EleCylinder: los actuadores eléctricos middle-end

En el mercado nos encontramos con, principalmente, dos gamas de actuadores eléctricos lineales: el producto high-end, actuadores de altas prestaciones y versatilidad para las aplicaciones más exigentes, y el low-end, diseñado para bajos requerimientos y habitualmente vinculado, muchas veces de forma contrastada, con una imagen de producto de baja calidad.

Dentro de los actuadores low-end hay muchas opciones. La mayoría son dispositivos de muy bajo coste, de manufactura China. Estos actuadores se basan habitualmente en motores DC de baja tensión y husillo acme. El uso al que van destinado es muy variable, pero la aplicación tipo no suele requerir ningún control de posición, tan solo la operatividad de extraer o retraer el vástago lineal, con finales de carrera en los extremos del recorrido como único feedback de dónde se encuentra el vástago.

De forma generalizada el duty cycle es muy bajo, solo disponible para su operatividad de forma esporádica. Los actuadores eléctricos lineales low-end, comúnmente, se emplean en el sector doméstico para operaciones de movimiento y elevación de mobiliario (sofas, camas, etc.), o apertura y cierre de componentes abatibles, ventanas, puertas... En el sector industrial su uso es bastante más escaso, centrándose en procesos de bajo coste y bajo valor añadido: cambio de formato sin monitorización, elevación de plataformas, apertura y cierre de compuertas, etc. Nunca en procesos críticos, debido a su baja fiabilidad.

El portafolio de producto mecatrónico de Larraioz Elektronika no incluye productos low-end. El componente mecatrónico high-end de Larraioz Elektronika está orientado a dos diferentes vertientes con las que abarcar distintos tipos de aplicaciones y características: los actuadores eléctricos lineales RoboCylinder y los robots mono-eje Intelligent Actuator de la firma Japonesa IAI, y los motores lineales de tipo tubular de la compañía suiza LinMot.

Nos centraremos en los servo-motores tubulares LinMot como fuente de movimiento lineal high-end de tecnología eléctrica, principalmente para aplicaciones y procesos donde la capacidad dinámica, la velocidad y la aceleración del actuador sean un elemento clave. O donde el diseño higiénico con alta protección IP del equipo sea un valor añadido (desde IP65 hasta IP69K, incluso ATEX), como es en algunos procesos del sector alimentario, packaging, cosmético o farmacéutico, entre otros.

Para el resto de aplicaciones high-end de movimiento lineal, donde la dinámica extrema o la alta IP de LinMot no sean necesarias, IAI es la plataforma adecuada y ajustada en prestaciones. Tanto los RoboCylinder (cilindros eléctricos de vástago y actuadores eléctricos lineales sin vástago, de corredera o de tipo mesa) como los Intelligent Actuator (robots lineales y mono-eje para altas capacidades) cubren el gran espectro de necesidades de movimiento lineal, con más de 30000 referencias y modelos de equipo diferentes. Estos actuadores de IAI son dispositivos electromecánicos que incorporan la motorización, transmisión (husillo a bolas de altas prestaciones), el encóder absoluto libre de batería, las múltiples variantes de mecánica de guiado y la etapa de control.

Ya se han enumerado en muchas ocasiones las ventajas de la tecnología del actuador eléctrico lineal high-end frente a la de los cilindros neumáticos: estos dispositivos mecatrónicos y robots mono-eje aportan un control del proceso de movimiento del que no se dispone en los cilindros de aire. En los actuadores neumáticos, el movimiento se limita a ir hacia un lado o hacia el otro, hasta que se corta el caudal de aire o hasta los topes mecánicos de ambos extremos, mientras que al actuador eléctrico se le ordena ir a cualquier posición con precisión, ya sea una posición absoluta o una incremental. Además, se le pueden indicar los parámetros de la trayectoria, la rampa de aceleración, la velocidad máxima y la deceleración. Incluso, se pueden definir perfiles dinámicos más complejos, senoidales, relaciones de sincronismo maestro-esclavo, interpolaciones con otros actuadores, etc.

La versatilidad en cuanto a posicionado y control de trayectoria, hacen de los actuadores eléctricos high-end una solución perfecta para las necesidades de la Smart Factory, la factoría inteligente, y para la iniciativa Industria 4.0. La posibilidad de incorporar buses de campo a la solución de movimiento eléctrico lineal, tales como EtherCat, ProfiNet o Ethernet IP, entre otros, facilita la integración de los actuadores en la infraestructura de la máquina o de la planta de forma directa y amigable.

Por otra parte, no se puede obviar el aspecto del consumo energético: el consumo de electricidad para la funcionalidad diaria de los actuadores neumáticos (el aire hay que comprimirlo para que los cilindros sean operativos) es muy superior al consumo de la solución de actuador eléctrico, sea cual sea su naturaleza. Aún y cuando la inversión inicial de un cilindro neumático puede ser inferior a la compra de un cilindro eléctrico, dicha inversión se rentabiliza en pocos meses debido a la diferencia de costes de funcionamiento, energéticos y de mantenimiento.

Si bien la solución eléctrica high-end tiene innumerables ventajas frente a la tecnología neumática, todavía existen muchas aplicaciones y procesos donde no es necesario un actuador tan avanzado, con unas prestaciones sobredimensionadas y, asimismo, un coste sobrevalorado, dado que incorpora unos recursos que no se van a aprovechar pero que se están pagando. Una aplicación tipo de características simples de un cilindro neumático, con sus dos posiciones, que siempre va a trabajar entre ambas, y que solo de forma muy esporádica se van a cambiar dichas posiciones, no queda al alcance de la tecnología mecatrónica debido al gran salto cualitativo, en prestaciones, y cuantitativo, en precio entre el cilindro neumático y el cilindro eléctrico high-end.

Como solución a esta cuota de mercado de cilindros neumáticos de aplicaciones simples, donde no llega el actuador low-end, y que queda fuera del alcance de la tecnología high-end por su sobredimensionamiento, desde Larraioz Elektronika, y de la mano de la firma japonesa IAI, introducimos una nueva tecnología de actuador eléctrico lineal / robot mono-eje con una calificación de middle-end, en directa competencia con la actual solución neumática en cuanto a precio, pero con una sustancial mejora de prestaciones frente a ella, aunque de forma más acotada que los actuadores y robots LinMot, IAI RoboCylinder e IAI Intelligent Actuator.

Los nuevos actuadores IAI EleCylinder son dispositivos mecatrónicos inteligentes de movimiento lineal, de categoría middle-end, con una amplio espectro de configuraciones en cuanto a formato, tipo de cilindro, cilindro radial, corredera sin vástago o mesa, diferentes capacidades de carga y fuerza de empuje, recorridos, etc. Manteniendo la más alta calidad de sus hermanos de altas prestaciones, RoboCylinder e Intelligent Actuator, pero con una reducción de sus capacidades tecnológicas en cuanto a capacidad de control y, consecuentemente, de coste.

El EleCylinder es una familia de actuadores eléctricos lineales, cilindros eléctricos y robots mono-eje, diseñados y fabricados para competir con los cilindros neumáticos en condiciones más acordes a la comparación entre ambas tecnologías, tanto en cuanto a prestaciones como en precio.

La característica principal de los actuadores EleCylinder es su manera de trabajar, con dos posiciones, al igual que los cilindros neumáticos. Y de la misma forma que los cilindros neumáticos, los EleCylinder se comandan mediante dos órdenes digitales, igual que las órdenes a las electroválvulas de los cilindros. Además, el EleCylinder aporta dos señales digitales, como feedback de encontrarse en las mismas posiciones, lo que correspondería a los detectores de en-posición en el cilindro neumático. Por lo tanto, podemos asumir que la integración en máquina o proceso de un EleCylinder en una misma aplicación en la que hay un cilindro neumático es, desde el punto de vista de instalación, algo sencillo: utilizamos el mismo interfaz en un EleCylinder que en un cilindro neumático.

Ya partiendo de estas premisas, empezamos a valorar las diferencias entre el EleCylinder y el cilindro neumático.

Además de las 2 entradas al dispositivo (equivalentes a las órdenes a electroválvulas) y las 2 salidas del dispositivo (equivalentes a los detectores de en-posición), todas ellas en niveles industriales de 24Vdc, lo único que necesita el EleCylinder para operar es una alimentación de 24 Vdc. Queda eliminada toda dependencia de la neumática.

Las dos posiciones del actuador EleCylinder son libremente programables. El actuador no se va a desplazar entre dos cotas de tope mecánico, como en la neumática, sino entre dos posiciones definibles por el programador, ya sea el usuario final de la tecnología o el fabricante de la solución de la máquina o proceso. La puesta en marcha del equipo o la modificación de las posiciones no requiere complicados procesos de ajuste mecánico de los topes de recorrido y, consecuentemente, de los detectores de posición: es una muy simple operación de parametrización de software. Por tal forma que se da una sustancial reducción de los costes de trabajo, tanto en la puesta en marcha como en ajustes o cambios de formato.

De la misma manera que las dos posiciones son parametrizables, también lo son los parámetros de la trayectoria: tanto para la posición 1 como para la posición 2, se pueden programar de manera fácil las rampas de aceleración, las velocidades máximas y las rampas de deceleración. Además, la independencia entre aceleraciones, velocidades y deceleraciones, tanto de una posición como de la otra, es absoluta. No hay limitación en este sentido: el EleCylinder no da solo control de las posiciones finales, sino también del propio movimiento. Eliminamos completamente las complicadas regulaciones de presión de aire y amortiguadores.

Las trayectorias del movimiento no solo son parametrizables, sino que son estables, repetitivas y reproducibles en el tiempo, independientes de factores externos, como podían ser las variaciones en la presión o en el caudal de aire disponible. La repetitividad de comportamiento permite optimizar el ciclo de la máquina.

La estabilidad del movimiento no se encuentra solo en velocidades altas, sino también en las bajas. Así como en procesos con neumática, la puesta en marcha y el ajuste de comportamientos a velocidades bajas son muy complicados, imposible a veces, debido a la inestabilidad del movimiento de bajas dinámicas. Con el EleCylinder no supone ningún problema la ejecución de una orden de movimiento a velocidades bajas, e incluso muy bajas. Esta característica hace del EleCylinder un dispositivo especialmente valioso en procesos simples, donde se requieren trayectorias de velocidad constante controlada, tales como dosificado o sellado.

La operatividad del modo dos posiciones se ve ampliada, ya que la trayectoria de movimiento a una posición se puede interrumpir con tan solo poner a cero la orden digital. De esta manera, se pueden implementar señales de hold y pausa, tanto con la lógica del PLC externo como con detectores externos, y ese estado de hold es mantenido en posición: si a un actuador EleCylinder en movimiento se le da la orden de detenerse, aunque no esté en cota final, se detiene físicamente y mantiene rígidamente la posición. Esta funcionalidad difícilmente es reproducible en neumática, y abre la puerta a un sinfín de aplicaciones imposibles de realizar con cilindros neumáticos.

Las órdenes de posición se pueden configurar, no solo como orden de posicionado, sino también como orden de modo push o empuje controlado. Si se define el comando como modo push, esta orden se convierte en una aproximación rápida hasta la posición programada con los parámetros de aceleración, velocidad y deceleración establecidos, para seguidamente cambiar el modo trayectoria de posicionado a modo empuje, con una velocidad fija de 20mm/s, pero con una fuerza de empuje programable entre el 20% y el 70% de la fuerza máxima del dispositivo, durante una ventana de movimiento también parametrizable. A diferencia de un cilindro neumático, el EleCylinder permite una única orden de movimiento, combinando la aproximación rápida y la fuerza de empuje con los parámetros accesibles para su ajuste.

El tiempo de respuesta a las órdenes de movimiento es más corto en el EleCylinder que en el cilindro neumático: en este último, hay un tiempo de presurización del circuito, de manera que, desde que se da la señal eléctrica a la electroválvula hasta que el cilindro empieza a desplazar el vástago pasa un intervalo inexistente en el actuador eléctrico. De la misma manera, el hecho de disponer de una rampa de deceleración programable sobre una posición no mecánica elimina las vibraciones de parada existentes en el cilindro neumático, debido al impacto contra el tope de recorrido. En suma, una respuesta a la orden de movimiento más dinámica junto con un menor tiempo de estabilización de en-posición, nos da como resultado una disminución del tiempo del ciclo de movimiento.

La programación se realiza de manera extremadamente sencilla, tanto a través del software RC instalado en un ordenador bajo MS Windows como con la teach-pendant TB02, con una conexión física a través del puerto de programación del dispositivo. Opcionalmente, en los EleCylinder que cuentan con Bluetooth, mediante la consola color táctil TB03, se pueden parametrizar remotamente los dispositivos al alcance de red. Esto es especialmente interesante para todos aquellos sistemas de difícil acceso, que así se pueden ajustar y mantener sin necesitar de la acceder físicamente al equipo.

Por último, desde el punto de vista técnico, existen diferentes opcionales con las que se puede vestir la solución EleCylinder, y así hacerla todavía más versátil y rápida de implementar en procesos. Entre dichas opciones destaca la ya comentada opción de Bluetooth para servicio remoto, la posibilidad de encóder absoluto libre de batería para eliminar ciclos de home, la opción de freno mecánico, conexión estándar mediante borna enchufable y alternativas de cables ultraflexibles para cadenas portacables y cable robótico, y todo un portafolio de componentes mecánicos de adaptación del EleCylinder al footprint del proceso: bridas frontales, rótulas, pies de amarre, horquillas, ménsulas...

Si los argumentos técnicos no son lo suficientemente potentes para convencer al usuario, podemos orientarlo a los argumentos puramente económicos. Uno de los factores que más puede influir a la hora de decidirse por la solución EleCylinder frente a la de los actuadores neumáticos es el de la reducción de costes derivados de horas de ingeniería. Ya sea en la etapa del diseño del sistema, durante la puesta en marcha, o ya en funcionamiento si se requiere de modificaciones o ajustes del ciclo. La facilidad de integración y de manejo repercute directamente en el coste de la solución: menos horas cualificadas requeridas, menores costes asociados.

Otro factor económico es el energético. No se debe plantear el coste de una solución basándose solo en el coste inicial de la inversión de compra, sino que hay que considerar el periodo de amortización del camino adoptado. Una vez realizada la compra de la tecnología, esta debe trabajar, y para ello hay que darle de comer: la plataforma de movimiento requiere energía, y esa energía se paga, y mucho. El aire no es gratis, al menos no lo es comprimirlo para utilizarlo como energía para realizar movimientos lineales. Y comprimir aire no solo es muy caro, sino que además es muy ineficiente: la transformación de la energía eléctrica en potencial de aire comprimido, y este a su vez en trabajo mecánico, es un proceso de muy bajo rendimiento. La diferencia de consumo energético entre el EleCylinder y el cilindro neumático depende de la frecuencia de operación y del recorrido. A mayor cadencia o carrera de funcionamiento, más efectivo es el ahorro de energía de la solución eléctrica frente a la neumática. No pocas plataformas de movimiento eléctrico se amortizan en pocos meses, respecto a las neumáticas, tan solo por este punto.

Condiciones de operación

EleCylinder EC-R7H-300 frente a cilindro neumático ø32

• 25 kg masa en movimiento horizontal
• 300 mm de recorrido
• Ida/vuelta 1,7 s (420 mm/s 0,3 G), ciclo de máquina 3 s, 20 ciclos/minuto
• Coste de energía anual (8.000 h) EleCylinder EC-R7H-300: 291 kWh = 35 €
• Coste de energía anual (8.000 h) cilindro neumático ø32: 4.218 kWh = 811 €
• Precio de compra EleCylinder EC-R7H-300: 291 kWh = 463 €.

Y no debemos olvidar la vida útil de la tecnología. El EleCylinder es un dispositivo de larga vida de servicio debido a que, además de no sufrir los impactos mecánicos propios del cilindro neumático en su operación, incorpora tanto componentes de transmisión y de guiado mecánico de la más alta calidad japonesa, tanto husillo a bolas como guías lineales de recirculación de bolas con muy poco desgaste. En las condiciones adecuadas la vida útil de un actuador eléctrico lineal EleCylinder es varias veces superior a la de un cilindro neumático.

En resumen, el EleCylinder es la tecnología de movimiento eléctrico lineal middle-end que pondrá en serios apuros a los cilindros neumáticos, por su sencillez, versatilidad, calidad, prestaciones, reducido consumo y bajo coste de compra.

Larraioz Elektronika, por su parte, es una empresa de gran reputación en el área de la automatización industrial con 30 años de experiencia a sus espaldas, y la encargada de representar este producto ante el mercado español como servicio técnico, consultoría, training y canal de ventas oficial de IAI.