Os cilindros hidráulicos, conhecidos pela alta força a um custo acessível, têm sido amplamente utilizados em equipamentos de automação industrial e outros equipamentos especiais de automação há décadas. Os sistemas hidráulicos são robustos, relativamente simples de instalar e oferecem um baixo custo por unidade de força. Nos últimos anos, os atuadores elétricos de haste (servocilindros) tornaram-se mais flexíveis, precisos e confiáveis, com capacidades de força cada vez maiores. Esses avanços geraram um debate contínuo sobre qual tecnologia — cilindro hidráulico ou atuador elétrico — oferece a melhor solução geral.

1. Atuadores elétricos de haste versus cilindros hidráulicos:Componentes do sistema

O número de componentes e o espaço total necessário para um sistema de cilindro hidráulico são muito maiores do que para um sistema elétrico. Os sistemas hidráulicos requerem:

• Um cilindro

• Uma unidade de potência para fornecer pressão de óleo.

• Válvulas de controle e acessórios

• Filtros

• Mangueiras

• Acessórios

• Componentes adicionais

Os cilindros hidráulicos oferecem uma pegada compacta no ponto de trabalho (onde a densidade de potência é necessária), mas a unidade hidráulica de potência (UHP), que regula o fluxo e a pressão para esses atuadores e outros componentes, pode exigir uma grande área no piso. As UHPs não são pequenas e normalmente são instaladas próximas ao próprio cilindro, aumentando ainda mais a área ocupada pelo sistema. Em sistemas muito grandes com UHPs montadas remotamente, longos comprimentos de mangueira podem diminuir a rigidez e a eficiência geral do sistema hidráulico.

Os atuadores elétricos de haste proporcionam uma área de ocupação geral menor. Esses sistemas utilizam um atuador mecânico; um motor (servomotor ou outro); uma caixa de engrenagens opcional; cabos; e um inversor/amplificador, que geralmente é montado em um painel de controle.

Embora o atuador elétrico — devido ao seu projeto que integra um fuso de esferas e um sistema de rolamentos — exija um comprimento adicional em comparação com um cilindro hidráulico, considerando a área ocupada pelo sistema como um todo, esse comprimento adicional é mais do que compensado pela área muito menor do servoacionamento — o equivalente funcional da unidade hidráulica de potência (HPU). Normalmente, os equipamentos de automação utilizam um painel de controle e podem ser projetados para um acionamento adicional. Os requisitos de tamanho para um servoacionamento são geralmente uma fração dos requisitos de tamanho de uma HPU.

Em novos projetos de sistemas, se o espaço adicional no ponto de trabalho puder ser aproveitado para acomodar o curso de trabalho e o comprimento total do atuador elétrico, a área ocupada pela máquina poderá ser bastante reduzida, eliminando a necessidade de grandes unidades de potência.

2. Atuadores elétricos de haste versus cilindros hidráulicos:Capacidades de controle de movimento

A principal razão pela qual os engenheiros escolhem um sistema de atuador elétrico em vez de um sistema de cilindro hidráulico é a flexibilidade de suas capacidades de controle de movimento: controle de posição (múltiplas posições, precisão); controle de velocidade; controle de aceleração/desaceleração; controle da força de saída; e controle complexo de todas essas variáveis ​​de movimento em tempo real. Os atuadores elétricos, acoplados a um sistema de servomotor e acionamento, oferecem controle infinito sobre a posição. A precisão e a repetibilidade da posição estão muito além das capacidades de um sistema hidráulico.

Os sistemas hidráulicos padrão são excelentes para aplicações de posicionamento de ponta a ponta, mas o posicionamento no meio do curso é mais complexo, exigindo uma válvula de controle e a intervenção do operador. O posicionamento no meio do curso é em malha aberta e requer que o operador decida qual posição é aceitável. Além disso, o controle de velocidade é monitorado por meio de uma válvula de controle e, novamente, requer que o operador ajuste a velocidade adequada para a aplicação, mas atingir uma configuração de velocidade exata costuma ser difícil. Uma vez ajustada a velocidade, a força de pressão necessária de um cilindro hidráulico é regulada pela válvula de pressão. Por fim, a repetibilidade da posição, velocidade e força de um cilindro hidráulico está sujeita a desgaste de vedações, vazamentos, quedas e picos de pressão da bomba e outros fatores de manutenção. É difícil obter um desempenho repetível dia após dia, mês após mês ou ano após ano em um ambiente de produção quando a qualidade e a viscosidade do óleo variam devido às mudanças de temperatura. A obtenção do nível de desempenho desejado exigirá intervenção constante do operador.

Sistemas hidráulicos mais avançados, chamados de “servo-hidráulicos”, podem controlar com precisão a posição, a velocidade e a força, mas exigem componentes adicionais — um controlador servo, uma servoválvula eletro-hidráulica e um dispositivo de feedback de posição, como um transdutor linear — o que aumenta significativamente a complexidade, o espaço e o custo. Esses componentes controlam a pressão e o fluxo no cilindro hidráulico, de forma semelhante a como um servoacionador controla a corrente para um servomotor. Os sistemas hidráulicos também possuem controladores ainda mais avançados, que permitem a coordenação de múltiplos eixos. No entanto, isso é raro na implementação de sistemas hidráulicos, e esses controladores adicionam extrema complexidade e custo ao sistema como um todo. Além disso, podem ser bastante sensíveis e exigem manutenção rigorosa para garantir o desempenho desejado.

Quando combinados com um sistema de servocontrole, os atuadores elétricos oferecem mais do que controle infinito, além de precisão e repetibilidade superiores. Controladores servo multieixos estão prontamente disponíveis no mercado para a maioria dos sistemas de controle modernos. Controladores e atuadores elétricos são coordenados de forma mais fácil e econômica em configurações complexas do que as opções hidráulicas, mais limitadas. A velocidade de um ou mais atuadores elétricos é controlada com precisão e exatidão em todos os momentos, podendo transitar facilmente de uma velocidade para outra sem parar ou ultrapassar a posição desejada. O controle de aceleração e desaceleração significa que os atuadores elétricos não sofrerão impactos bruscos ou entrarão em ação repentinamente. Isso elimina o estresse nos elementos da estrutura e a necessidade de superdimensioná-las para suportar cargas de choque. Todos os movimentos serão suaves, permitindo que os atuadores elétricos sejam usados ​​em processos críticos onde vibrações da máquina são inaceitáveis ​​ou a velocidade do processo é afetada. A força é controlada pela corrente que alimenta o servomotor. Como os controladores servo têm controle preciso sobre a corrente, quase todos os atuadores elétricos proporcionam controle preciso e repetível da força aplicada no ponto de trabalho.

Por fim, uma característica importante dos atuadores elétricos é a capacidade de fornecer controle programável de todas as variáveis ​​do perfil de movimento. Como resultado, a única interação do operador necessária é o tempo de projeto inicial para incorporar as variáveis ​​de desempenho desejadas em um CLP ou outro ambiente de programação de controlador. Uma vez configurada, a operação se repete diariamente, mensalmente e anualmente. Além disso, com o uso de telas IHM (Interface Homem-Máquina), as variáveis ​​de posição, velocidade, aceleração/desaceleração e força podem ser facilmente alteradas a qualquer momento, proporcionando máxima flexibilidade. Em um ambiente OEM, o desempenho do sistema será mais fácil de controlar devido à maior consistência de um sistema elétrico em comparação com um sistema hidráulico.

3. Atuadores elétricos de haste versus cilindros hidráulicos:Capacidades da Força

Devido às suas altas pressões de operação, os sistemas de cilindros hidráulicos são excelentes para produzir forças extremamente elevadas. As pressões típicas variam de 1800 a 3000 psi (124,1 a 206,8 bar). Em alguns sistemas hidráulicos de alta pressão, são utilizadas pressões nominais de até 5000 psi (344,7 bar) para enfatizar ainda mais a densidade de potência. Como os cilindros hidráulicos operam com base no princípio da força hidráulica = Pressão x Área, as altas pressões permitem que cilindros menores alcancem forças muito grandes. Por exemplo, cilindros com diâmetro de 3 polegadas e 5 polegadas a 2200 psi podem atingir aproximadamente 15.000 lbf (66.723,3 kN) e 43.000 lbf (191.273,5 kN), respectivamente. No entanto, os cilindros hidráulicos geralmente não são utilizados em sua capacidade máxima de força; normalmente, são superdimensionados para melhorar o controle.

Ao considerar atuadores elétricos, é importante determinar a força de trabalho necessária. Para estimar a força aproximada requerida por um atuador elétrico, a abordagem típica consiste em ajustar a pressão da porta de trabalho hidráulica ou do sistema até que a operação não possa mais ser realizada. Os sistemas de atuadores elétricos dependem da corrente que passa pelo servomotor para produzir torque no sistema mecânico, que aciona o parafuso de potência para girar e gerar força. Esta é uma grande vantagem: a força é instantânea. Em sistemas hidráulicos, onde a rigidez do sistema não é otimizada, o atuador hidráulico precisa esperar que a pressão aumente até que a força seja alcançada. Outra grande vantagem dos sistemas elétricos é que o controlador do servomotor regula a corrente automaticamente. O sistema de atuador elétrico utiliza corrente essencialmente "sob demanda". Qualquer ajuste ocorre automaticamente. Uma unidade hidráulica precisa manter a pressão no sistema para que o cilindro hidráulico atue, o que pode ser extremamente difícil.

Ao selecionar um sistema de atuador elétrico, é importante considerar a rotação (RPM) e a capacidade de torque do motor, juntamente com o passo do fuso no atuador elétrico. Ajustar a velocidade e o torque do servomotor com a saída mecânica do fuso pode ser complexo. Alcançar as forças extremas que os sistemas hidráulicos podem produzir é totalmente possível com a tecnologia elétrica, mas, normalmente, o atuador elétrico utilizado terá um diâmetro maior e o sistema terá uma velocidade máxima que não pode ser ultrapassada. A complexidade no dimensionamento de um sistema pode ser facilmente superada, pois os fabricantes de atuadores e servomotores fornecem softwares de dimensionamento de controle de movimento fáceis de usar, que consideram todas essas variáveis.

4. Atuadores elétricos de haste versus cilindros hidráulicos:Capacidades de velocidade

Atingir altas velocidades com altas forças apresenta desafios tanto para as tecnologias hidráulicas quanto para as elétricas. Os sistemas hidráulicos requerem pressão para gerar força e vazão para gerar velocidade. Para alcançar velocidades mais altas com forças maiores, deve haver óleo pressurizado suficiente no sistema para, basicamente, impulsionar o volume de óleo necessário para dentro de um cilindro no tempo necessário (definido como vazão). Isso normalmente requer um sistema de acumulação para armazenar o volume pressurizado. O problema pode se agravar com cilindros de curso longo; acumuladores descarregados podem causar falta de óleo no sistema. Em última análise, o aumento da capacidade dos sistemas de acumulação hidráulica permite atingir altas velocidades com altas forças. A desvantagem dessa prática é que, sem o controle servo-hidráulico do sistema hidráulico, o excesso de energia (força x velocidade) é essencialmente utilizado em um esquema de controle de malha aberta.

Como mencionado anteriormente, a capacidade de força de um sistema de atuador elétrico depende da combinação ideal de RPM do servomotor, torque do servomotor e vantagem mecânica proporcionada pelo passo do fuso e, possivelmente, por uma caixa de engrenagens. À medida que os servomotores aumentam de tamanho, o torque normalmente aumenta significativamente, mas a RPM diminui. Em aplicações extremas de força e velocidade, a única maneira de um sistema de atuador elétrico atingir o desempenho desejado é superdimensioná-lo consideravelmente — o que pode ser proibitivo em termos de custo. Por outro lado, lembre-se de que um sistema de atuador elétrico tem controle total sobre o perfil do movimento; ele não precisa percorrer toda a extensão de cada ciclo. Além disso, com o controle da aceleração e da desaceleração, o sistema elétrico pode estabilizar mais rapidamente, o que reduz o tempo de ciclo e aumenta a eficiência. Finalmente, a tecnologia de atuadores elétricos pode aliviar algumas das velocidades de pico necessárias, pois movimentos mais inteligentes e curtos podem ser executados.