Quando i progettisti di attuatori elettromeccanici iniziarono a integrare l'elettronica negli alloggiamenti, ottennero un notevole vantaggio in termini di controllo ed efficienza, il che aprì la strada ad applicazioni che, per lungo tempo, erano state di esclusivo dominio dei cilindri idraulici. Questa stessa elettronica, unita alla recente esperienza nell'applicazione di attuatori elettrici in nuove soluzioni, consente ora di adottare una strategia di progettazione modulare che semplifica la personalizzazione degli attuatori elettrici, migliorandone ulteriormente i vantaggi rispetto all'idraulica.
La modularità offre un maggiore controllo del movimento
Gli approcci di progettazione modulare sono comuni in molti altri mercati. Nel mercato del giardinaggio, ad esempio, alcuni rasaerba sono dotati di un'impugnatura di base, di un motore e di un connettore, a cui l'utente può collegare un soffiatore, un tagliabordi, una fresa o il rasaerba originale. Nel settore dell'elettronica, l'App Store di Apple ha dato vita a migliaia di nuove opzioni di produttività e intrattenimento. I produttori di attuatori elettrici offrono ora lo stesso tipo di funzionalità intercambiabile, offrendo ai progettisti di macchine un motivo in più per abbandonare l'idraulica.
L'aggiunta di componenti elettronici agli attuatori elettromeccanici ha rappresentato una svolta nella modularità, aprendo le porte a una miriade di opzioni software per il controllo, l'analisi, la diagnostica e molte altre funzionalità non ottenibili con l'idraulica. Queste capacità, unite ad altri componenti personalizzabili come adattatori e cablaggi, rendono più semplice e molto più conveniente aggiungere accessori, hardware e software. Tre esempi più recenti di moduli che potrebbero essere facilmente aggiunti a un attuatore elettrico di base sono la retroazione di forza, lo smorzamento del carico e lo sblocco e l'override manuali.
Aggiunta della retroazione di forza
Sapere a quale sforzo è sottoposto un attuatore è importante per gli utenti per molti motivi, tra cui il controllo e la manutenzione. Aggiungere la retroazione di forza a un sistema idraulico è possibile, ma complesso. Le modifiche ai progetti basati sulla tecnologia idraulica a uno stadio avanzato implicherebbero la riprogettazione di molti componenti, il che sarebbe rilevante solo per l'applicazione in uso. Senza l'elettronica, i progettisti di sistemi sono costretti a utilizzare tecniche di misurazione meno sofisticate, come il calcolo della pressione in base alle variazioni del flusso di corrente in una pompa.
Anche aggiungere la retroazione di forza a un attuatore elettromeccanico convenzionale è una sfida. Questo tipo di funzionalità richiede solitamente la riprogettazione completa dell'attuatore. Il produttore potrebbe partire da una struttura esistente, ma dovrebbe apportare modifiche alle dimensioni, alla forma o ad altri aspetti. Anche quando i progettisti elaborano una soluzione personalizzata, giungere a una soluzione è difficile, i componenti sono potenzialmente più costosi e la soluzione probabilmente non è facilmente adattabile ad altre applicazioni.
Progettare per un adattamento futuro è molto più semplice con un attuatore intelligente. Circa l'80% della tecnologia di un attuatore intelligente è una tecnologia di base che potrebbe essere uguale in diverse applicazioni. (Figura 1) I principali produttori progettano la tecnologia di base separatamente dalla funzione di retroazione di forza, utilizzando un dispositivo come un estensimetro, che misura la pressione in modo più rappresentativo rispetto, ad esempio, al semplice assorbimento di corrente dal motore. Per collegare l'estensimetro basta semplicemente collegare un paio di fili dall'attuatore al sistema di controllo, senza dover aggiungere componenti complessi per misurare la pressione in un sistema idraulico.
Figura 1. Con gli attuatori elettrici intelligenti, invece di dedicare tempo prezioso al cablaggio, all'installazione e al collaudo, è possibile sfruttare immediatamente le funzionalità di controllo plug-and-play di questo attuatore, come la retroazione di forza. (Immagine per gentile concessione di Thomson Industries, Inc.)
Smorzamento del carico
La stessa tecnologia di base rimane invariata quando viene utilizzata per smorzare il carico. La capacità di resistere a carichi d'urto è da tempo prerogativa dell'idraulica. L'incomprimibilità del fluido idraulico aiuta ad assorbire gli urti e impedisce che le vibrazioni danneggino tutti gli altri componenti del sistema. Fortunatamente, ora è possibile aggiungere un ammortizzatore a un attuatore elettrico senza doverne modificare la struttura di base.
È possibile collegare uno smorzatore a un adattatore sul retro dell'attuatore, aumentando così la lunghezza totale e il peso del componente. (Figura 2). L'adattatore include rondelle ammortizzanti che si deformano elasticamente e dissipano l'energia nel percorso di carico dell'attuatore. Quando il tubo di prolunga dell'attuatore viene colpito da un carico d'urto, l'ammortizzatore collegato si estende o si comprime, a seconda della direzione della forza del carico d'urto, per poi tornare nella sua posizione originale.
Figura 2. L'opzione di smorzamento è montata tra l'adattatore posteriore e l'alloggiamento, e consente all'attuatore di assorbire i carichi d'urto. (Immagine per gentile concessione di Thomson Industries, Inc.)
La distanza di percorrenza dipende principalmente dalla potenza dell'ammortizzatore stesso, ma anche dalle dimensioni del carico, dalla temperatura, dalla velocità di carico dell'ammortizzatore e dalla posizione di montaggio. In questo modo si evita che carichi d'urto, sia positivi sia negativi, agiscano sugli altri componenti meccanici del gruppo di spinta, inclusi la chiocciola a ricircolo di sfere, la vite con ricircolo di sfere e i cuscinetti reggispinta. Ciò prolunga la durata dell'attuatore, eliminando i carichi d'urto e offrendo un vantaggio competitivo per l'idraulica in molte altre applicazioni.
Rilascio del freno e override manuali
Quando la tecnologia di base comprende un motore brushless, come accade sempre più spesso nei progetti di attuatori, una tecnologia di base standard può consentire il rilascio e l'override manuali dei freni, il che offre vantaggi in termini di sicurezza, manutenzione e risparmio energetico rispetto all'idraulica.
Un modulo di rilascio manuale del freno consente agli operatori di spostare manualmente un componente della macchina quando è bloccato, rotto o presenta altri problemi. Questo modulo consente alla macchina di spostarsi sfruttando la potenza del carico applicato e/o la gravità, fornendo corrente rigenerativa a un alimentatore o a una batteria per aiutare a controllare il movimento. (Figura 3)
Figura 3. Qualora un componente della macchina sia bloccato, si guasti o si trovi in una posizione non adeguata, l'attuatore elettrico può essere spostato manualmente in una posizione che consenta all'utente di accedervi per la manutenzione. L'opzione di rilascio manuale del freno disinnesta il freno di stazionamento in modo che il tubo di prolunga possa estendersi o ritrarsi sotto carico, assistito dalla gravità, fino alla posizione desiderata. (Immagine per gentile concessione di Thomson Industries, Inc.)
Queste funzionalità possono essere facilmente aggiunte a un attuatore che utilizza un motore brushless ed è progettato per essere adattabile. Ottenere tali vantaggi dai sistemi idraulici è molto difficile, se non impossibile. Gli impianti idraulici devono essere sempre accesi, consumando costantemente energia. Non è possibile spegnerli per manutenzione senza compromettere la produttività dell'applicazione.
La vita in un mondo modulare
In un mondo modulare, i progettisti selezionano i componenti aggiuntivi più adatti alla loro applicazione, proprio come fanno oggi per molti altri tipi di componenti. Selezionano il componente, la tensione, il carico e la corsa per stabilire le esigenze del sistema di azionamento principale, quindi scelgono opzioni aggiuntive, come le condizioni ambientali e i requisiti di controllo ed elettrici come componenti aggiuntivi. Altri utili componenti aggiuntivi potrebbero includere la retroazione di forza, lo smorzamento del carico e le opzioni di frenata/override menzionate sopra, a seconda degli accessori offerti da un determinato produttore.
In un mondo realmente modulare, la possibilità di progettare accessori per una piattaforma tecnologica comune, anziché partire da zero, incentiva la creazione di nuove funzionalità prima inimmaginabili. Questo approccio si adatta perfettamente ai produttori di attuatori elettrici. Tentano costantemente di superare i limiti per offrire un valore aggiunto e soluzioni più potenti, esplorando nuove tecnologie di motori, coclee alternative e molto altro ancora.
Sebbene la fisica imponga che gli attuatori possano spostare carichi più pesanti semplicemente ingrandendo la coclea e il motore, la sfida più grande consiste nell'ottenere la massima potenza entro lo stesso intervallo o uno ridotto. Un modo per affrontare questa sfida è sfruttare le possibilità della progettazione modulare. L'utilizzo di componenti aggiuntivi avrà probabilmente il massimo ritorno sull'investimento quando si sostituiranno i complicati sistemi idraulici con attuatori elettrici