Een nieuwe generatie elektromechanische actuatoren vervangt hydraulische cilinders in een groot aantal veeleisende toepassingen.
Die keuze wordt steeds meer gedreven door kostenvoordelen en prestaties.
Jarenlang, als ingenieurs grote krachten wilden produceren of zware lasten wilden verplaatsen, was hun eerste keuze een hydraulische aandrijving. Tegenwoordig hebben hydraulische systemen echter een krachtige concurrent in de wereld van de lineaire beweging: de elektromechanische actuator.
Elektromechanische actuatoren vervangen hydraulische systemen door een precisie kogel- of rollenomloopspil, aangedreven door een direct op het systeem gemonteerde elektromotor en tandwielkast of riemoverbrenging. In veel toepassingen bieden elektromechanische systemen een groot aantal voordelen ten opzichte van hun hydraulische tegenhangers. Ze zijn kleiner en lichter, en omdat de motor die de actuator aandrijft direct wordt aangesloten, hebben elektromechanische systemen geen grote pompen, drukvaten, olietanks en leidingen nodig. De afwezigheid van olie onder druk heeft ook veiligheids- en milieuvoordelen, waardoor het risico van brand, vervuiling of letsel als gevolg van lekken en morsen wordt geëlimineerd. De elektromechanische beweging is ook veel stiller dan hydrauliek.
Ook bieden elektromechanische systemen aanzienlijke prestatievoordelen. Ze kunnen met een groter snelheids- en vermogensbereik werken dan hydraulische apparatuur en bieden een hogere positienauwkeurigheid. Ze werken ook consistenter. De viscositeit van hydraulische oliën kan veranderen met de tijd en temperatuur, wat de machineprestaties beïnvloedt. Elektromechanische systemen blijven werken volgens nauwkeurige toleranties en omdat hun bewegende delen gebaseerd zijn op beproefde rollager-technologie, is het mogelijk om hun levensduur te voorspellen onder bepaalde specifieke omstandigheden.
Dan is er nog de besturing. Omdat er geen aparte regelkleppen en bijbehorende hardware nodig zijn, zijn elektromechanische actuatoren gemakkelijker te integreren in het elektronische regelsysteem van een machine. Samen met hun snelle reactie, nauwkeurigheid en herhaalbaarheid maakt dit het gemakkelijker om complexe bewegingen te programmeren of om machines te bouwen die zich snel aanpassen aan verschillende procesvereisten.
Waar zit het addertje onder het gras?
Tegenover deze overtuigende lijst van voordelen, hebben elektromechanische apparaten één ogenschijnlijk nadeel: de kosten. Per actuator is de initiële aankoopprijs van elektrische machines zeker hoger dan hun hydraulische tegenhangers. In het verleden was dat genoeg om het gebruik ervan in bepaalde toepassingen te beperken.
Vanuit het oogpunt van de totale kosten is dit argument echter zelden steekhoudend. Over de volledige levenscyclus van een machine bieden elektromechanische actuatoren veel besparingen die hun hogere initiële kosten ruimschoots compenseren. Deze besparingen zijn het gevolg van zes belangrijke factoren.
Energie-efficiëntie
Hydraulische systemen hebben te maken met meervoudig energieverlies door de initiële omzetting van elektrisch vermogen in beweging om de hydraulische pomp aan te drijven, verliezen in de pomp zelf, vloeistofwrijving in de transmissieleidingen en verdere verliezen in de aandrijving. Over het geheel genomen zet een hydraulisch systeem waarschijnlijk maar ongeveer 44 procent van zijn ingangsvermogen om in kracht. Elektromechanische actuatoren daarentegen verliezen alleen energie door de grenzen van de motorefficiëntie en door wrijving in de tandwielkast en de componenten van de actuator.
Een elektromechanische actuator zet doorgaans 80 procent van zijn ingangsvermogen om in kracht. Bovendien moeten hydraulische pompen in de meeste toepassingen continu blijven draaien om een adequate respons van de machine te garanderen, terwijl het stroomverbruik van elektromechanische actuatoren nihil is als ze niet worden gebruikt. In veel toepassingen verbruikt een elektromechanische actuator zijn piekvermogen slechts gedurende een fractie van de bedrijfstijd van de machine. Over het geheel genomen betekent dit dat elektrische actuatoren hun initiële kosten al in een paar maanden tijd kunnen terugverdienen in de vorm van energiebesparingen.
Minder warmteontwikkeling
De energie die in hydraulische machines verloren gaat, wordt omgezet in warmte. Bij precisietoepassingen, zoals kunststof spuitgietmachines, moet deze warmte met behulp van koelers worden afgevoerd, waardoor de totale energiebehoefte nog verder toeneemt. Dankzij hun hoger rendement hebben elektromechanisch aangedreven machines slechts ongeveer 35 procent van de koelingsenergie van een hydraulisch equivalent nodig.
Kortere cyclustijden
De hogere snelheid en de verbeterde regelbaarheid van elektromechanische actuatoren kunnen machines sneller laten draaien, waardoor de output toeneemt. Neem bijvoorbeeld het puntlassen met robots in de automobielindustrie. Tussen de lassen moet de tang die op een robotarm is gemonteerd, worden geopend om de arm toegang te geven tot de volgende laslocatie. Hydraulische systemen vereisen meestal dat de tang na elke las volledig wordt geopend. Elektromechanische systemen daarentegen kunnen zo worden geprogrammeerd dat ze net genoeg geopend kunnen worden om de tang opnieuw te kunnen positioneren. Toen een Japanse autofabrikant overschakelde op een elektromechanische las-tang, maakte deze verandering, samen met de hogere snelheid van de nieuwe actuator, een toename van de doorvoersnelheid van 10 procent mogelijk, wat overeenkomt met meer dan 100 carrosserieën per dag.
Verbeterd materiaalgebruik
Een grotere nauwkeurigheid en consistentie betekent dat elektromechanisch aangedreven machines doorgaans een twee keer zo goede herhaalbaarheid bieden als hydraulische alternatieven. Dat verhoogt de kwaliteit en vermindert afkeur. Bovendien leveren de elektrische machines vanaf het moment dat ze starten consistente prestaties, worden de verliezen na het omschakelen verminderd en besteden productieteams minder tijd aan het aanpassen van machinevariabelen om processen onder controle te krijgen. Zelfs in toepassingen waar onderdelen met een lage precisie worden geproduceerd, kunnen de besparingen door afkeurreductie en kwaliteitsverbeteringen de extra actuatorkosten in twee jaar of minder terugverdienen.
Verhoogde uptime
Elektromechanische machines hebben minder slijtende delen en die bevinden zich allemaal in het kogel- of rollenomloopmechanisme en de tandwielkast. Hydraulische apparaten zijn afhankelijk van een netwerk van kleppen, slangen, filters en afdichtingen. En naarmate de hydraulische energie wordt verdeeld, zal een storing in één deel van het systeem waarschijnlijk de hele machine tot stilstand brengen voordat het probleem kan worden geïdentificeerd en gerepareerd. Een probleem met een elektrische actuator kan meestal worden opgelost door het betreffende apparaat snel te verwisselen. Het resultaat is dat de uptime en machinebeschikbaarheid bij elektromechanische aandrijvingen doorgaans twee procent hoger ligt, waardoor de output wordt verbeterd en de productiekosten per eenheid worden verlaagd.
Vereenvoudigd onderhoud
Tot slot hebben elektromechanische machines weinig terugkerende kosten. Gebruikers hoeven geen olie, filters of afdichtingen te kopen. Ze hoeven geen machines te stoppen om deze onderdelen te vervangen en ze hoeven geen geld uit te geven voor het beschermen tegen, of opruimen van lekken en verspillingen. Elektromechanische systemen kunnen ook worden uitgerust met volledig geïntegreerde technologie voor conditiebewaking, waarbij operators en onderhoudsmonteurs worden geattendeerd op mogelijke problemen voordat ze resulteren in een ongeplande stilstand.
Samen genomen komen deze voordelen neer op een besparing van enkele tienduizenden euro’s per jaar voor een typische productiemachine. Iets minder dan de helft van deze besparingen komt van andere gebieden dan het energieverbruik.
Nieuwe generaties
De nieuwste generatie elektromechanische actuatoren is ontwikkeld om de voordelen van het ontwerp verder uit te bouwen en deze voordelen uit te breiden met producten die krachtiger, nog duurzamer en gemakkelijker te integreren zijn in machines.
Ewellix' CASM assortiment, bijvoorbeeld, is ontworpen voor veeleisende toepassingen bij hoge snelheid, en voor een hoog volume en geautomatiseerde productieomgeving. CASM elektrische cilinders maken gebruik van een modulair ontwerp en zijn beschikbaar in een grote verscheidenheid aan standaardmaten die het mogelijk maakt om de units te gebruiken als vervanging voor pneumatische cilinders op bestaande productieapparatuur. Ze kunnen worden bediend door een breed scala aan verschillende motortypen, waardoor gebruikers de aanschaf en het beheer van reserveonderdelen kunnen vereenvoudigen door motoren van hun voorkeursleverancier te selecteren. Een grote keuze aan opties en accessoires maakt ze eenvoudig te integreren in tal van toepassingen.
Het binnenwerk van de CASM-actuatoren is ontworpen voor extreem hoge prestaties en een lange levensduur. Hoogwaardige lagers en kogel- en geleidingsbussen zorgen voor een lage wrijving voor energie-efficiëntie en een lage asspeling voor meer precisie. De units hebben geïntegreerde filters en een schraperring om schade door het binnendringen van stof en vuil te voorkomen. Een geïntegreerde magneetring en een aluminium profielbehuizing met sleuven maken het eenvoudig om externe sensoren toe te voegen.
Om de machinebesturing en systeemintegratie verder te vereenvoudigen, zijn CASM-cilinders nu ook verkrijgbaar met een borstelloze gelijkstroommotor met geïntegreerde motion controller, rem en optionele fieldbus-interface. Door het wegvallen van de noodzaak van een externe motorregelaar, verlaagt de motoroptie de installatiekosten en vereenvoudigt de bedrading, omdat de motoren via één enkele kabel kunnen worden gevoed en aangestuurd.
Ook het instellen van de machine is eenvoudiger, met een speciale Ewellix-programmeer-set waarmee motorparameters kunnen worden ingesteld met behulp van een grafische interface. Tot veertien verschillende actuatorposities met bijbehorende snelheden, versnellingen en vertragingen kunnen in de motor zelf worden gedownload, en de machine kan vervolgens worden bestuurd door een PLC of eenvoudige schakelaars, waardoor een zeer kosteneffectief standalone bewegingssysteem ontstaat voor kleinere machines.
Voor toepassingen met een hogere belasting gebruiken de Ewellix LEMC elektromechanische cilinders een planetaire rollenomloopspil in plaats van een kogelomloopspil. Deze technologie resulteert in een actuator met een hogere vermogensdichtheid dan conventionele ontwerpen en verbetert ook de prestaties in omgevingen waar de actuator hoge externe trillingen kan ondervinden.
Net als de CASM units gebruiken LEMC actuatoren een modulair ontwerp dat geconfigureerd kan worden voor vele verschillende toepassingen en een reeks van motortypes.
Naast de conventionele servomotoren kunnen ze worden geleverd met een geïntegreerde reductor en asynchrone motor met een geïntegreerde frequentieregelaar. Dit biedt extra veiligheids- en machinebeveiligingsmogelijkheden met geïntegreerde soft-start, 3 digitale ingangen en 1 digitale uitgang en een motorbeveiligingsfunctie. Als bijkomend voordeel voor operators en onderhoudsmonteurs beschikt de controller over ‘near field communication’ (NFC) mogelijkheden, waardoor hij draadloos kan worden aangepast met behulp van een smartphone.
