Elektromechaniczne siłowniki liniowe udowadniają, że duża moc może występować w małych obudowach

Elektromechaniczne siłowniki liniowe zapewniają coraz większą moc i inteligencję przy coraz mniejszych rozmiarach. Umożliwienie większych możliwości sterowania ruchem w bardziej zwartej obudowie dało początek nowej generacji siłowników o dużej gęstości mocy. Konstruktorzy maszyn do zastosowań mobilnych, przeładunku materiałów, automatyzacji fabryk i innych energochłonnych aplikacji mogą otrzymać siłowniki elektryczne zapewniające udźwig do 2 kN / 450 funtów z zaawansowanymi systemami elektronicznymi – wszystko w komponencie wymagającym mniej przestrzeni roboczej i zapewniającym większą opłacalność niż siłowniki hydrauliczne lub elektromechaniczne, które wcześniej mogły być wykorzystywane do tego typu zastosowań.

Zbieżność następujących trendów w branży powoduje wzrost zapotrzebowania na siłowniki liniowe o większej gęstości mocy:

• Konstruktorzy automatyki przemysłowej chcą realizować większe obciążenia w mniejszych przestrzeniach roboczych, bez wymagań środowiskowych i konserwacyjnych, jakie stawiane są siłownikom hydraulicznym;
• Inżynierowie poszukują bardziej precyzyjnych danych operacyjnych i diagnostycznych, aby zoptymalizować wydajność i sprostać bardziej złożonym wyzwaniom sterowania ruchem;
• Producenci OEM pracują nad projektowaniem bardziej złożonych maszyn w bardziej zwartej obudowie, zapewniając im większą elastyczność i oszczędność.

Pierwsze kroki w kierunku bardziej efektywnego przestrzennie sterowania ruchem

Konstruktorzy aplikacji wymagających powyżej 2 kN / 450 lbf w kompaktowej obudowie tradycyjnie stosowali rozwiązania hydrauliczne, pneumatyczne, a nawet elektromechaniczne w połączeniu z serwonapędem. Systemy te wymagały jednak integracji wielu elementów zewnętrznych, takich jak silniki, pompy, zbiorniki i przewody. Fakt, że te systemy są również kosztowne w utrzymaniu z powodu wycieków płynu, przyczynił się do wzrostu popytu na alternatywne rozwiązania.

W ciągu ostatnich 20 lat zakres obciążenia oferowanego przez przemysłowe siłowniki elektryczne wzrósł do 16 kN / 3597 lbf, umożliwiając większą konwersję z rozwiązań hydraulicznych. Uzupełnieniem tej mocy jest integracja systemów elektroniki, która nie tylko pomaga zapewnić kontrolę ruchu niezbędną do podnoszenia wydajności na wyższy poziom, ale także sprawia, że urządzenia zewnętrzne zajmujące dużo miejsca, takie jak enkodery, przekaźniki i przełączniki, są definiowane programowo, dzięki czemu mogą być obsługiwane w obudowie siłownika. Eliminuje to potrzebę przestrzeni na takie urządzenia i ich niezbędne okablowanie, co daje konstruktorowi maszyny znacznie większą elastyczność.

Zmniejszenie konstrukcji

Podczas gdy na rynku pojawiły się mocniejsze siłowniki z możliwością konwersji tradycyjnych osi hydraulicznych na elektromechaniczne, wielu dostawców mobilnych urządzeń terenowych, urządzeń do transportu materiałów i automatyzacji fabryk wymagało również bardziej kompaktowej konstrukcji, aby zaspokoić potrzeby swoich klientów. Ogólnie rzecz biorąc, maszyny stają się coraz bardziej złożone i jednocześnie bardziej kompaktowe. Aby sprostać trendom w swojej branży, konstruktorzy projektują obecnie złożone urządzenia, jednocześnie szukając kreatywnych sposobów, aby zmieścić je w bardziej zwartej obudowie. Dostawcy technologii sterowania ruchem odpowiedzieli na to postępami w zakresie przekładni, doboru silników, elektroniki i innych innowacji, które doprowadziły do nowej generacji siłowników elektromechanicznych, które zmniejszyły się w porównaniu do swoich tradycyjnych poprzedników, przy jednoczesnym zwiększeniu gęstości mocy.

Dzięki większej mocy te bardziej kompaktowe siłowniki elektromechaniczne zachowują całą moc inteligentnych rozwiązań wbudowanych w ich większe odpowiedniki – kluczowy wyróżnik w porównaniu z siłownikami opartymi na hydraulice. Zalety sterowania elektronicznego obejmują rozbudowane funkcje automatyzacji i konserwacji, takie jak informacje zwrotne o położeniu, komunikacja za pośrednictwem magistrali CAN i LIN J1939, przełączanie niskoprądowe, wyjście sygnalizacji końca skoku, synchronizacja wielu siłowników i możliwość współpracy ze sterownikami PLC.

Przykładowo, firma Thomson Industries, zaprojektowała siłownik elektromechaniczny do obciążeń do 2 kN / 450 lbf, który ma takie same możliwości elektroniczne jak model, który może obsłużyć 16 kN / 3597 lbf, ale w mniejszej obudowie.

Pomimo mniejszej obudowy niż siłowniki o większych obciążeniach, siłowniki Thomson Electrak MD mogą wytrzymać obciążenia do 2 kN / 450 lbf, a jednocześnie mają wbudowaną elektronikę i są odporne na warunki środowiskowe

Wybór siłowników o wyższej gęstości mocy

Tam, gdzie dobór siłownika tradycyjnie rozpoczynał się od określenia wymaganego obciążenia, długości skoku i prędkości, wielu konstruktorów systemów sterowania uważa ograniczenia przestrzenne za jeden z podstawowych czynników wyboru. W niektórych przypadkach wymagane obciążenia mogą wzrosnąć lub utrzymać się na wyższych poziomach, ponieważ geometria maszyn nie zmienia się tak bardzo, co zmusza konstruktorów do kompromisu między rozmiarem a wymaganą siłą. Trudność komplikuje fakt, że sprostanie ograniczeniom wielkości może w rzeczywistości wymagać większej siły.

Mobilne pojazdy terenowe są dobrym przykładem w kategorii zastosowań czerpiących korzyści z mniejszej obudowy siłowników. Mniejsze pojazdy są zwykle łatwiejsze w obsłudze, bardziej energooszczędne i często mogą być bardziej ekonomiczne, zwłaszcza jeśli konstruktorzy nie muszą zapewniać większej ładowności niż jest to faktycznie wymagane do danego zadania.

Regulacja lusterek w pojazdach terenowych pozwala uzyskać większą moc w kompaktowej obudowie.

Przykładowo, kombajn zbożowy może posiadać kilka elementów, które wymagają do 16 kN / 3597 lbf udźwigu oraz inne, które nie wymagają aż tak dużej ładowności. Systemy takie jak sito, które pomaga oddzielać ziarno od plew lub rozdzielacz powietrzny, który kieruje plewy na lewą lub prawą stronę kombajnu, w zależności od kierunku wiatru, mogą wymagać zarządzania większym obciążeniem, ale jednocześnie mniejszym od 16 kN. Takie urządzenia są często umieszczane w częściach pojazdu o ograniczonej przestrzeni, co powoduje, że rozwiązania pozwalające na optymalizację tej przestrzeni są zawsze miłym udogodnieniem.

Mechanizmy blokujące w systemach transportu materiałów i ergonomiczne regulacje na przenośniku to inne aplikacje, w których można skorzystać z siłowników o większej gęstości mocy. W wielu podobnych aplikacjach przydałoby się rozwiązanie pozwalające na obsłużenie obciążenia do 2 kN / 450 lbf, oraz rzadko, o ile w ogóle, do 16 kN / 3597 lbf.

Projektanci linii przenośnikowych mogą zwiększyć wydajność bez wdrażania większej siły niż wymagana.

Innym przykładem automatyzacji może być siłownik stosowany do podnoszenia i opuszczania przenośnika do obsługi kartonów o różnych rozmiarach. Takie operacje mogą być wymagane tylko kilka razy dziennie, a ich automatyzacja za pomocą systemu heavy-duty prawdopodobnie nie byłaby opłacalna. System o wyższej gęstości mocy oferowałby bardziej wydajny siłownik w mniejszej obudowie, co mogłoby przynieść korzyści automatyzacji w uprzednio manualnym, potencjalnie niebezpiecznym i – w porównaniu do siłowników zasilanych cieczą – bardziej brudnym środowisku.

Siłowniki do średnich obciążeń na zasuwach rozsiewacza nawozu pomagają zredukować masę i zwiększyć wydajność.

Rozdzielacze i zasuwy w siewnikach można zsynchronizować, stosując inteligentne siłowniki o większej sile, które cechują się niską ceną i masą.

Idąc dalej w przyszłość

Mówiąc ogólnie, nowa generacja siłowników o zredukowanych rozmiarach i dużej gęstości mocy jest idealna do zastosowań wymagających siły do 2 kN / 450 lbf i wbudowanej inteligencji. Większe wymagania prawdopodobnie wymagałyby większego siłownika elektromechanicznego, synchronizacji kilku inteligentnych siłowników lub – jeśli czyste działanie i precyzja nie są niezbędne – rozwiązania hydraulicznego. Jeśli zaawansowana elektronika siłownika nie jest krytyczna, a wymagane obciążenie jest mniejsze niż 0.5 kN / 112 lbf, prostszy siłownik elektromechaniczny może zmieścić się w ograniczonej przestrzeni.

Nawet jeżeli wymagania przestrzenne nie są najważniejsze, zmniejszenie komponentu bez kompromisu w zakresie mocy lub inteligencji może zwiększyć wartość produktu końcowego pod względem elastyczności, kosztów, zużycia energii i konserwacji. Bez inteligentnego siłownika o mniejszej mocy, alternatywą jest wdrożenie większego siłownika lub ograniczenie funkcjonalności. Dzięki bardziej kompaktowemu siłownikowi można uniknąć większości kompromisów projektowych. Konstruktorzy będą mieli siłowniki o niezbędnej mocy, lepszy dostęp do danych operacyjnych i możliwość synchronizacji z innymi siłownikami.

Ponieważ Przemysłowy Internet Rzeczy (Industrial Internet of Things) i Przemysł 4.0 napędzają rozwój bardziej połączonych i inteligentnych aplikacji, zapotrzebowanie na bardziej kompaktowe siłowniki prawdopodobnie będzie rosło. I co za tym idzie, zwiększona możliwość integracji wcześniej oddzielnych mechanizmów i skalowania systemów sterowania ruchem w celu uzyskania maksymalnej elastyczności i obniżenia kosztów.