Los cilindros hidráulicos, conocidos por su alta fuerza a un precio asequible, se han utilizado ampliamente durante décadas en equipos de automatización industrial y otros equipos de automatización especializada. Los sistemas hidráulicos son robustos, relativamente fáciles de instalar y ofrecen un bajo costo por unidad de fuerza. En los últimos años, los actuadores eléctricos de vástago (servocilindros) se han vuelto más flexibles, precisos y fiables, con capacidades de fuerza cada vez mayores. Estos avances han generado un debate constante sobre qué tecnología —cilindro hidráulico o actuador eléctrico— ofrece la mejor solución integral.

1. Actuadores eléctricos de varilla frente a cilindros hidráulicos:Componentes del sistema

El número de componentes y el espacio total requerido para un sistema de cilindro hidráulico es mucho mayor que para un sistema eléctrico. Los sistemas hidráulicos requieren:

• Un cilindro

• Una unidad de potencia para proporcionar presión de aceite

• Válvulas de control y accesorias

• Filtros

• Mangueras

• Guarniciones

• Componentes adicionales

Los cilindros hidráulicos ofrecen un tamaño compacto en el punto de trabajo (donde se requiere alta densidad de potencia), pero la unidad de potencia hidráulica (UPH), que regula el caudal y la presión hacia estos actuadores y otros componentes, puede ocupar un espacio considerable. Las UPH no son pequeñas y suelen ubicarse cerca del propio cilindro, lo que aumenta aún más el tamaño del sistema. En sistemas muy grandes con UPH montadas a distancia, las mangueras largas pueden disminuir la rigidez y la eficiencia general del sistema hidráulico.

Los actuadores eléctricos de varilla ocupan menos espacio. Estos sistemas utilizan un actuador mecánico, un motor (servomotor u otro), una caja de engranajes opcional, cables y un variador/amplificador, que generalmente se monta en un armario de control.

Si bien el actuador eléctrico, debido a su diseño que integra un sistema de husillo y cojinetes, requiere mayor longitud que un cilindro hidráulico, al considerar el tamaño total del sistema, esta longitud adicional se compensa con creces gracias al tamaño mucho menor del servoaccionamiento, el equivalente funcional de la unidad de potencia hidráulica (HPU). Por lo general, los equipos de automatización utilizan un armario de control y pueden diseñarse para incorporar un accionamiento adicional. Los requisitos de tamaño para un servoaccionamiento suelen ser mucho menores que los de una HPU.

En los nuevos diseños de sistemas, si se puede habilitar espacio adicional en el punto de trabajo para acomodar la carrera de trabajo y la longitud total del actuador eléctrico, el tamaño total de la máquina se puede reducir considerablemente al eliminar la necesidad de grandes unidades de potencia.

2. Actuadores eléctricos de varilla frente a cilindros hidráulicos:Capacidades de control de movimiento

La principal razón por la que los ingenieros eligen un sistema de actuador eléctrico en lugar de un sistema de cilindro hidráulico es la flexibilidad de sus capacidades de control de movimiento: control de posición (múltiples posiciones, precisión); control de velocidad; control de aceleración/desaceleración; control de fuerza de salida; y control complejo de todas estas variables de movimiento en tiempo real. Los actuadores eléctricos, junto con un servomotor y un sistema de accionamiento, ofrecen un control de posición prácticamente ilimitado. La precisión y la repetibilidad de la posición superan con creces las capacidades de un sistema hidráulico.

Los sistemas hidráulicos estándar son excelentes para aplicaciones de posicionamiento de extremo a extremo, pero el posicionamiento a mitad de carrera es más complejo, ya que requiere una válvula de control y la intervención del operador. El posicionamiento a mitad de carrera es de lazo abierto y requiere que el operador decida qué posición es aceptable. Además, el control de velocidad se supervisa mediante una válvula de control y, de nuevo, requiere que el operador ajuste la velocidad aceptable para cada aplicación, pero lograr un ajuste de velocidad exacto suele ser difícil. Una vez ajustada la velocidad, la fuerza de presión requerida del cilindro hidráulico se regula mediante la válvula de presión. Finalmente, la repetibilidad de la posición, la velocidad y la fuerza de un cilindro hidráulico está sujeta a desgaste de los sellos, fugas, caídas y picos de presión de la bomba y otros factores de mantenimiento. Es difícil obtener un rendimiento repetible día a día, mes a mes o año tras año en un entorno de producción cuando la calidad y la viscosidad del aceite cambian debido a las variaciones de temperatura. Obtener el nivel de rendimiento deseado requerirá la intervención constante del operador.

Los sistemas hidráulicos más avanzados, denominados servohidráulicos, permiten controlar con precisión la posición, la velocidad y la fuerza, pero requieren componentes adicionales —un controlador servo, una servoválvula electrohidráulica y un dispositivo de retroalimentación de posición, como un transductor lineal—, lo que aumenta considerablemente la complejidad, el espacio y el coste. Estos componentes controlan la presión y el caudal en el cilindro hidráulico, de forma similar a como un servocontrolador controla la corriente de un servomotor. Los sistemas hidráulicos también cuentan con controladores aún más avanzados, que permiten coordinar múltiples ejes. Sin embargo, esto es poco común en la implementación de sistemas hidráulicos, y estos controladores añaden una complejidad y un coste extremos al sistema en general. Además, pueden ser muy sensibles y requieren un mantenimiento riguroso para garantizar el rendimiento deseado.

Combinados con un sistema de servocontrol, los actuadores eléctricos ofrecen un control excepcional, con una precisión y repetibilidad superiores. Los servocontroladores multieje están disponibles comercialmente en la mayoría de los sistemas de control modernos. La coordinación entre controladores y actuadores eléctricos en configuraciones complejas es más sencilla y rentable que con las opciones hidráulicas más limitadas. La velocidad de uno o varios actuadores eléctricos se controla con precisión en todo momento y permite una transición fluida entre velocidades sin detenerse ni sobrepasar la posición. El control de aceleración y desaceleración evita que los actuadores eléctricos se detengan bruscamente o se activen de forma repentina. Esto reduce la tensión en los elementos estructurales y elimina la necesidad de sobredimensionar las estructuras para soportar cargas de impacto. Todos los movimientos son suaves, lo que permite utilizar actuadores eléctricos en procesos críticos donde las vibraciones de la máquina son inaceptables o afectan la velocidad del proceso. La fuerza se controla mediante la corriente que llega al servomotor. Gracias al control preciso de la corriente que proporcionan los servocontroladores, casi todos los actuadores eléctricos ofrecen un control preciso y repetible de la fuerza de salida en el punto de trabajo.

Finalmente, una característica importante de los actuadores eléctricos es su capacidad para proporcionar un control programable de todas las variables del perfil de movimiento. Como resultado, la única interacción requerida por el operador es el tiempo de diseño inicial para incorporar las variables de rendimiento deseadas en el entorno de programación de un PLC u otro controlador. Una vez configurado, el funcionamiento se repite día a día, mes a mes y año tras año. Además, mediante el uso de pantallas HMI (Interfaz Hombre-Máquina), las variables de posición, velocidad, aceleración/desaceleración y fuerza se pueden modificar fácilmente en cualquier momento, lo que proporciona la máxima flexibilidad. En un entorno OEM, el rendimiento del sistema será más fácil de controlar debido a la mayor consistencia de un sistema eléctrico en comparación con un sistema hidráulico.

3. Actuadores eléctricos de varilla frente a cilindros hidráulicos:Capacidades de la fuerza

Debido a sus altas presiones de funcionamiento, los sistemas de cilindros hidráulicos son excelentes para generar fuerzas extremadamente altas. Las presiones típicas oscilan entre 1800 y 3000 psi (124,1 y 206,8 bar). En algunos sistemas hidráulicos de alta presión, se utilizan presiones nominales de hasta 5000 psi (344,7 bar) para enfatizar aún más la densidad de potencia. Dado que los cilindros hidráulicos funcionan según el principio de potencia de fluidos Fuerza = Presión x Área, las altas presiones permiten que cilindros más pequeños alcancen fuerzas muy grandes. Por ejemplo, cilindros de 3 y 5 pulgadas de diámetro a 2200 psi podrían alcanzar aproximadamente 15 000 lbf (66 723,3 kN) y 43 000 lbf (191 273,5 kN), respectivamente. Sin embargo, los cilindros hidráulicos no suelen utilizarse a su máxima capacidad de fuerza de salida; normalmente se sobredimensionan para mejorar el control.

Al considerar los actuadores eléctricos, es importante determinar la fuerza de trabajo requerida. Para estimar la fuerza aproximada necesaria para un actuador eléctrico, el método habitual consiste en ajustar el puerto de trabajo hidráulico o la presión del sistema hasta que la operación ya no pueda realizarse. Los sistemas de actuadores eléctricos dependen de la corriente que fluye a través del servomotor para producir par en el sistema mecánico, lo que hace girar el tornillo de potencia y generar fuerza. Esta es una gran ventaja: la fuerza es instantánea. En los sistemas hidráulicos, donde la rigidez del sistema no está optimizada, el actuador hidráulico debe esperar a que aumente la presión hasta que se alcance la fuerza. Otra gran ventaja de los sistemas eléctricos es que el controlador del servomotor regula automáticamente la corriente. El sistema de actuador eléctrico utiliza la corriente "bajo demanda". Cualquier ajuste se realiza automáticamente. Una unidad de potencia hidráulica debe mantener siempre la presión en el sistema para que el cilindro hidráulico se accione, lo cual puede ser muy difícil.

Al seleccionar un sistema de actuador eléctrico, es importante considerar las RPM y el par motor, junto con el avance del husillo. Lograr la correspondencia entre la velocidad y el par del servomotor y la salida mecánica del husillo puede ser complejo. Si bien es posible alcanzar las fuerzas extremas que produce la hidráulica con tecnología eléctrica, generalmente el actuador eléctrico tendrá un diámetro mayor y una velocidad máxima que no se puede superar. Esta complejidad en el dimensionamiento del sistema se puede superar fácilmente, ya que los fabricantes de actuadores y servomotores ofrecen software de dimensionamiento de control de movimiento intuitivo que considera todas estas variables.

4. Actuadores de varilla eléctricos frente a cilindros hidráulicos:Capacidades de velocidad

Lograr altas velocidades con fuerzas elevadas supone un reto tanto para las tecnologías hidráulicas como para las eléctricas. Los sistemas hidráulicos requieren presión para generar fuerza y ​​caudal para alcanzar velocidad. Para lograr velocidades más altas con fuerzas elevadas, debe haber suficiente aceite presurizado en el sistema para impulsar el volumen necesario de aceite hacia un cilindro en el tiempo requerido (definido como caudal). Esto suele requerir un sistema de acumulación para mantener el volumen presurizado. El problema puede agravarse con cilindros de carrera larga; los acumuladores sin carga pueden provocar una falta de aceite en el sistema. En definitiva, la incorporación de capacidad adicional en los sistemas de acumuladores hidráulicos permite alcanzar altas velocidades con fuerzas elevadas. La desventaja de esta práctica es que, sin control servohidráulico del sistema hidráulico, el exceso de energía (fuerza x velocidad) se utiliza esencialmente en un esquema de control de lazo abierto.

Como se mencionó anteriormente, la capacidad de fuerza de un sistema de actuador eléctrico depende de la combinación adecuada de RPM del servomotor, par motor y ventaja mecánica del avance del husillo y, posiblemente, de una caja de engranajes. A medida que aumenta el tamaño de los servomotores, el par motor suele aumentar significativamente, pero las RPM disminuyen. En aplicaciones extremas de fuerza y ​​velocidad, la única forma en que un sistema de actuador eléctrico puede lograr el rendimiento deseado es sobredimensionándolo considerablemente, lo que puede resultar prohibitivo en términos de costos. Por otro lado, cabe recordar que un sistema de actuador eléctrico tiene control total sobre el perfil de movimiento; no es necesario que recorra la longitud completa de cada ciclo. Además, con el control de la aceleración y la desaceleración, el sistema eléctrico puede estabilizarse más rápidamente, lo que reduce el tiempo de ciclo y aumenta la eficiencia. Finalmente, la tecnología de actuadores eléctricos puede mitigar algunas de las velocidades máximas requeridas, ya que permite ejecutar movimientos más cortos e inteligentes.