I cilindri idraulici, noti per l'elevata forza erogabile a un costo contenuto, sono stati ampiamente utilizzati per decenni nelle apparecchiature di automazione industriale e in altri dispositivi di automazione speciali. I sistemi idraulici sono robusti, relativamente semplici da implementare e offrono un basso costo per unità di forza. Negli ultimi anni, gli attuatori elettrici a stelo (servocilindri) sono diventati più flessibili, precisi e affidabili, con capacità di forza sempre maggiori. Questi progressi hanno generato un dibattito in corso su quale tecnologia – cilindro idraulico o attuatore elettrico – offra la migliore soluzione complessiva.

1. Attuatori elettrici a stelo vs. cilindri idraulici:Componenti del sistema

Il numero di componenti e lo spazio complessivo richiesto per un sistema a cilindro idraulico sono di gran lunga superiori a quelli di un sistema elettrico. I sistemi idraulici richiedono:

• Un cilindro

• Un'unità di potenza per fornire pressione dell'olio

• Valvole di controllo e accessorie

• Filtri

• tubi flessibili

• Accessori

• Componenti aggiuntivi

I cilindri idraulici offrono un ingombro ridotto nel punto di lavoro (dove è richiesta la densità di potenza), ma la centralina idraulica (HPU), che regola il flusso e la pressione verso questi attuatori e altri componenti, può richiedere un ingombro considerevole. Le HPU non sono di piccole dimensioni e in genere vengono posizionate vicino al cilindro stesso, aumentando ulteriormente l'ingombro del sistema. Nei sistemi di grandi dimensioni con HPU montate a distanza, i lunghi tratti di tubo flessibile possono ridurre la rigidità e l'efficienza complessiva del sistema idraulico.

Gli attuatori elettrici a stelo offrono un ingombro complessivo ridotto. Questi sistemi utilizzano un attuatore meccanico, un motore (servomotore o altro), un riduttore opzionale, cavi e un azionamento/amplificatore, solitamente montato in un quadro elettrico.

Sebbene l'attuatore elettrico, a causa della sua progettazione che integra una vite di potenza e un sistema di cuscinetti, richieda una lunghezza maggiore rispetto a un cilindro idraulico, considerando l'ingombro complessivo del sistema, questa lunghezza aggiuntiva è ampiamente compensata dall'ingombro molto più ridotto del servoazionamento, l'equivalente funzionale dell'unità idraulica. In genere, le apparecchiature di automazione utilizzano un quadro elettrico e possono essere progettate per un azionamento aggiuntivo. I requisiti dimensionali per un servoazionamento sono normalmente una frazione di quelli di un'unità idraulica.

Nei nuovi progetti di sistema, se lo spazio aggiuntivo nel punto di lavoro può essere adattato per ospitare la corsa e la lunghezza complessiva dell'attuatore elettrico, l'ingombro totale della macchina può essere notevolmente ridotto, eliminando la necessità di grandi unità di potenza.

2. Attuatori elettrici a stelo vs. cilindri idraulici:Capacità di controllo del movimento

Il motivo principale per cui gli ingegneri scelgono un sistema di attuatori elettrici rispetto a un sistema a cilindri idraulici è la flessibilità delle sue capacità di controllo del movimento: controllo della posizione (posizioni multiple, precisione); controllo della velocità; controllo dell'accelerazione/decelerazione; controllo della forza di uscita; e controllo complesso di tutte queste variabili di movimento in tempo reale. Gli attuatori elettrici, abbinati a un sistema di servomotore e azionamento, offrono un controllo infinito della posizione. La precisione e la ripetibilità della posizione superano di gran lunga le capacità di un sistema idraulico.

I sistemi idraulici standard sono ottimi per applicazioni di posizionamento end-to-end, ma il posizionamento a metà corsa è più complesso e richiede una valvola di controllo e l'intervento dell'operatore. Il posizionamento a metà corsa è a circuito aperto e richiede che l'operatore decida quale posizione sia accettabile. Inoltre, il controllo della velocità è monitorato tramite una valvola di controllo e, anche in questo caso, richiede che l'operatore imposti la velocità accettabile per l'applicazione, ma raggiungere un'impostazione di velocità precisa è spesso difficile. Una volta impostata la velocità, la forza di pressione richiesta da un cilindro idraulico viene regolata tramite la valvola di pressione. Infine, la ripetibilità di posizione, velocità e forza di un cilindro idraulico è soggetta a guarnizioni usurate, perdite, cali e picchi di pressione della pompa e altri fattori di manutenzione. È difficile ottenere prestazioni ripetibili di giorno in giorno, di mese in mese o di anno in anno in un ambiente di produzione in cui la qualità e la viscosità dell'olio variano a causa delle variazioni di temperatura. Il raggiungimento del livello di prestazioni desiderato richiederà un intervento costante da parte dell'operatore.

I sistemi idraulici più avanzati, detti "servo-idraulici", possono controllare con precisione posizione, velocità e forza, ma richiedono componenti aggiuntivi – un servocontrollore, una servovalvola elettroidraulica e un dispositivo di retroazione di posizione come un trasduttore lineare – che aumentano significativamente la complessità, l'ingombro e i costi. Questi componenti controllano la pressione e il flusso nel cilindro idraulico, in modo simile a come un servoazionamento controlla la corrente di un servomotore. I sistemi idraulici dispongono anche di controllori ancora più avanzati, che consentono di coordinare più assi. Tuttavia, questa soluzione è rara nell'implementazione dei sistemi idraulici e questi controllori aggiungono estrema complessità e costi al sistema complessivo. Inoltre, possono essere piuttosto sensibili e richiedono una manutenzione rigorosa per garantire le prestazioni desiderate.

Se abbinati a un sistema di controllo servoassistito, gli attuatori elettrici offrono un controllo illimitato, oltre a precisione e ripetibilità superiori. I controllori servoassistiti multiasse sono facilmente reperibili sul mercato nella maggior parte dei moderni sistemi di controllo. I controllori e gli attuatori elettrici si integrano più facilmente ed economicamente in configurazioni complesse rispetto alle soluzioni idrauliche, che presentano maggiori limitazioni. La velocità di uno o più attuatori elettrici è controllata con precisione e accuratezza in ogni momento, e può variare gradualmente da una velocità all'altra senza arresti o superamenti della posizione di lavoro. Il controllo di accelerazione e decelerazione impedisce agli attuatori elettrici di arrestarsi bruscamente o di entrare in funzione improvvisamente. Ciò elimina le sollecitazioni sugli elementi del telaio e la necessità di sovradimensionare le strutture per resistere a carichi d'urto. Tutti i movimenti risultano fluidi, consentendo l'utilizzo degli attuatori elettrici in processi critici in cui le vibrazioni della macchina non sono accettabili o la velocità di processo ne risente. La forza viene controllata tramite la corrente che alimenta il servomotore. Grazie al controllo preciso della corrente fornito dai controllori servoassistiti, quasi tutti gli attuatori elettrici garantiscono un controllo accurato e ripetibile della forza erogata nel punto di lavoro.

Infine, una caratteristica importante degli attuatori elettrici è la loro capacità di fornire un controllo programmabile di tutte le variabili del profilo di movimento. Di conseguenza, l'unica interazione richiesta all'operatore è la fase di progettazione preliminare per integrare le variabili di prestazione desiderate nell'ambiente di programmazione di un PLC o di un altro controllore. Una volta impostato, il funzionamento si ripete giorno dopo giorno, mese dopo mese e anno dopo anno. Inoltre, grazie all'utilizzo di interfacce HMI (Human Machine Interface), le variabili di posizione, velocità, accelerazione/decelerazione e forza possono essere facilmente modificate in qualsiasi momento, offrendo la massima flessibilità. In un ambiente OEM, le prestazioni del sistema saranno più facili da controllare grazie alla maggiore uniformità di un sistema elettrico rispetto a un sistema idraulico.

3. Attuatori elettrici a stelo vs. cilindri idraulici:Capacità di forza

Grazie alle loro elevate pressioni di esercizio, i sistemi a cilindri idraulici sono ideali per generare forze estremamente elevate. Le pressioni tipiche variano da 1800 a 3000 psi (da 124,1 a 206,8 bar). In alcuni sistemi idraulici ad alta pressione, si utilizzano pressioni fino a 5000 psi (344,7 bar) per enfatizzare ulteriormente la densità di potenza. Poiché i cilindri idraulici funzionano secondo il principio di potenza dei fluidi Forza = Pressione x Area, le alte pressioni consentono a cilindri di dimensioni ridotte di raggiungere forze molto elevate. Ad esempio, cilindri con alesaggio da 3 e 5 pollici a 2200 psi potrebbero raggiungere rispettivamente circa 15.000 lbf (66.723,3 kN) e 43.000 lbf (191.273,5 kN). Tuttavia, i cilindri idraulici non vengono solitamente utilizzati alla loro massima capacità di forza; in genere sono sovradimensionati per migliorare il controllo.

Quando si considerano gli attuatori elettrici, è importante determinare la forza di lavoro richiesta. Per stimare la forza approssimativa necessaria a un attuatore elettrico, l'approccio tipico consiste nel regolare la pressione della porta di lavoro idraulica o del sistema fino a quando l'operazione non può più essere eseguita. I sistemi di attuatori elettrici si basano sulla corrente che attraversa il servomotore per produrre coppia al sistema meccanico, il quale aziona la vite di potenza che ruota e genera forza. Questo è un enorme vantaggio: la forza è istantanea. Nei sistemi idraulici, dove la rigidità del sistema non è ottimizzata, l'attuatore idraulico deve attendere che la pressione aumenti prima di poter generare la forza. Un altro grande vantaggio dei sistemi elettrici è che il servocontrollore regola automaticamente la corrente. Il sistema di attuatori elettrici utilizza essenzialmente la corrente "su richiesta". Qualsiasi regolazione avviene automaticamente. Un'unità di potenza idraulica deve sempre mantenere la pressione nel sistema affinché il cilindro idraulico si aziona, il che può essere estremamente difficile.

Nella scelta di un sistema di attuazione elettrica, è importante considerare la velocità di rotazione (RPM) e la coppia del motore, unitamente alla corsa della vite dell'attuatore elettrico. Abbinare la velocità e la coppia del servomotore all'uscita meccanica della vite può essere complesso. Raggiungere le forze estreme che un sistema idraulico può produrre è assolutamente possibile con la tecnologia elettrica, ma in genere l'attuatore elettrico utilizzato avrà un diametro maggiore e il sistema di attuazione elettrica avrà una velocità massima non superabile. La complessità del dimensionamento di un sistema può essere facilmente superata grazie ai software di dimensionamento per il controllo del movimento, facili da usare e forniti dai produttori di attuatori e servocomandi, che tengono conto di tutte queste variabili.

4. Attuatori elettrici a stelo vs. cilindri idraulici:Capacità di velocità

Raggiungere velocità elevate con forze elevate rappresenta una sfida sia per le tecnologie idrauliche che per quelle elettriche. I sistemi idraulici richiedono pressione per generare forza e flusso per generare velocità. Per ottenere velocità più elevate con forze maggiori, è necessario che nel sistema sia presente una quantità sufficiente di olio pressurizzato per spingere il volume di olio richiesto in un cilindro nel tempo necessario (definito come flusso). Ciò richiede in genere un sistema di accumulo per mantenere il volume pressurizzato. Il problema può aggravarsi con cilindri a corsa lunga; gli accumulatori non caricati possono causare una carenza di olio nel sistema. In definitiva, l'impiego di una maggiore capacità nei sistemi di accumulo idraulico consente di raggiungere velocità elevate con forze elevate. Lo svantaggio di questa pratica è che, in assenza di un controllo servo-idraulico sul sistema idraulico, l'energia in eccesso (forza x velocità) viene essenzialmente utilizzata in uno schema di controllo ad anello aperto.

Come già accennato, la forza erogabile da un sistema di attuatori elettrici dipende dalla giusta combinazione di giri al minuto (RPM) del servomotore, coppia del servomotore e vantaggio meccanico fornito dalla vite senza fine e, eventualmente, da un riduttore. Con l'aumentare delle dimensioni dei servomotori, la coppia in genere aumenta significativamente, mentre i giri al minuto diminuiscono. In applicazioni che richiedono forza e velocità estreme, l'unico modo in cui un sistema di attuatori elettrici potrebbe raggiungere le prestazioni desiderate è quello di sovradimensionarlo notevolmente, il che può risultare proibitivo in termini di costi. D'altra parte, è importante ricordare che un sistema di attuatori elettrici ha il controllo completo sul profilo di movimento; non deve necessariamente percorrere l'intera lunghezza di ogni ciclo. Inoltre, grazie al controllo di accelerazione e decelerazione, il sistema elettrico può stabilizzarsi più rapidamente, riducendo i tempi di ciclo e aumentando l'efficienza. Infine, la tecnologia degli attuatori elettrici può ridurre la necessità di raggiungere velocità di picco elevate, consentendo l'esecuzione di movimenti più intelligenti e di durata inferiore.