Yüksek kuvvet üretme ve uygun maliyet sağlama özellikleriyle bilinen hidrolik silindirler, on yıllardır fabrika otomasyon ekipmanlarında ve diğer özel otomasyon ekipmanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Hidrolik sistemler sağlamdır, kurulumu nispeten basittir ve kuvvet birimi başına düşük maliyet sunar. Son yıllarda, elektrikli aktüatörler (servo silindirler) giderek artan kuvvet kapasiteleriyle daha esnek, hassas ve güvenilir hale gelmiştir. Bu gelişmeler, hangi teknolojinin -hidrolik silindir mi yoksa elektrikli aktüatör mü- en iyi genel çözümü sunduğu konusunda süregelen bir tartışmaya yol açmıştır.

1. Elektrikli Çubuk Aktüatörler ve Hidrolik Silindirler:Sistem Bileşenleri

Hidrolik silindir sisteminin gerektirdiği bileşen sayısı ve toplam alan, elektrikli bir sisteme göre çok daha fazladır. Hidrolik sistemler şunları gerektirir:

• Bir silindir

• Yağ basıncı sağlamak için bir güç ünitesi

• Kontrol ve aksesuar vanaları

• Filtreler

• Hortumlar

• Bağlantı parçaları

• Ek bileşenler

Hidrolik silindirler, çalışma noktasında (güç yoğunluğunun gerekli olduğu yerde) kompakt bir alan kaplar, ancak bu aktüatörlere ve diğer bileşenlere akış ve basıncı düzenleyen hidrolik güç ünitesi (HPU), zemin alanında büyük bir yer kaplayabilir. HPU'lar küçük değildir ve genellikle sistemin kapladığı alanı daha da artırarak silindirin yakınına yerleştirilir. Uzaktan monte edilmiş HPU'lara sahip çok büyük sistemlerde, uzun hortumlar hidrolik sistemin genel rijitliğini ve verimliliğini azaltabilir.

Elektrikli çubuk aktüatörler daha küçük bir genel alan kaplar. Bu sistemler mekanik bir aktüatör; bir motor (servo veya başka); isteğe bağlı bir dişli kutusu; kablolar ve genellikle bir kontrol kabinine monte edilen bir sürücü/amplifikatör kullanır.

Elektrikli aktüatör, güç vidası ve yatak sistemini entegre eden tasarımı nedeniyle hidrolik silindire göre ek uzunluk gerektirse de, genel sistem kapladığı alan göz önüne alındığında, bu ek uzunluk, HPU'nun işlevsel eşdeğeri olan servo sürücünün çok daha küçük kapladığı alanla fazlasıyla telafi edilir. Tipik olarak, otomasyon ekipmanları bir kontrol kabini kullanır ve ek bir sürücü için tasarlanabilir. Servo sürücü için gereken boyut, normalde bir HPU'nun boyut gereksinimlerinin çok küçük bir kısmını oluşturur.

Yeni sistem tasarımlarında, çalışma noktasındaki ek alan elektrikli aktüatörün çalışma strokunu ve toplam uzunluğunu karşılayacak şekilde oluşturulabilirse, büyük güç ünitelerine olan ihtiyacı ortadan kaldırarak makinenin toplam kapladığı alan önemli ölçüde azaltılabilir.

2. Elektrikli Çubuk Aktüatörler ve Hidrolik Silindirler:Hareket Kontrol Yetenekleri

Mühendislerin hidrolik silindir sistemine kıyasla elektrikli aktüatör sistemini tercih etmelerinin temel nedeni, hareket kontrol yeteneklerinin esnekliğidir: konum kontrolü (çoklu konumlar, hassasiyet); hız kontrolü; ivme/yavaşlama kontrolü; çıkış kuvveti kontrolü; ve tüm bu hareket değişkenlerinin anlık olarak karmaşık kontrolü. Servo sürücü ve motor sistemiyle birleştirilen elektrikli aktüatörler, konum üzerinde sınırsız kontrol sağlar. Konumun hassasiyeti ve tekrarlanabilirliği, hidrolik sistemin yeteneklerinin çok ötesindedir.

Standart hidrolik sistemler, uçtan uca konumlandırma uygulamaları için mükemmeldir, ancak orta strok konumlandırması daha karmaşıktır ve bir kontrol vanası ile operatör yardımı gerektirir. Orta strok konumlandırması açık döngülüdür ve operatörün hangi konumun kabul edilebilir olduğuna karar vermesini gerektirir. Ek olarak, hız kontrolü bir kontrol vanası aracılığıyla izlenir ve yine operatörün uygulama için kabul edilebilir hızı ayarlamasını gerektirir, ancak tam bir hız ayarına ulaşmak genellikle zordur. Hız ayarı yapıldıktan sonra, hidrolik silindirden gerekli basınç kuvveti çıkışı basınç vanası aracılığıyla düzenlenir. Son olarak, hidrolik silindirin konum, hız ve kuvvetinin tekrarlanabilirliği, aşınmış contalara, sızıntılara, pompadan kaynaklanan basınç düşüşlerine ve ani yükselmelere ve diğer bakım faktörlerine bağlıdır. Yağ kalitesi ve viskozitesinin sıcaklık değişimleri nedeniyle değiştiği bir üretim ortamında, günden güne, aydan aya veya yıldan yıla tekrarlanabilir performans elde etmek zordur. İstenen performans seviyesine ulaşmak, sürekli operatör müdahalesi gerektirecektir.

“Servo-hidrolik” olarak adlandırılan daha gelişmiş hidrolik sistemler, konum, hız ve kuvveti hassas bir şekilde kontrol edebilir, ancak ek bileşenler gerektirirler: bir servo kontrol cihazı, bir elektrohidrolik servo valf ve doğrusal dönüştürücü gibi bir konum geri besleme cihazı. Bu bileşenler, önemli ölçüde karmaşıklık, alan ve maliyet artışına neden olur. Bu bileşenler, bir servo sürücünün servo motora giden akımı kontrol etmesine benzer şekilde, hidrolik silindire giren basıncı ve akışı kontrol eder. Hidrolik sistemlerde ayrıca, birden fazla eksenin birlikte koordine edilmesine olanak tanıyan daha gelişmiş kontrol cihazları da bulunur. Bununla birlikte, bu durum hidrolik sistem uygulamalarında nadirdir ve bu kontrol cihazları genel sisteme aşırı karmaşıklık ve maliyet ekler. Ayrıca, oldukça hassas olabilirler ve istenen performansı sağlamak için düzenli bakım gerektirirler.

Servo kontrol sistemiyle birleştirildiğinde, elektrikli aktüatörler sonsuz kontrolün yanı sıra üstün doğruluk ve tekrarlanabilirlik sunar. Çok eksenli servo kontrolörler, günümüzün çoğu modern kontrol sisteminde kolayca bulunabilen hazır ünitelerdir. Kontrolörler ve elektrikli aktüatörler, daha sınırlı hidrolik çeşitlerine kıyasla karmaşık konfigürasyonlarda daha kolay ve uygun maliyetle birlikte koordine edilebilir. Bir veya birden fazla elektrikli aktüatörün hızı her zaman hassas ve doğru bir şekilde kontrol edilir ve durmadan veya pozisyonu aşmadan bir hızdan diğerine kolayca geçiş yapabilir. Hızlanma ve yavaşlama kontrolü, elektrikli aktüatörlerin sert duruşlara "çarpmayacağı" veya ani hareketlere girmeyeceği anlamına gelir. Bu, çerçeve elemanları üzerindeki stresi ve şok yüklerine dayanacak şekilde yapıları aşırı mühendislikle tasarlama ihtiyacını ortadan kaldırır. Tüm hareketler pürüzsüz olacaktır; bu da elektrikli aktüatörlerin, makine titreşimlerinin kabul edilemez olduğu veya işlem hızının etkilendiği kritik süreçlerde kullanılmasını sağlar. Kuvvet, servo motora giden akım yoluyla kontrol edilir. Servo kontrolörler akım üzerinde hassas kontrole sahip olduğundan, neredeyse tüm elektrikli aktüatörler, çalışma noktasında kuvvet çıkışının doğru ve tekrarlanabilir kontrolünü sağlar.

Son olarak, elektrikli aktüatörlerin önemli bir özelliği, tüm hareket profili değişkenlerinin programlanabilir kontrolünü sağlama yetenekleridir. Sonuç olarak, operatörden beklenen tek etkileşim, istenen performans değişkenlerini bir PLC veya başka bir kontrol cihazının programlama ortamına entegre etmek için gereken ön tasarım süresidir. Bir kez ayarlandıktan sonra, işlem günden güne, aydan aya ve yıldan yıla tekrarlanır. Ayrıca, HMI (İnsan Makine Arayüzü) ekranlarının kullanımıyla, konum, hız, ivme/yavaşlama ve kuvvet değişkenleri her zaman kolayca değiştirilebilir ve maksimum esneklik sağlanır. OEM ortamında, elektrikli bir sistemin akışkan bir sisteme göre daha yüksek tutarlılığı nedeniyle sistem performansının kontrolü daha kolay olacaktır.

3. Elektrikli Çubuk Aktüatörler ve Hidrolik Silindirler:Kuvvet Yetenekleri

Yüksek çalışma basınçları nedeniyle, hidrolik silindir sistemleri son derece yüksek kuvvetler üretmede mükemmeldir. Tipik basınçlar 1800 ila 3000 psi (124,1 ila 206,8 bar) arasında değişir. Bazı yüksek basınçlı hidrolik sistemlerde, güç yoğunluğunu daha da vurgulamak için 5000 psi'ye (344,7 bar) kadar basınç değerleri kullanılır. Hidrolik silindirler Kuvvet = Basınç x Alan akışkan gücü prensibiyle çalıştığı için, yüksek basınçlar daha küçük silindirlerin çok büyük kuvvetlere ulaşmasını sağlar. Örneğin, 2200 psi'de 3 inç ve 5 inç çaplı silindirler sırasıyla yaklaşık 15.000 lbf (66.723,3 kN) ve 43.000 lbf (191.273,5 kN) kuvvete ulaşabilir. Bununla birlikte, hidrolik silindirler genellikle tam çıkış kuvveti kapasitelerinde kullanılmaz; genellikle kontrolü iyileştirmek için aşırı boyutlandırılırlar.

Elektrikli aktüatörleri değerlendirirken, gerekli çalışma kuvvetini belirlemek önemlidir. Elektrikli bir aktüatör için gereken yaklaşık kuvveti tahmin etmek için tipik yaklaşım, işlem artık gerçekleştirilemeyene kadar hidrolik çalışma portunu veya sistem basıncını ayarlamaktır. Elektrikli aktüatör sistemleri, mekanik sisteme tork üretmek için servo motor üzerinden geçen akıma dayanır; bu da güç vidasının dönmesini ve kuvvet üretmesini sağlar. Bu büyük bir avantajdır; kuvvet anlıktır. Sistem rijitliğinin optimize edilmediği hidrolik sistemlerde, hidrolik aktüatör kuvvet elde edilene kadar basıncın oluşmasını beklemek zorundadır. Elektrikli sistemlerin bir diğer büyük avantajı da servo kontrol ünitesinin akımı otomatik olarak düzenlemesidir. Elektrikli aktüatör sistemi esasen akımı "talep üzerine" kullanır. Herhangi bir ayarlama otomatik olarak gerçekleşir. Hidrolik silindirin çalışması için hidrolik güç ünitesinin sistemde sürekli basınç tutması gerekir ki bu oldukça zor olabilir.

Elektrikli aktüatör sistemi seçerken, motorun devir sayısı (RPM) ve tork kapasitesinin yanı sıra elektrikli aktüatördeki vida adımı da dikkate alınmalıdır. Servo motorun hızını ve torkunu, vida adımının mekanik çıkışıyla eşleştirmek karmaşık olabilir. Hidrolik sistemlerin üretebileceği aşırı kuvvetlere elektrik teknolojisiyle ulaşmak tamamen mümkündür, ancak tipik olarak, kullanılan elektrikli aktüatörün gövde çapı daha büyük olacak ve elektrikli aktüatör sisteminin aşılamayacak bir hız maksimumu olacaktır. Aktüatör ve servo bileşen üreticilerinin tüm bu değişkenleri hesaba katan kullanımı kolay hareket kontrol boyutlandırma yazılım paketleri sağlamasıyla, sistem boyutlandırmasındaki karmaşıklık kolayca aşılabilir.

4. Elektrikli Çubuk Aktüatörler ve Hidrolik Silindirler:Hız Yetenekleri

Yüksek kuvvetlerde yüksek hızlara ulaşmak, hem hidrolik hem de elektrik teknolojileri için zorluklar yaratmaktadır. Hidrolik sistemler, kuvvet için basınca, hız için ise akışa ihtiyaç duyar. Daha yüksek kuvvetlerde daha yüksek hızlara ulaşmak için, sistemde gerekli miktarda basınçlı yağ bulunmalıdır ki, gerekli miktarda yağ, gerekli süre içinde (akış olarak tanımlanır) bir silindire itilebilsin. Bu genellikle basınçlı hacmi tutmak için bir biriktirme sistemi gerektirir. Uzun stroklu silindirlerde bu sorun daha da büyüyebilir; şarj edilmemiş akümülatörler sistemi yağsız bırakabilir. Sonuç olarak, hidrolik akümülatör sistemlerinde ek kapasite kullanılması, yüksek kuvvetlerde yüksek hızlara ulaşmalarını sağlar. Bu uygulamanın dezavantajı ise, hidrolik sistemde servo-hidrolik kontrol olmadan, fazla enerjinin (kuvvet x hız) esasen açık döngü kontrol şemasında kullanılmasıdır.

Daha önce de belirtildiği gibi, bir elektrikli aktüatör sisteminin kuvvet kapasitesi, servo motor devir sayısı, servo motor torku ve vida adımı ve muhtemelen bir dişli kutusundan gelen mekanik avantajın doğru kombinasyonuna bağlıdır. Servo motorlar büyüdükçe, tork genellikle önemli ölçüde artar ancak devir sayısı azalır. Kuvvet ve hızın aşırı uygulamalarında, bir elektrikli aktüatör sisteminin istenen performansı elde edebilmesinin tek yolu, sistemi aşırı büyük boyutlandırmaktır ki bu da maliyet açısından engelleyici olabilir. Alternatif olarak, bir elektrikli aktüatör sisteminin hareket profili üzerinde tam kontrole sahip olduğunu unutmayın; her döngünün tüm uzunluğunu hareket ettirmek zorunda değildir. Ayrıca, hızlanma ve yavaşlamanın kontrolü ile elektrikli sistem daha hızlı bir şekilde dengeye ulaşabilir, bu da döngü süresini azaltır ve verimliliği artırır. Son olarak, elektrikli aktüatör teknolojisi, daha akıllı, daha kısa hareketler gerçekleştirilebildiği için gereken bazı tepe hızlarını hafifletebilir.