di conversione diretta raggiunge generalmente un'efficienza complessiva del sistema molto più elevata.

Per gli stabilimenti che gestiscono centinaia di attuatori su più linee di produzione, il risparmio energetico cumulativo può diventare considerevole.

Questi risparmi spesso migliorano il calcolo del costo totale di proprietà quando si confrontano le tecnologie elettriche e pneumatiche.

Riduzione dei requisiti di manutenzione

Le considerazioni sulla manutenzione vanno oltre il consumo energetico.

I sistemi di potenza fluidica richiedono un'attenzione costante per mantenere un funzionamento affidabile.

Le attività di manutenzione comuni includono:

• Rilevamento delle perdite
• Sostituzione delle guarnizioni
• Manutenzione dei filtri
• Regolazione della pressione
• Gestione della lubrificazione
• Monitoraggio della qualità dell’aria
• Sostituzione del fluido idraulico

Gli attuatori elettrici eliminano molti di questi requisiti.

Sebbene i componenti meccanici richiedano ancora ispezioni periodiche, l’assenza di aria compressa e fluidi idraulici semplifica le strategie di manutenzione a lungo termine.

Molti stabilimenti che adottano programmi di manutenzione incentrati sull’affidabilità considerano sempre più i sistemi di movimentazione elettrica un metodo per ridurre i tempi di fermo non pianificati e il carico di manutenzione.

Figura 6. I parametri di movimento possono essere scritti direttamente sull’attuatore, semplificando la messa in servizio e le future modifiche alla configurazione.

Applicazioni industriali in cui gli attuatori elettrici offrono il massimo valore

Sebbene gli attuatori elettrici possano sostituire molti cilindri pneumatici, il maggiore ritorno sull’investimento si ottiene spesso nelle applicazioni che richiedono flessibilità, precisione e ripetibilità.

Non tutte le macchine traggono lo stesso vantaggio dal movimento elettrico.

Le applicazioni semplici di spinta e retrazione, che funzionano continuamente ad alta velocità, possono ancora favorire la tecnologia pneumatica grazie ai costi iniziali più contenuti.

Tuttavia, le applicazioni che richiedono un posizionamento controllato, cambi formato dei prodotti o molteplici modalità operative traggono spesso vantaggio dalle soluzioni elettriche.

Alcune delle applicazioni più efficaci includono:

• Sistemi di assemblaggio automatizzati
• Macchinari per l’imballaggio
• Apparecchiature per l’imballaggio in casse
• Stazioni di ispezione dei prodotti
• Sistemi robotizzati di trasferimento
• Linee di produzione elettronica
• Produzione di dispositivi medicali
• Apparecchiature per la lavorazione dei semiconduttori

In questi ambienti, la possibilità di modificare i parametri di movimento tramite software anziché attraverso regolazioni hardware offre notevoli vantaggi operativi.

Modernizzazione dei macchinari per l’imballaggio

Le apparecchiature per l’imballaggio rappresentano una delle maggiori opportunità di adozione degli attuatori elettrici.

I sistemi di imballaggio tradizionali contengono spesso decine di cilindri pneumatici responsabili di:

• Posizionamento del prodotto
• Movimentazione dei cartoni
• Azionamento delle porte
• Scarto dei pezzi
• Caricamento delle confezioni
• Posizionamento delle etichette

Con l’aumento della varietà dei prodotti, i produttori si trovano spesso a dover gestire procedure di cambio formato lunghe e complesse.

Le regolazioni meccaniche diventano necessarie ogni volta che cambiano le dimensioni della confezione.

Gli attuatori elettrici consentono di eseguire automaticamente queste regolazioni.

Invece di riposizionare manualmente arresti e guide, gli operatori selezionano semplicemente una nuova ricetta di prodotto.

La macchina regola quindi automaticamente le posizioni degli attuatori in base ai parametri di configurazione memorizzati.

Questa funzionalità riduce significativamente i tempi di cambio formato e migliora al contempo la ripetibilità.

Molti OEM del settore dell’imballaggio combinano oggi attuatori elettrici con sistemi HMI industriali per creare interfacce di configurazione intuitive che semplificano il funzionamento delle macchine.

Sistemi di assemblaggio automatizzati

Le operazioni di assemblaggio richiedono spesso una precisione di posizionamento considerevolmente maggiore di quella che i cilindri pneumatici possono fornire in modo affidabile.

I componenti devono essere allineati con precisione prima delle operazioni di inserimento, fissaggio, saldatura o ispezione.

Gli attuatori elettrici offrono prestazioni di posizionamento ripetibili che supportano:

• Inserimento dei componenti
• Assemblaggio a pressione
• Posizionamento degli elementi di fissaggio
• Installazione dei connettori
• Operazioni di trasferimento dei pezzi

Poiché il posizionamento è definito dal software, gli ingegneri possono modificare facilmente i profili di movimento man mano che i prodotti si evolvono.

Questa flessibilità diventa sempre più preziosa negli ambienti produttivi in cui si realizzano più varianti di prodotto su apparecchiature di produzione condivise.

Produzione alimentare e di bevande

Gli impianti di produzione alimentare continuano a esplorare alternative ai sistemi pneumatici per ragioni sia operative sia di sostenibilità.

L'aria compressa rimane comune negli stabilimenti di lavorazione alimentare, ma ridurre il consumo complessivo di aria può migliorare significativamente l'efficienza energetica.

Gli attuatori elettrici offrono ulteriori vantaggi, tra cui:

• Riduzione del consumo energetico
• Maggiore uniformità del posizionamento
• Minori requisiti di manutenzione
• Procedure di sanificazione semplificate
• Maggiore ripetibilità del processo

Applicazioni come riempimento, cernita, confezionamento e movimentazione dei materiali traggono spesso vantaggio dalle caratteristiche di controllo preciso offerte dai sistemi di movimentazione elettrica.

Vantaggi progettuali per costruttori di macchine e OEM

I costruttori di macchine sono sottoposti a una pressione costante per ridurre l'impegno ingegneristico migliorando al contempo le prestazioni delle macchine.

Gli attuatori elettrici integrati aiutano a raggiungere entrambi gli obiettivi.

I sistemi di movimentazione tradizionali richiedono spesso il coordinamento tra più fornitori, tra cui produttori di attuatori, fornitori di azionamenti, fornitori di cavi e fornitori di sistemi di controllo.

Una piattaforma integrata per attuatori riunisce gran parte di questa complessità.

I vantaggi per gli OEM includono:

• Numero ridotto di componenti
• Progettazione elettrica semplificata
• Assemblaggio più rapido
• Minori requisiti di spazio nel quadro elettrico
• Documentazione semplificata
• Cicli di messa in servizio più brevi

Questi vantaggi possono ridurre significativamente i costi di sviluppo delle macchine, migliorando al contempo la standardizzazione tra le diverse piattaforme.

Integrazione con le moderne piattaforme PLC

Uno dei motivi per cui gli attuatori elettrici continuano a guadagnare popolarità è la loro compatibilità con i moderni sistemi di controllo industriale.

L'architettura con semplici ingressi digitali consente una facile integrazione con praticamente qualsiasi piattaforma PLC.

Le piattaforme di integrazione comuni includono:

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

Poiché il controller dell'attuatore gestisce internamente i calcoli del movimento, al PLC è sufficiente fornire semplici segnali di comando.

Questa architettura riduce al minimo i requisiti di programmazione mantenendo la compatibilità con le infrastrutture di automazione esistenti.

Quando i sistemi pneumatici sono ancora la scelta giusta

Nonostante i vantaggi degli attuatori elettrici, la tecnologia pneumatica rimane altamente efficace per molte applicazioni industriali.

Gli ingegneri dovrebbero valutare obiettivamente i requisiti, anziché presumere che le tecnologie più recenti offrano automaticamente la soluzione migliore.

I cilindri pneumatici rimangono spesso vantaggiosi quando:

• Sono richiesti tassi di ciclo estremamente elevati
• La precisione di posizionamento non è critica
• È disponibile un’infrastruttura ad aria compressa esistente
• Il costo iniziale è la principale preoccupazione
• Le condizioni ambientali sono gravose
• È sufficiente un semplice movimento da un’estremità all’altra

Le decisioni ingegneristiche più efficaci derivano dalla valutazione dei costi totali del ciclo di vita, anziché concentrarsi esclusivamente sul prezzo di acquisto iniziale.

In molti impianti, una combinazione di tecnologie pneumatiche, idrauliche ed elettriche per il movimento offre la soluzione ottimale.

Il futuro del controllo del movimento industriale

Il futuro dell’automazione industriale vedrà probabilmente una crescente adozione di sistemi intelligenti per il movimento elettrico.

Diverse tendenze del settore continuano a guidare questa transizione:

• Iniziative dell’Industria 4.0
• Programmi di manutenzione predittiva
• Obiettivi di efficienza energetica
• Requisiti di produzione flessibile
• Progetti di trasformazione digitale
• Carenza di competenze nella forza lavoro

Gli attuatori elettrici integrati affrontano contemporaneamente molte di queste sfide.

Offrono diagnostica avanzata, funzionamento configurabile tramite software, maggiore efficienza energetica e manutenzione semplificata, rimanendo accessibili ai tecnici che conoscono i sistemi di automazione tradizionali.

Con il continuo progresso della tecnologia dei controller, è probabile che gli attuatori elettrici diventino ancora più semplici da implementare, offrendo al contempo funzionalità sempre più avanzate.

Conclusione

Gli attuatori elettrici non sono più limitati alle applicazioni complesse con controllo servo. Le moderne soluzioni integrate, come la piattaforma SMC e-Actuator, dimostrano come il movimento elettrico possa offrire la semplicità tradizionalmente associata ai sistemi pneumatici, garantendo al contempo i vantaggi in termini di precisione, flessibilità ed efficienza della moderna tecnologia di controllo dei motori.

Integrando i controller direttamente nel gruppo attuatore, semplificando i requisiti di cablaggio e fornendo strumenti intuitivi per la configurazione software, questi sistemi riducono molti degli ostacoli che in precedenza scoraggiavano l’adozione del movimento elettrico.

Per i produttori che puntano a una maggiore efficienza, a una riduzione della manutenzione, a una migliore precisione di posizionamento e a una maggiore flessibilità produttiva, gli attuatori elettrici rappresentano un’alternativa convincente ai sistemi tradizionali a potenza fluida. Sebbene le tecnologie pneumatiche e idrauliche continueranno a svolgere importanti funzioni industriali, le soluzioni integrate per il movimento elettrico stanno diventando un’opzione sempre più interessante per i sistemi di automazione di nuova generazione.