Atuadores Elétricos Projetados para Substituir Fluidos: Tutorial Prático

Atuadores elétricos estão surgindo como uma alternativa limpa e precisa aos sistemas tradicionais de movimento baseados em fluidos. No entanto, muitos engenheiros assumem que eles exigem fiação complexa, software e hardware de controle em comparação com a simplicidade da pneumática e hidráulica. Neste tutorial, exploramos como a série e-Actuator da SMC preenche essa lacuna ao combinar configuração fácil com as vantagens do movimento elétrico. Desde o básico da fiação até a configuração do software e modos de operação, vamos mostrar como substituir sistemas de fluidos por controle elétrico simples.

Atuadores são motores que criam movimento em direção linear. Para isso, eles usam parafusos, correias e sistemas de engrenagens para converter rotação em movimento em linha reta.

Historicamente, a forma mais comum de criar movimento linear era com fluidos – a pressão do ar e do fluido hidráulico. Isso ainda é muito comum porque os sistemas são fáceis de criar e simples de gerenciar. No entanto, há algumas vantagens em usar eletricidade para duplicar esse mesmo movimento.

A eletricidade pode alcançar locais remotos sem infraestrutura volumosa (bombas, tanques de compressor, reservatórios, etc). Também é muito mais limpa, já que fluidos frequentemente vazam e requerem manutenção. Motores com encoders podem rastrear posições com mais precisão, criando um perfil de movimento completo, e não apenas movimentando o atuador de uma extremidade à outra.

A desvantagem da eletricidade, pelo menos na maioria das situações, é que qualquer sistema de acionamento de movimento é muito complexo: cabos de sinal, software de configuração, um controlador com programa compatível, interfaces fieldbus, ajuste de loop PID e mais! Em muitos casos, isso é uma barreira importante para simplesmente trocar um sistema de fluido por um sistema elétrico.

Algumas soluções tentam duplicar a simplicidade de controle dos fluidos, mas com as vantagens do perfil de movimento da eletricidade usando atuadores elétricos. Vamos investigar uma dessas soluções, a série e-Actuator da SMC.

 

Figura 1. A série e-Actuator em uma unidade de demonstração da SMC. Imagem usada cortesia do autor

 

Série e-Actuator da SMC

Controle de movimento é um tema complexo porque abrange desde um botão que faz um eixo se mover até um loop de precisão multi-feedback com comunicação fieldbus para um controlador.

Se o objetivo é facilidade de operação, preferimos o primeiro cenário. Um atuador elétrico, onde um simples pressionar de botão ou entrada digital de um sensor comanda o eixo a se mover para uma posição determinada. Isso é tudo.

 

Figura 2. Controlador integrado com soquetes para energia (inferior esquerdo), I/O (inferior direito) e conexão com PC (soquete aberto superior). Imagem usada cortesia do autor

 

Usaremos um atuador da série EQFS tipo deslizante (agradecimentos especiais à equipe da SMC pelo empréstimo da amostra para testes de bancada). Esses atuadores não estão livres de controladores complexos. No entanto, ele está integrado ao atuador e lida automaticamente com todo o trabalho pesado. Uma olhada na lateral do módulo de controle mostra um soquete M12 para entrada de energia, um segundo M12 de 8 pinos para sinais digitais de I/O e uma terceira conexão M12 para configuração via PC.

 

Figura 3. Pinagem para energia (esquerda) e para I/O (direita). Imagem modificada a partir do manual do usuário do produto SMC

 

A entrada de energia recebe +24 e 0 volts de uma fonte DC.

A entrada de sinal tem alguns truques a mais. Primeiro, é importante notar que, diferente dos módulos de entrada PLC, os pinos de I/O estão internamente conectados à entrada da fonte de energia. Fornecer 24 volts a um pino de entrada é suficiente; não há terminal Com. Isso também significa que os dispositivos externos de I/O devem ser alimentados pela mesma fonte de energia do atuador, ou pelo menos os trilhos de 0 V devem estar ligados juntos.

Os dois primeiros pinos são para as entradas de sinal. Isso será muito significativo na próxima etapa, quando falarmos sobre o software de configuração e os vários modos de operação.

 

Configuração do Software

Programar os atuadores não é complicado. O software se chama e-Actuator Setup Tool, disponível gratuitamente pela SMC.

Conectar um cabo conversor M12-USB identifica automaticamente o tipo de atuador e fornece uma interface para configurar todos os parâmetros relevantes.

 

Figura 4. Modos de operação. Imagem usada cortesia do autor

 

Modos de Operação

Existem três modos diferentes, todos podendo ser acionados apenas com as duas entradas digitais.

• Modo solenóide simples: energizar IN1 move o atuador para a extremidade oposta, então desligá-lo faz retornar à extremidade de origem.
• Modo solenóide duplo: energizar IN1 move o atuador para a extremidade oposta, então energizar IN0 faz retornar à extremidade de origem. Energizar ambas as entradas não faz nada.
• Modo centro fechado: energizar IN1 move o atuador para a extremidade oposta, então energizar IN0 faz retornar à extremidade de origem. Energizar ambas as entradas move o atuador para um ponto central.

 

Figura 5. Configurações de posição e velocidade. Imagem usada cortesia do autor

 

Configurações de Velocidade e Posição

A ideia toda é configurar um sistema muito simples de operar, mas isso não significa que não possamos configurar parte do movimento.

Primeiro, podemos selecionar o perfil de velocidade para ambas as direções do movimento. O perfil de velocidade inclui aceleração, velocidade máxima e desaceleração. Ele calcula automaticamente o tempo total de percurso com base nessas velocidades e no comprimento do curso.

Falando em comprimento, também podemos definir a posição da extremidade oposta e da origem; não é necessário mover até os limites físicos. Também podemos escolher a posição intermediária exata para o modo centro fechado.

Quando o modo de operação, velocidade e parâmetros de posição estiverem configurados, você pode salvar os dados no dispositivo.

 

Figura 6. Salvando dados no dispositivo. Imagem usada cortesia do autor

 

Resumo do Movimento Elétrico

Embora esse método de movimento seja simples e agradável, não é razoável afirmar que o elétrico é sempre a melhor opção. É sempre melhor comparar os prós e contras de cada método de energia para escolher o tipo certo de sistema de movimento para cada aplicação.