Come sincronizzare i componenti pneumatici per ottenere la massima efficienza

Nell'automazione industriale, l'efficienza è spesso trattata come una specifica a livello di componente. Gli ingegneri possono scegliere un attuatore ad alta efficienza o una valvola a bassa potenza e presumere che il sistema funzionerà in modo efficiente. Tuttavia, le macchine costruite con componenti efficienti possono comunque consumare energia in eccesso se questi componenti non sono sincronizzati.

La perdita di energia nella pneumatica è spesso dovuta all'architettura del sistema piuttosto che al malfunzionamento di singoli componenti. Un attuatore efficiente non può funzionare in modo ottimale se alimentato da un tubo intasato o controllato da una valvola sovradimensionata. Pertanto, il risparmio energetico si ottiene armonizzando l'intera catena pneumatica per ridurre al minimo le restrizioni e il volume morto in ogni interfaccia. Questo articolo illustra un approccio a livello di sistema alla progettazione pneumatica, dimostrando come la sincronizzazione di sei categorie di componenti chiave possa migliorare l'efficienza energetica.

Riduzione della caduta di pressione iniziale grazie a una migliore preparazione

L'efficienza del sistema inizia nella fase di preparazione dell'aria. Le unità di preparazione dell'aria sottodimensionate o intasate possono creare una caduta di pressione. Se un filtro regolatore causa una caduta di pressione dovuta alla restrizione del flusso, il compressore deve funzionare a una pressione più elevata per vincere la resistenza. In questo modo l'energia viene utilizzata solo per spingere l'aria attraverso la restrizione anziché per muovere il carico.

Il primo passo di un sistema sincronizzato è un'unità di preparazione dell'aria ad alto flusso. Il regolatore a filtro serie MS (MS6-LFR) di Festo, mostrato nella Figura 1, è progettato per ridurre al minimo questa restrizione iniziale. Con una portata nominale normale di 4000 l/min (normalizzata secondo DIN 1343), MS6-LFR mantiene una fornitura costante ai componenti a valle, anche durante i picchi di richiesta.

Figura 1: Il regolatore a filtro MS6-LFR combina una filtrazione ad alta portata (4000 l/min) con una regolazione della pressione di precisione per eliminare i colli di bottiglia in ingresso. (Immagine per gentile concessione di Festo)

Il regolatore dispone inoltre di un intervallo di regolazione da 0,5 a 12 bar, che consente di impostare la pressione base della macchina al livello esatto richiesto. Per lo stesso scopo, il regolatore di precisione LRP (Figura 2) offre un'isteresi di pressione massima di 0,02 bar per le applicazioni che richiedono alta stabilità, garantendo una pressione costante del sistema.

Figura 2: Il regolatore di precisione LRP-1/4-4 presenta un'isteresi di 0,02 bar per un controllo ultrastabile della pressione in applicazioni sensibili. (Immagine per gentile concessione di Festo)

Entrambi i regolatori includono anche lo scarico secondario. Se la pressione a valle aumenta (ad esempio a causa di forze esterne su un attuatore), il regolatore scarica la pressione in eccesso, evitando la contropressione che si oppone al movimento. L'uso di un regolatore che fornisce un flusso costante mantiene la pressione della linea principale al livello minimo necessario, riducendo il consumo energetico complessivo.

Ottimizzare l'energia con la regolazione del punto di utilizzo

Molti sistemi alimentano l'intera macchina alla pressione richiesta dal singolo attuatore più esigente. Ad esempio, se una pressa pesante richiede 6 bar, l'intero circuito è spesso pressurizzato a 6 bar, anche per il clamping leggero o le corse di ritorno che richiedono solo 3 bar. In questo modo si spreca quasi il 50% dell'energia per queste attività più leggere.

La regolazione decentralizzata prevede la creazione di zone di pressione direttamente nel punto di utilizzo con il regolatore di pressione MS2-LR, illustrato nella Figura 3. Il regolatore è compatto (misura 2) e gestisce portate fino a 350 l/min, pertanto è ideale per isolare specifici gruppi di macchine. In altre parole, installando un regolatore MS2-LR a livello locale è possibile alimentare il collettore principale a 6 bar, ma regolare un ramo specifico a soli 3 bar per attività più leggere.

Figura 3: Il regolatore di pressione MS2-LR porta il controllo della pressione direttamente all'attuatore. (Immagine per gentile concessione di Festo)

A differenza dei regolatori base, MS2-LR include una funzione di flusso di ritorno e di scarico secondario. Ciò garantisce che la pressione in eccesso possa essere rapidamente scaricata durante la corsa di ritorno o durante lo sfiato del sistema, evitando il blocco pneumatico e garantendo la sicurezza.

Il modello MS2-LR-QS6-D6-AR-BAR-B (Figura 4) include un manometro integrato, che consente agli operatori di verificare visivamente che la zona stia funzionando alla sua impostazione ridotta ed efficiente dal punto di vista energetico. D'altra parte, per alleggerire ulteriormente il peso (28,3 g), la variante A8 offre una porta predisposta per misurazioni personalizzate.

Figura 4: Il monitoraggio integrato consente di verificare immediatamente le zone di pressione a risparmio energetico. (Immagine per gentile concessione di Festo)

Ridurre al minimo il volume morto nella trasmissione dell'aria

Il tubo tra la valvola e l'attuatore è una fonte significativa di perdita di energia. Il volume all'interno del tubo deve essere pressurizzato e depressurizzato a ogni ciclo. Questo volume morto consuma aria compressa senza eseguire alcun lavoro. Inoltre, le perdite nei tubi aumentano il carico base del compressore.

L'efficienza della trasmissione è ottenuta grazie alla selezione dei materiali e all'ottimizzazione geometrica.

• Integrità del materiale - Il tubo PUN-H è realizzato in TPE-U (poliuretano) resistente all'idrolisi. A differenza dei tubi in PVC standard, che possono andare incontro a deterioramento e perdite nel tempo, PUN-H mantiene la flessibilità e l'integrità della tenuta in vari ambienti, con un intervallo della temperatura di funzionamento da -35 a +63 °C. La sua parete interna liscia riduce al minimo l'attrito, favorendo il flusso laminare.
• Strategia geometrica - Collocando le valvole più vicino agli attuatori ed effettuando i collegamenti con tubi tagliati a misura si riduce il volume d'aria richiesto per ogni ciclo. La serie PUN-H consente l'identificazione dei circuiti attraverso la codifica a colori, con le varianti in nero e blu che offrono un eccellente raggio di curvatura minimo di 9,7 mm per instradamenti in spazi ristretti. Si noti che la variante in colore naturale ha un raggio di curvatura leggermente maggiore (14 mm), pertanto la scelta del prodotto deve essere adattata allo spazio di installazione disponibile.

Ottimizzare la scelta delle valvole per l'efficienza energetica

Le valvole vengono talvolta scelte in base alle dimensioni dell'attacco piuttosto che alle caratteristiche del flusso. Le valvole sovradimensionate forniscono un volume d'aria eccessivo a cilindri piccoli, con conseguente inefficienza. Al contrario, una valvola restrittiva rallenta l'attuatore, spingendo gli operatori ad aumentare la pressione per compensare. La valvola deve bilanciare la velocità con il consumo.

La valvola a solenoide VUVG, illustrata nella Figura 5, è stata progettata per questo scopo.

• Rapporto portata/dimensioni - La valvola VUVG offre una portata elevata (es. 660 l/min per la dimensione di 14 mm) in un design compatto, che consente di movimentare i carichi senza creare restrizioni.
• Velocità e precisione - Con un tempo di commutazione di 8 ms (per la variante bistabile) e una frequenza di commutazione massima di 2 Hz, il componente VUVG offre una risposta rapida. Questa precisione aiuta a prevenire la sovrapressurizzazione della linea causata dalla chiusura ritardata della valvola.
• Basso consumo energetico - La bobina di VUVG consuma 0,8 W (a 24 V c.c.). In combinazione con il grado di protezione IP65, questo garantisce l'affidabilità del componente in ambienti industriali senza un assorbimento eccessivo di corrente.

Figura 5: L'elevato rapporto portata/dimensioni della valvola a solenoide VUVG assicura la movimentazione di carichi senza restrizioni. (Immagine per gentile concessione di Festo)

La scelta di una valvola adatta al volume dell'attuatore assicura che il cilindro riceva il volume d'aria necessario senza sprechi.

Ridurre il carico energetico con attuatori più leggeri

Le parti mobili più pesanti richiedono una forza (e una pressione) maggiore per muoversi. Pertanto, l'utilizzo di un cilindro sovradimensionato aumenta l'energia necessaria per l'accelerazione, in contrasto con il principio di riduzione del peso. Inoltre, ogni millimetro di alesaggio superfluo aumenta il volume d'aria necessario per riempire il cilindro, il che comporta un ulteriore spreco di energia a ogni corsa, indipendentemente dal carico effettivo da movimentare. L'attuatore deve essere ottimizzato per l'applicazione.

Il cilindro DSBC ISO è progettato per garantire prestazioni con una massa ridotta. La Figura 6 mostra il componente DSBC-32-25-PPVA con una massa mobile di 133 g. Fornisce una forza di avanzamento teorica di 483 N a 6 bar. Questo rapporto potenza/peso riduce la forza necessaria per accelerare il pistone rispetto alle alternative più pesanti.

Figura 6: Il cilindro DSBC ISO combina una bassa massa mobile con un'efficace ammortizzazione per massimizzare l'utilizzo dell'energia cinetica. (Immagine per gentile concessione di Festo)

La famiglia DSBC offre opzioni di ammortizzazione pneumatica che migliorano l'efficienza. DSBC-32-25-PPVA è dotato di ammortizzazione regolabile con una lunghezza di 17 mm per una decelerazione graduale del carico (energia d'impatto <0,4 J). Per una semplicità ancora maggiore, DSBC offre anche una variante autoregolante (PPSA) che elimina la necessità di viti di regolazione manuale, riducendo la manutenzione e il rischio di perdite.

Ridurre al minimo dell'attrito nel movimento guidato

Nelle applicazioni di precisione, l'attrito riduce l'efficienza. Le guide scorrevoli standard creano resistenza, richiedendo una pressione dell'aria più elevata per superare l'attrito statico e mantenere il movimento. Ciò è in contrasto con l'obiettivo di ridurre l'attrito. Con il tempo, l'usura dei contatti striscianti può deteriorare la precisione di posizionamento e creare una resistenza incoerente, costringendo il sistema a lavorare di più per mantenere la velocità.

Per i movimenti guidati, il mini-cursore DGST-10-20-E1A (Figura 7) utilizza elementi volventi per migliorare l'efficienza.

• Cuscinetti a ricircolo di sfere - Il carrello DGST utilizza una guida per cuscinetto a sfere di precisione al posto delle boccole scorrevoli. Ciò riduce il coefficiente di attrito, consentendo un funzionamento fluido a velocità fino a 0,5 m/s.
• Efficienza del doppio pistone - Il design a doppio pistone aumenta la forza erogata in un'unità compatta. Il cursore eroga 94 N di forza teorica (con avanzamento a 6 bar) con una massa in movimento di 134 g.
• Giogo integrato - L'integrazione del cursore e del giogo in un'unità rigida elimina il disallineamento. L'unità gestisce carichi con una coppia massima di 3 Nm e una forza massima di 480 N, convertendo la pressione dell'aria direttamente in movimento lineare.

Figura 7: Il mini-cursore DGST utilizza cuscinetti a ricircolo di sfere per ridurre l'attrito, superando notevolmente le prestazioni delle guide scorrevoli. (Immagine per gentile concessione di Festo)

Conclusione

L'ottimizzazione di un sistema pneumatico richiede un approccio architetturale piuttosto che la modifica di componenti individuali. Considerando il sistema come una catena sincronizzata, i tecnici possono ottenere guadagni di efficienza cumulativi che superano di gran lunga gli aggiornamenti dei singoli componenti. Quando i sei elementi citati nell'articolo sono armonizzati, è possibile migliorare l'efficienza, abbassare la pressione, ridurre i tempi di ciclo e ridurre al minimo le perdite. Questo fenomeno rafforza le connessioni tra i componenti e migliora le prestazioni complessive.