Podobnie jak mięśnie w ciele człowieka przekształcają energię w jakąś formę ruchu, tak siłowniki pracują w maszynach odpowiadając za kontrolę ruchu. W celu wykonania pożądanego przemieszczenia najczęściej wykorzystują energię elektryczną, pneumatyczną lub hydrauliczną. Siłowniki obecne są w niemal każdym otaczającym nas urządzeniu. Od bardzo prostych konstrukcji, takich jak wibrator w telefonie komórkowym, przez bramy i okna, po skomplikowane maszyny i roboty wykorzystywane w przemyśle. W niniejszym artykule skupimy się na budowie, działaniu i zastosowaniu przemysłowych siłowników elektrycznych.

Budowa siłownika elektrycznego

Omówimy budowę siłowników elektrycznych na podstawie modeli produkowanych przez Tolomatic. Każdy siłownik składa się ze śruby z nakrętką (zwykle jest to śruba kulowa lub rolkowa/planetarna), która bezpośrednio wpływa na ruch tłoczyska. Zarówno śruba jak i tłoczysko zamknięte są w obudowie, która w zależności od przeznaczenia siłownika może przyjmować różne formy i może być wykonana z różnych materiałów. Przykładowo, w branży produkcji żywności i napojów czy w sektorze produkcji leków najbardziej pożądane są siłowniki z obudową wykonaną ze stali nierdzewnej i o jak najbardziej obłych kształtach, bez załamań. Celem takiej konstrukcji jest odporność na zmywanie oraz minimalizowanie ryzyka osadzania się zanieczyszczeń. Najpopularniejsze rozwiązania Tolomatic, charakteryzujące się wymienionymi cechami to siłowniki serii ERD Hygienic oraz zintegrowane serwosiłowniki serii IMA.

Dla poprawnego działania siłownika elektrycznego niezbędna jest jednostka napędowa, czyli silnik. Może to być zwykły silnik AC z przekładnią, a także bardziej zaawansowane napędy, takie jak silniki serwo lub silniki krokowe. Siłowniki elektryczne Tolomatic można połączyć z silnikiem w linii lub prostopadle. W przypadku montażu siłownika w linii, cała konstrukcja ulega wydłużeniu, w drugim przypadku jest szersza. Pożądanym elementem układu jest również urządzenie zapewniające sprzężenie zwrotne, takie jak enkoder czy potencjometr – często są one wbudowane w silniku. Pozostałe elementy siłownika, zwłaszcza łożyska, wpływają na żywotność urządzenia. Z kolei obecność na śrubie łożyska antyrotacyjnego zapobiega obracaniu się tłoczyska.

Siłownik elektryczny – zasada działania

Kluczowym słowem w przypadku siłowników elektrycznych jest “kontrola”. Sukces automatyzacji zależy od zdolności układu przenoszenia mocy do zapewnienia jak najbardziej precyzyjnego, kontrolowanego ruchu. Systemy z początku XX wieku wykorzystywały pasy, koła pasowe i przekładnie oparte na prostych przełożeniach do kontrolowania prędkości i momentu obrotowego. Wraz z pojawieniem się systemów hydraulicznych, ludzkość zyskała możliwości lepszego sterowania ruchem obrotowym i liniowym, co przełożyło się na udoskonalenie metod obróbki.

Jednak dopiero pojawienie się systemów elektromechanicznych, szczególnie tych z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego spowodowało, że systemy automatyzacji są dokładniejsze i dopasowane do indywidualnych wymagań aplikacji lepiej niż kiedykolwiek. Oczywiście śruby napędowe mają swoje fizyczne ograniczenia, ale dzięki coraz bardziej zaawansowanym technologicznie urządzeniom sprzężenia zwrotnego można minimalizować błędy wyjściowe, osiągając niemal idealną dokładność i powtarzalność.

Znając budowę siłownika elektrycznego i składające się na niego elementy, łatwiej jest zrozumieć zasadę działania tego urządzenia. Tłoczysko siłownika wysuwa się i wsuwa za sprawą momentu napędowego przekazywanego przez wałek silnika. Różne prędkości i siły osiągane są poprzez zastosowanie różnych przełożeń w układzie przekładni siłownika. Tłoczysko siłownika może przebyć tak długą “drogę”, jak długa jest śruba i samo tłoczysko. W celu uzyskania żądanego skoku, stosuje się elementy różnej długości. Na przykład w standardowych wykonaniach siłowników serii RSX Tolomatic, minimalny skok wynosi 75 mm, a maksymalny 890 mm.

Siłowniki elektryczne można pozycjonować od krańcówki do krańcówki za sprawą czujników indukcyjnych umieszczonych w punktach, w których siłownik ma się zatrzymać. Jednak w aplikacjach przemysłowych najczęściej wymagane jest zatrzymanie siłownika w kilku konkretnych punktach z bardzo dużą precyzją. Jest to możliwe dzięki obecności enkodera inkrementalnego lub absolutnego w układzie siłownika.

Zastosowanie siłownika

Możliwości siłowników elektrycznych sprawiają, że znajdują one zastosowanie właściwie w każdej branży. Po określeniu podstawowych wymagań aplikacji, takich jak obciążenie, siła, droga i prędkość oraz ewentualnych wymagań środowiskowych, np. praca w warunkach zmywania, w dużym zapyleniu, w wysokiej temperaturze, można wybierać siłownik spośród różnych rodzajów. Portfolio siłowników elektrycznych Tolomatic obejmuje modele o sile ciągu od 188 N do nawet 222,4 kN. Użytkownicy mają także wybór pomiędzy różnymi technologiami śruby – Tolomatic produkuje siłowniki ze śrubami kulowymi, trapezowymi oraz, w przypadku bardzo dużych sił nacisku – ze śrubami planetarnymi. Należy pamiętać, że rodzaj wybranej śruby wpływa na cykl pracy i żywotność siłownika.  Więcej na temat wyboru śruby w siłownikach dużej mocy w tym artykule.

Z uwagi na różne właściwości, nie tylko te dotyczące siły i rodzaju śruby, każdy siłownik dedykowany jest do innych zadań. Na przykład siłowniki serii ERD Hygienic rekomendowane są do aplikacji służących do napełniania, cięcia, siekania, otwierania drzwi i pokryw czy pakowania. Dodatkowo, higieniczna konstrukcja siłowników tej serii opracowana została z myślą o zastosowaniach w branży produkcji żywności, napojów, leków i innych, w których kluczowa jest sterylność. Natomiast seria RSA, charakteryzująca się dużymi siłami doskonale sprawdzi się w branży material handling, we wtryskarkach, nawijarkach, spawarkach, wytłaczarkach czy ramionach robotycznych. Seria zintegrowanych serwosiłowników IMA czy seria RSX najlepiej będzie służyć w jeszcze innych typach aplikacji.

Przykłady zastosowań siłowników elektrycznych Tolomatic w branży spożywczej, material handling, motoryzacyjnej i zbrojeniowej opisaliśmy na stronie internetowej w zakładce Realizacje.