7 razones para considerar cambiar sus actuadores neumáticos e hidráulicos por cilindros eléctricos

Aug 10, 2023

Por contenido patrocinado | 14 de agosto de 2023

Durante décadas, los actuadores neumáticos e hidráulicos han sido tecnologías de referencia en el espacio de la automatización industrial, pero tienen tantos inconvenientes como ventajas, en particular los actuadores neumáticos. Mientras tanto, los cilindros eléctricos han avanzado mucho, hasta el punto de que los OEM y los integradores de sistemas los eligen cada vez más siempre que es posible. En comparación con las tecnologías neumáticas e hidráulicas, los cilindros eléctricos ofrecen una eficiencia y un rendimiento de posicionamiento significativamente mayores, así como un mantenimiento y un tiempo de inactividad reducidos en un paquete más pequeño. El resultado es el coste total de propiedad (TCO) más bajo de las tres tecnologías.

Con los continuos avances técnicos, los cilindros eléctricos pueden generar fuerzas competitivas con los actuadores neumáticos y con un porcentaje de los actuadores hidráulicos. Para aplicaciones industriales, los cilindros neumáticos e hidráulicos ya no deberían darse por sentados. Veamos siete razones por las que debería considerar los cilindros eléctricos para su próximo proyecto.

La terminología común es llamar cilindros a los actuadores neumáticos e hidráulicos, pero eso es incorrecto. En realidad, estas son soluciones a nivel de sistema:

Actuadores neumáticos: Los actuadores neumáticos generan movimiento a través de aire comprimido. Un actuador neumático típico consta de un cilindro de aire, un compresor o suministro de aire comprimido, mangueras y dispositivos auxiliares como sellos, válvulas, reguladores, filtros, etc. Los cilindros de acción simple utilizan aire comprimido para una sola dirección y un resorte para la dirección. devolver. Los cilindros neumáticos de doble acción utilizan aire comprimido tanto para la extensión como para la retracción.

Actuadores hidráulicos: los actuadores hidráulicos utilizan un modelo similar a los actuadores neumáticos, excepto que en lugar de transferir fuerza a través de aire comprimido, utilizan un fluido hidráulico no compresible. El actuador consta de un cilindro hidráulico, una bomba, un depósito de fluido, filtros auxiliares, etc.

Cilindros eléctricos: Los cilindros eléctricos utilizan un motor eléctrico para impulsar un actuador tipo varilla (consulte la Figura 1). Fuera del motor y el dispositivo de retroalimentación (normalmente un codificador), solo necesitan cableado para funcionar. Los cilindros eléctricos ofrecen una serie de ventajas sobre los actuadores neumáticos e hidráulicos.

Figura 1: Un cilindro eléctrico, como elBeckhoff AA3000, consta de un motor eléctrico que acciona un actuador de varilla roscada.

Uno de los mayores inconvenientes de los actuadores neumáticos e hidráulicos es que los compresores o bombas deben funcionar constantemente para mantener las líneas cargadas, incluso cuando los cilindros están inactivos. La eficiencia de los actuadores neumáticos oscila entre el 10% y el 25%, aunque ese número disminuye con el tiempo a medida que los sellos se degradan y se desarrollan fugas en las mangueras de suministro. Los actuadores hidráulicos son un poco mejores con aproximadamente un 40% de eficiencia.

Por el contrario, los cilindros eléctricos consumen energía sólo cuando el motor gira para mover el cilindro. Como resultado, pueden alcanzar eficiencias de hasta el 80%, con un consumo de energía sustancialmente menor que las otras dos tecnologías. Este es un punto importante, sobre todo porque se espera que la vida útil de los activos industriales se mida en décadas. Un actuador neumático puede tener un coste total de adquisición (TCA) más bajo que un cilindro eléctrico, pero un cilindro eléctrico tendrá un TCO significativamente durante la vida útil del producto.

Antes se pensaba que los cilindros hidráulicos ofrecían la mayor fuerza, seguidos por los cilindros neumáticos y luego los cilindros eléctricos. Esa situación ha cambiado. Los cilindros eléctricos avanzados como el AA3000 pueden producir fuerzas máximas de hasta 25 kN (consulte la barra lateral). Es compatible con cualquier actuador neumático. Los cilindros eléctricos no se están posicionando como un reemplazo general para todos los actuadores hidráulicos, pero son opciones viables en un porcentaje significativo de los casos, especialmente dadas las otras capacidades que aportan, como...

Los cilindros eléctricos ofrecen una funcionalidad completa de control de movimiento basada en servos. Ofrecen alta precisión y repetibilidad; La resolución depende de la retroalimentación y de la fidelidad mecánica del sistema. Los cilindros eléctricos pueden dirigir la carga a cualquier posición a lo largo de la carrera y soportar perfiles de aceleración complejos. El juego depende de los elementos mecánicos del sistema, particularmente de la caja de cambios, pero es consistentemente mejor que el de los actuadores neumáticos.

Los actuadores neumáticos e hidráulicos sólo pueden posicionarse con precisión en los extremos de la carrera. El posicionamiento a mitad de carrera requiere servoválvulas que añaden complejidad y costo sin alcanzar la precisión, repetibilidad y resolución de los cilindros eléctricos. Cualquier fuga de sellos y mangueras a medida que el equipo envejece comprometerá el rendimiento y requerirá ajustes constantes. Cambiar de velocidad es extremadamente desafiante.

Debido a que los actuadores neumáticos utilizan aire comprimido, hay una cierta flexibilidad o esponjosidad cuando se accionan hacia atrás. El fluido hidráulico no es comprimible, por lo que los actuadores hidráulicos no sufren este problema. Los cilindros eléctricos pueden tener juego, pero sólo al invertir y generalmente está bien controlado; para el AA3000, puede ser tan bajo como 15 µm.

Los actuadores neumáticos e hidráulicos son sistemas de varias partes cuyo mantenimiento requiere mucha mano de obra. Las mangueras tienen fugas, los sellos se degradan y las bombas y compresores requieren mantenimiento. Aunque los motores de inducción que alimentan los compresores y las bombas se pueden monitorear mediante análisis de vibraciones, los sistemas de alerta anticipada para problemas como fugas en las mangueras son más difíciles. En el caso de los cilindros neumáticos, las fugas aumentan significativamente el consumo de energía y comprometen el rendimiento, pero la resolución de problemas puede llevar mucho tiempo. En el caso de los actuadores hidráulicos, las fugas serán muy obvias y muy complicadas. En ambos casos, los equipos de mantenimiento pueden dedicar una gran cantidad de tiempo a inspeccionar el sistema en un esfuerzo por mantener el rendimiento, lo que puede resultar muy costoso. También existe la tarea siempre presente de limpiar las fugas de líquido hidráulico.

Los cilindros eléctricos tienen muchos menos puntos de falla: no tienen mangueras, válvulas, medidores de flujo, compresores, bombas, etc. Aunque hay un sello alrededor del vástago del actuador, no está directamente relacionado con el rendimiento del sistema y no afecta la precisión ni la repetibilidad. , o consumo de energía. Los cilindros eléctricos rastrean la posición mediante codificadores, que son mucho más robustos y confiables que los dispositivos mecánicos como los interruptores de láminas que utilizan los actuadores neumáticos e hidráulicos. Aún mejor, los cilindros eléctricos tienen capacidades de mantenimiento predictivo bien establecidas que brindan advertencias anticipadas sobre el desarrollo de problemas, lo que permite programar el mantenimiento en momentos convenientes.

El posicionamiento neumático e hidráulico se basa en el flujo de fluido, por lo que la configuración y puesta en servicio iniciales pueden llevar mucho tiempo y ser complejas. Los cilindros eléctricos están controlados por software. Su reputación de complejidad está obsoleta: muchos sistemas industriales cuentan con configuración automática e interfaces de usuario optimizadas para una puesta en marcha rápida. (ver Figura 2). Para los OEM y los integradores de sistemas que ensamblan una máquina, el tiempo es dinero. La velocidad de puesta en servicio también es una ventaja importante para los usuarios finales.

Figura 2: El software de configuración optimizado para el AA3000 hace que la selección del perfil de movimiento sea tan fácil como apuntar y hacer clic.

La tecnología de cilindros eléctricos realmente brilla cuando llega el momento de cambiar los parámetros de movimiento. Para los actuadores neumáticos e hidráulicos, el proceso de calcular presiones y ajustar (y ajustar, y ajustar...) válvulas para lograr la posición y velocidad deseadas comienza de nuevo. En el caso de los cilindros eléctricos, los cambios solo requieren una actualización del software o elegir una receta diferente en el menú HMI.

Los cilindros eléctricos también simplifican la implementación de la seguridad de las máquinas. Los cilindros neumáticos e hidráulicos requieren sensores y relés externos, cuya implementación puede ser compleja, costosa y llevar mucho tiempo, al tiempo que aumenta aún más la huella del sistema. Los cilindros eléctricos ahora están disponibles con capacidades de seguridad integradas que se pueden implementar con pantallas de configuración simples.

Los cilindros eléctricos ocupan menos espacio que los actuadores neumáticos o hidráulicos que tienen la misma fuerza nominal. No necesitan compresores ni bombas, ni las, a veces, extensas mangueras de suministro que requieren las soluciones neumáticas e hidráulicas. Algunos cilindros eléctricos pueden tener accionamientos externos en la máquina o en un armario, pero las versiones con motores integrados, como elBeckhoff AA3000, son cada vez más comunes.

La combinación de mayor eficiencia, menor mantenimiento y mayor facilidad de uso se suma a un menor TCO para los cilindros eléctricos. En aplicaciones de alta fuerza, los cilindros eléctricos ofrecen un retorno de la inversión más rápido que los cilindros neumáticos.

Los cilindros eléctricos modernos ofrecen una serie de ventajas sobre los actuadores neumáticos y muchos actuadores hidráulicos. Con una mayor eficiencia y facilidad de uso, junto con menores requisitos de mantenimiento, los cilindros eléctricos ofrecen a los usuarios un TCO significativamente menor. Mientras tanto, los cilindros eléctricos también ofrecen un rendimiento mucho mejor que las alternativas, con capacidades completas de control de movimiento y mayor precisión, repetibilidad y resolución. Y lo que es igualmente importante, los continuos avances tecnológicos han dado como resultado cilindros eléctricos capaces de generar fuerzas máximas de hasta 25 kN. A esto, agregue una huella más pequeña (siempre una consideración en el entorno de una fábrica abarrotada) a la serie de razones para considerar los cilindros eléctricos para su próxima aplicación.

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