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Cilindro hidráulico frente a servocilindro eléctrico

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Componentes del sistema y capacidades de control de movimiento, fuerza y velocidad

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Los cilindros hidráulicos, conocidos por su gran fuerza a un coste asequible, se han utilizado ampliamente durante décadas en equipos de automatización industrial y otros equipos de automatización especializados. Los sistemas hidráulicos son robustos, relativamente sencillos de instalar y ofrecen un bajo coste 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 dado lugar a un debate continuo sobre qué tecnología —el cilindro hidráulico o el actuador eléctrico— ofrece la mejor solución global.

1. Actuadores eléctricos de vástago frente a cilindros hidráulicos: componentes del sistema

El número de componentes y el espacio total necesarios para un sistema de cilindros hidráulicos 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 accesorios
Filtros
Mangueras
Racores
Componentes adicionales

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

Los actuadores de vástago eléctrico ocupan menos espacio en general. Estos sistemas utilizan un actuador mecánico; un motor (servomotor u otro tipo); una caja de cambios opcional; cables; y un controlador/amplificador, que suele montarse en un armario de control.

Aunque el actuador eléctrico —debido a su diseño, que integra un husillo de potencia y un sistema de rodamientos— requiere una longitud adicional con respecto a un cilindro hidráulico, al considerar el espacio total que ocupa el sistema, esta longitud adicional queda más que compensada por el espacio mucho menor que ocupa el servoaccionamiento —el equivalente funcional de la HPU—. Normalmente, los equipos de automatización utilizan un armario de control y pueden diseñarse para albergar un accionamiento adicional. Los requisitos de tamaño de un servoaccionamiento suelen ser una fracción de los de una unidad de potencia hidráulica (HPU).

En los nuevos diseños de sistemas, si se consigue disponer de espacio adicional en el punto de trabajo para acomodar la carrera de trabajo y la longitud total del actuador eléctrico, el espacio ocupado por la máquina en su conjunto puede reducirse considerablemente al eliminar la necesidad de grandes unidades de potencia.

2. Actuadores eléctricos de vástago frente a cilindros hidráulicos: capacidades de control de movimiento

La razón principal por la que los ingenieros eligen un sistema de actuadores eléctricos en lugar de un sistema de cilindros hidráulicos 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 la fuerza de salida; y control complejo de todas estas variables de movimiento sobre la marcha. Los actuadores eléctricos, acoplados a un servoconvertidor y un sistema de motor, ofrecen un control infinito de la posición. La precisión y la repetibilidad de la posición superan con creces las capacidades de un sistema hidráulico.

Los sistemas hidráulicos estándar son ideales para aplicaciones de posicionamiento de extremo a extremo, pero el posicionamiento a mitad de carrera es más complicado, ya que requiere una válvula de control y la intervención del operador. El posicionamiento a mitad de carrera es de bucle abierto y requiere que un operador decida qué posición es aceptable. Además, el control de la velocidad se supervisa a través de una válvula de control y, de nuevo, requiere que un operador seleccione la velocidad aceptable para una aplicación, pero a menudo resulta difícil alcanzar un ajuste exacto de la velocidad. Una vez ajustado el valor de velocidad, la fuerza de presión que debe generar el cilindro hidráulico se regula mediante la válvula de presión. Por último, la repetibilidad de la posición, la velocidad y la fuerza de un cilindro hidráulico está sujeta al desgaste de las juntas, las fugas, las caídas y picos de presión de la bomba, así como a otros factores de mantenimiento. Es difícil conseguir un rendimiento repetible de un día a otro, de un mes a otro o de un año a otro en un entorno de producción cuando la calidad y la viscosidad del aceite varían debido a las fluctuaciones de temperatura. Para alcanzar el nivel de rendimiento deseado se requerirá la intervención constante del operador.

Los sistemas hidráulicos más avanzados, denominados «servohidráulicos», pueden controlar con precisión la posición, la velocidad y la fuerza, pero requieren componentes adicionales —un servocontrolador, una servoválvula electrohidráulica y un dispositivo de retroalimentación de posición, como un transductor lineal— que añaden una complejidad, un espacio y un coste significativos. Estos componentes controlan la presión y el caudal que llegan al cilindro hidráulico, de forma similar a como un servoconvertidor controla la corriente que llega a un servomotor. La hidráulica también cuenta con controladores aún más avanzados, que permiten coordinar varios ejes entre sí. Sin embargo, esto es poco habitual en la implementación de sistemas hidráulicos, y estos controladores añaden una complejidad y un coste extremos al sistema en su conjunto. Además, pueden ser bastante sensibles y requieren un mantenimiento riguroso para garantizar el rendimiento deseado.

Cuando se combinan con un sistema de servocontrol, los actuadores eléctricos ofrecen un control prácticamente infinito, así como una precisión y repetibilidad superiores. Los servocontroladores multieje están disponibles de serie en la mayoría de los sistemas de control modernos actuales. Los controladores y los actuadores eléctricos se coordinan entre sí de forma más sencilla y rentable en configuraciones complejas que las variantes hidráulicas, que son más limitadas. La velocidad de uno o varios actuadores eléctricos se controla con precisión y exactitud en todo momento y puede variar fácilmente de una velocidad a otra sin detenerse ni sobrepasar la posición. El control de la aceleración y la desaceleración garantiza que los actuadores eléctricos no «choquen» contra topes duros ni se pongan en marcha con sacudidas. Esto elimina la tensión en los elementos del bastidor y la necesidad de sobredimensionar las estructuras para soportar cargas de choque. Todos los movimientos serán suaves, lo que permite utilizar los actuadores eléctricos en procesos críticos en los que no se admiten vibraciones de la máquina o en los que la velocidad del proceso se ve afectada. La fuerza se controla mediante la corriente que se aplica al servomotor. Dado que los servocontroladores permiten un control preciso de la corriente, casi todos los actuadores eléctricos proporcionan un control preciso y repetible de la fuerza ejercida en el punto de trabajo.

Por último, 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 parte del operador es el tiempo de diseño inicial para integrar las variables de rendimiento deseadas en un PLC o en el entorno de programación de otro controlador. Una vez configurado, el funcionamiento se repite día tras día, mes tras mes y año tras año. Además, gracias al uso de pantallas HMI (interfaz hombre-máquina), las variables de posición, velocidad, aceleración/deceleración y fuerza pueden modificarse 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 frente a uno hidráulico.

3. Actuadores eléctricos de vástago frente a cilindros hidráulicos: capacidades de fuerza

Debido a sus elevadas presiones de funcionamiento, los sistemas de cilindros hidráulicos son excelentes para generar fuerzas extremadamente elevadas. 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 5 000 psi (344,7 bar) para aumentar aún más la densidad de potencia. Dado que los cilindros hidráulicos funcionan según el principio de la potencia hidráulica «Fuerza = Presión × Área», las altas presiones permiten que cilindros más pequeños alcancen fuerzas muy elevadas. Por ejemplo, unos cilindros con diámetros interiores de 3 y 5 pulgadas a 2 200 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.

A la hora de considerar los actuadores eléctricos, es importante determinar la fuerza de trabajo necesaria. Para estimar la fuerza aproximada necesaria para un actuador eléctrico, el método habitual consiste en ajustar la presión del puerto de trabajo hidráulico o del sistema hasta que ya no sea posible realizar la operación. Los sistemas de actuadores eléctricos se basan en la corriente que pasa por el servomotor para generar par en el sistema mecánico, lo que impulsa el husillo de potencia para que gire y genere fuerza. Esto supone 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 se acumule presión hasta alcanzar la fuerza necesaria. Otra gran ventaja de los sistemas eléctricos es que el servocontrolador regula automáticamente la corriente. El sistema de actuador eléctrico utiliza, en esencia, la corriente «bajo demanda». Cualquier ajuste se produce automáticamente. Una unidad de potencia hidráulica debe mantener siempre la presión en el sistema para que el cilindro hidráulico actúe, lo que puede resultar muy difícil.

A la hora de seleccionar un sistema de actuador eléctrico, es importante tener en cuenta las capacidades de revoluciones por minuto (RPM) y par del motor, junto con el paso del husillo en el actuador eléctrico. Ajustar la velocidad y el par del servomotor a la salida mecánica del husillo puede resultar complejo. Alcanzar las fuerzas extremas que puede producir la hidráulica es totalmente posible con la tecnología eléctrica, pero, por lo general, el actuador eléctrico utilizado tendrá un diámetro de cuerpo mayor y el sistema de actuadores eléctricos tendrá una velocidad máxima que no se podrá superar. La complejidad a la hora de dimensionar un sistema puede superarse fácilmente, ya que los fabricantes de actuadores y componentes de servocontrol ofrecen paquetes de software de dimensionamiento para el control de movimiento fáciles de usar que tienen en cuenta todas estas variables.

4. Actuadores eléctricos de vástago frente a cilindros hidráulicos: capacidades de velocidad

Alcanzar altas velocidades con fuerzas elevadas plantea retos tanto para la tecnología hidráulica como para la eléctrica. La hidráulica requiere presión para generar fuerza y caudal para generar velocidad. Para alcanzar velocidades más altas con fuerzas más elevadas, debe haber suficiente aceite a presión en el sistema para, básicamente, impulsar el volumen de aceite necesario hacia el cilindro en el tiempo requerido (definido como caudal). Esto suele requerir un sistema de acumulación para retener el volumen presurizado. El problema puede agravarse con cilindros de carrera larga; los acumuladores sin cargar pueden dejar el sistema sin aceite. En definitiva, el uso de capacidad adicional en los sistemas de acumuladores hidráulicos les permite alcanzar altas velocidades con fuerzas elevadas. La desventaja de esta práctica es que, sin un control servohidráulico en el sistema hidráulico, el exceso de energía (fuerza × velocidad) se utiliza esencialmente en un esquema de control de bucle abierto.

Como se ha indicado anteriormente, la capacidad de fuerza de un sistema de actuadores eléctricos depende de la combinación adecuada entre las revoluciones por minuto (RPM) del servomotor, el par del servomotor y la ventaja mecánica derivada del paso del tornillo y, posiblemente, de una caja de cambios. A medida que aumenta el tamaño de los servomotores, el par suele incrementarse significativamente, pero las revoluciones por minuto (RPM) disminuyen. En aplicaciones extremas de fuerza y velocidad, la única forma en que un sistema de actuadores eléctricos puede alcanzar el rendimiento deseado es sobredimensionando considerablemente el sistema, lo que puede resultar prohibitivamente caro. Como alternativa, hay que recordar que un sistema de actuadores eléctricos tiene un control total sobre el perfil de movimiento; no tiene por qué recorrer toda la longitud en cada ciclo. Además, gracias al 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. Por último, la tecnología de los actuadores eléctricos puede mitigar algunas de las velocidades máximas requeridas, ya que permite ejecutar movimientos más inteligentes y de menor recorrido.