Porównanie ruchu liniowego elektrycznego i pneumatycznego: 8 czynników do rozważenia

Zarówno rozwiązania elektryczne jak i pneumatyczne mają swoje zalety. W tym artykule rozważymy osiem kluczowych czynników, które należy wziąć pod uwagę przed dokonaniem wyboru. Oto one.

1. Kontrola parametrów ruchu

Niektóre aplikacje wykorzystujące ruch liniowy są nieskomplikowane – wystarczy w nich jedynie przemieszczenie z punktu A do punktu B. Inne natomiast wymagają wielowymiarowego pozycjonowania, różnych okresów postoju i różnych prędkości. Złożone rozwiązania ruchu liniowego stają się popularniejsze wraz z rozwojem automatyzacji w przemyśle i potrzebą precyzyjnego pozycjonowania oraz kontroli.

Siłowniki pneumatyczne są przystępnym i łatwym w implementacji rozwiązaniem do prostych aplikacji, w których nie ma potrzeby precyzyjnego pozycjonowania. Sytuacja komplikuje się, gdy potrzebny jest mniej standardowy profil ruchu. Na przykład profil ruchu z wieloma przystankami (pokazany na wykresie) może wymagać instalacji dodatkowych urządzeń, sprawiając, że proces stanie się bardziej złożony i czasochłonny.

Systemy elektrycznego ruchu liniowego wykorzystujące serwonapędy i silniki zapewniają precyzyjną kontrolę pozycji, prędkości i przyspieszenia. Poziom kontroli całego systemu realizuje się poprzez połączenie napędu z PLC, HMI lub innym kontrolerem. Przy takiej konfiguracji systemu, zaprogramowanie profili ruchu podobnych do tych pokazanych na poniższym wykresie, nie stanowi żadnego problemu.

Kontrola pozycji i prędkości, a także powtarzalność i dokładność są lepsze w układach elektrycznych niż w układach napędzanych skompresowanym powietrzem. Układ elektryczny daje też możliwość zadawania pozycji w czasie trwania ruchu, co stanowi ogromną zaletę tych rozwiązań.

2. Wymagana siła

Analizując wymagania dotyczące siły aplikacji, upewnij się, że sprawdziłeś zarówno siłę maksymalną, jak i ciągłą. Poza tym zastanów się czy wymaganą siłę musisz osiągać na żądanie czy też w twojej aplikacji możliwe są pewne opóźnienia spowodowane generowaniem siły.

Cylindry pneumatyczne pracują zgodnie z zasadą napędzania cieczą, według wzoru Siła = Powierzchnia x Ciśnienie, który pozwala na proste obliczenie siły (zwykle ciśnienie wynosi od 5,5 do 7,0 bar). Ponieważ powietrze jest substancją bardzo ściśliwą potrzebny jest czas na wygenerowanie ciśnienia, co z kolei powoduje opóźnienia w generowaniu siły.

W układzie elektrycznym siła generowana jest przez moment obrotowy silnika, kontrolowany napięciem prądu dostarczanym do silnika. Praca z maksymalną siłą dostępna jest natychmiast. Dodatkowo, systemy elektryczne są bardziej dynamiczne i responsywne.

3. Prędkość, przyspieszenie i wytracanie prędkości

Systemy pneumatyczne osiągają duże prędkości w podstawowych aplikacjach. Jednak kontrola prędkości w takich układach jest trudna. Zarówno przyspieszenie jak i wytracanie prędkości w szybkich aplikacjach i aplikacjach o dużym ładunku często realizuje się poprzez użycie amortyzatorów.

Systemy elektryczne precyzyjnie kontrolują prędkość. Zarówno przyspieszenie jak i wytracanie prędkości realizuje się w łatwy sposób. Operator maszyny może dowolnie ustawiać prędkość w całym profilu ruchu i zwalniać od razu do całkowitego zatrzymania bez żadnych wstrząsów.

4. Złożoność systemu a oszczędność miejsca

W większości zakładów przestrzeń jest w cenie. Zakup wyposażenia zajmującego dużą powierzchnię coraz częściej jest kwestionowany – maszyny mają być kompaktowe.

Podczas gdy cylinder pneumatyczny sam w sobie jest niewielkim urządzeniem, to już układ służący do jego napędzania zajmuje sporą powierzchnię.

Elektryczny moduł liniowy najpewniej będzie dłuższy lub szerszy niż cylinder pneumatyczny, ale ogólnie zawiera mniej komponentów. Moduł zawsze jest połączony z silnikiem, który może być zamontowany w szafie sterowniczej.

5. Niezawodność, cykl życia i konserwacja

Nie wystarczy, że siłownik działa jak należy. Konstruktor powinien wiedzieć, ile cykli wykona oraz ile czasu i pieniędzy pochłonie jego konserwacja.

Cylindry napędzane powietrzem mogą zapewniać solidną, długotrwałą wydajność przy odpowiedniej konserwacji. Ogólna wydajność systemu pneumatycznego jest kombinacją jakości uszczelnień i powietrza oraz pierwotnej instalacji i uruchomienia. Nawet w idealnej instalacji, uszczelnienia zużywają się i zaczynają przeciekać, co wymaga ciągłej konserwacji. Ponadto zmiany ciśnienia negatywnie wpływają na dokładność i powtarzalność procesów. Wszystko to powoduje przestoje i straty dla produktywności.

Siłowniki elektryczne mogą być wymiarowane zgodnie z oczekiwanym przez konstruktora cyklem życia. W układach elektrycznych konserwacja wymagana jest w niewielkim wymiarze.

6. Gromadzenie danych

Nowoczesne zakłady produkcyjne zbierają dane dotyczące wszelkich procesów. Analiza tych danych pozwala na ich ulepszenie.

Sprzężenie zwrotne i otrzymywanie danych z systemów pneumatycznych możliwe jest jedynie dzięki dodatkowym czujnikom, przekazującym informacje o pozycji. Cylindry pneumatyczne często mają czujniki zbliżeniowe, ale dane przez nie gromadzone zwykle nie są wystarczające.

Serwomechanizmy napędzające układy elektryczne mają wbudowane systemy gromadzenia danych. Serwonapędy mogą śledzić charakterystykę pracy silnika. Napięcie dostarczane do silnika określa moment obrotowy, który determinuje siłę. Dzięki sprzężeniu zwrotnemu możliwe jest rejestrowanie pozycji, prędkości oraz przyspieszenia i wytracania prędkości.

7. Efektywność energetyczna i koszty energii

Koszty samych komponentów są ważne, ale nie mniej istotne są koszty operacyjne, takie jak utrzymanie i energia. Coraz więcej firm zwraca na nie uwagę w celu obliczenia całkowitego kosztu posiadania (TCO).

Systemy napędzane powietrzem działają przy wydajności wynoszącej od 10 do 20%. Duża ilość kosztownego sprężonego powietrza marnuje się, przeciekając przez małe dziurki w liniach transportowych, zużyte uszczelki czy źle dopasowane połączenia.

Systemy elektryczne zwykle działają przy wydajności wynoszącej od 70 do 80% i wykorzystują energię tylko wtedy, gdy pracują. W układach pneumatycznych kompresor powietrza musi działać bez przerwy, aby utrzymywać odpowiednie ciśnienie w cylindrach.

8. Odporność na wstrząsy i obciążenie boczne

Niektóre aplikacje wywołują wstrząsy i wibracje. Ściśliwe powietrze w cylindrach pneumatycznych działa jak naturalna poduszka amortyzująca te wstrząsy.

Moduły elektryczne złożone ze śrub z systemem łożysk są bardziej wrażliwe na wstrząsy. W zależności od cyklu życia wymaganego dla aplikacji, siłownik może być przewymiarowany w celu zniwelowania negatywnego wpływu wstrząsów.

Obciążenie boczne powoduje, że żaden z cylindrów – elektryczny czy pneumatyczny – nie będzie pracował dobrze. Boczne obciążenie powoduje przedwczesne zużycie uszczelnień w rozwiązaniach opartych na sprężonym powietrzu. W siłownikach elektrycznych takie obciążenie sprawia, że na śrubę i nakrętkę wywierany jest nacisk. Konsekwencją tego nacisku będzie przedwczesne zużycie uszczelnienia tłoczyska, a także możliwe dostawanie się zanieczyszczeń do korpusu siłownika.