Verbetering werkplekergonomie met intelligente elektrische actuatoren

Elektrische lineaire actuatoren hebben lang ergonomische voordelen geleverd door taken te automatiseren die repetitief, vuil of gevaarlijk zijn. Recentelijk heeft de integratie van onboard intelligentie in elektrische actuatoren hun ergonomische bijdrage naar een nieuw niveau getild. Slimme functies zoals digitale motorbesturing, positiefeedback, synchronisatie en realtime monitoring maken het nog gemakkelijker om automatisering toe te passen om werkplekcomfort, veiligheid en efficiëntie te verbeteren.

Digitale motorbesturing

Traditionele actuatoren zijn vaak afhankelijk van grote, energie-inefficiënte relais of onafhankelijke controllers om de actuatoren uit te rijden, in te trekken of te stoppen. Het gebruik van onboard elektronica om de stroom te beheren kan de stroom aan de schakelaars of contacten van 20 A naar onder 22 mA reduceren, wat een eenvoudiger, goedkoper systeemontwerp mogelijk maakt. Operators kunnen de actuator richting aansturen en veranderen vanaf een eenvoudige bediening.

Stel je een werkruimte voor waarin werknemers componenten van meer dan 100 pond hanteren en frequente rek- en buigbewegingen vereisen. Als hun werktafel bestuurd werd door actuatoren uitgerust met laag-niveau schakelen, kon elke gebruiker de hoogte aanpassen tot een niveau dat minimaal buigen of rekken vereist, wat vermoeidheid vermindert en tegelijkertijd productiviteit verbetert (Figuur 1).

Hoewel traditionele actuatorassemblages dergelijke aanpassingen zouden toestaan, zouden ze externe motorschakeling vereisen, wat meer stroom trekt en handmatig gedaan moet worden. Door de schakeling elektronisch te besturen, is al dergelijke schakeling in de actuatorbehuizing ingesloten, wat ook een slankere, schonere omgeving zonder externe bedrading biedt.

Het automatiseren van motorschakeling heeft ook veiligheidsvoordelen. Een actuator trekt tussen 20 en 40 ampère, afhankelijk van de belasting. Het minimaliseren van blootstelling aan deze stroom tijdens installatie en bedrijf maakt grotere ergonomische controle mogelijk, terwijl potentiële schokrisico's van hoge-amperage relais worden verminderd.

Digitale positiefeedback

Slimme elektrische actuatoren (Figuur 2) stellen niet alleen fijn afgestelde positie-aanpassingen in, ze bieden ook realtime feedback over de omvang van die aanpassingen. Ze kunnen rapporteren over de locatie van de belasting gedurende de hele slag. In het werktafelvoorbeeld in Figuur 1, konden ze data vastleggen over de locatie van de belasting en deze vergelijken met vooraf ingestelde parameters om consistente werking te garanderen.

Naast digitale positiefeedback komt de mogelijkheid om snelheid te meten en te besturen. Stel je voor dat je het tillen of laten zakken van een zware deur automatiseert die een bepaalde machine afschermt of een scheiding vormt. De microcontroller kon pulstellingen ontvangen van een encoder en de reafstand en snelheid berekenen op basis van het aantal pulsen ontvangen binnen een ingesteld tijdsinterval. Blijvend bij het zware deurvoorbeeld (Figuur 3), zou dit het instellen van de snelheid mogelijk maken om te vertragen naarmate het het einde van de slag bereikt, voorkomend dat de deur inslaat voordat de operator de tijd heeft om de opening vrij te maken.

Analoge positiefeedback

Digitale positiefeedback is een van de gemakkelijkste manieren om actuatorsnelheid te meten, maar het is niet gemakkelijk te programmeren omdat het de posities die het rapporteert niet onthoudt na een stroomverlies of afsluiting. Slimme actuatoren uitgerust met analoge potentiometers, kunnen echter exacte positie-informatie ontvangen van potentiometers in de actuator tandwielkast, die spanningsignalen verzenden die gebruikers waarschuwen van de aandsnelheid en richting — van begin tot einde van de slag. Ze onthouden die positie, dus als stroom verloren gaat, is er geen noodzaak om terug te keren naar een home-positie en het apparaat te resetten.

Betrouwbare positiegeheugen maakt de ontwikkeling van toepassingen mogelijk die ergonomische instellingen voor elke gebruiker opslaan, waardoor de werkruimte aangepast kan worden aan meerdere individuen gebaseerd op factoren zoals lengte, opgeslagen procedures of gebruikersvoorkeuren.

Synchronisatie

De ergonomische voordelen van slimme elektrische actuatoren zijn nog duidelijker wanneer ze met meerdere actuatoren worden gebruikt. Je kunt actuatoren instellen om automatisch aan te passen aan verschuivende belasting. Een vliegtuigassemblage-toepassing waarin vijf of tien werknemers de romp afwerken, kan hen bijvoorbeeld ondersteunen met een platform dat hoog boven de grond getild moet worden.

Naarmate werknemers over het platform bewegen, verschuift het gewicht naar verschillende delen van het platform, wat potentiële onevenwichtigheid veroorzaakt. Slimme actuatoren op verschillende punten onder het platform (bijv. één op elke hoek) kunnen ingesteld worden om zichzelf aan te passen om te compenseren naarmate de belasting verschuift tijdens synchrone actuatorbeweging (Figuur 4).

Het maken van aanpassingen die deze verschuivende belasting tegenwerken, wordt gedaan met zowel snelheidscontrole als positioneringsfeedback. Actuatoren communiceren met elkaar via een intern netwerk, lezen elkaars snelheid op basis van positioneringsfeedback, en passen zich dienovereenkomstig aan.

Het doen hiervan met digitale feedback resulteert echter in een stotterende stap, wat ontwerpers kunnen vermijden door zowel positie als snelheid in de feedbacklus te plaatsen en ze te laten aanpassen op basis van de actuatoriesnelheid en de positie. Dit biedt een ergonomisch voordeel dat een verschuivende belasting soepel van meerdere punten tillt, compenserend voor onhandig grote lasten zoals platforms, zitplaatsen en zware deuren.

Het besturen van meerdere traditionele actuatoren is mogelijk, maar is een onnauwkeurige, tijdrovende en arbeidsintensieve operatie die additionele belasting op de actuatoren legt, uiteindelijk leidend tot binding of andere storingen. Slimme actuator synchronisatie verwijdert de gokken en resulteert in een gebalanceerde, soepele en goed gepositioneerde beweging.

Realtime monitoring

Slimme elektrische actuatoren kunnen lopende monitoringresultaten teruggeven voor temperatuur, stroom, snelheid, spanning en andere variabelen, wat geavanceerde conditiemonitoring, diagnostiek en foutafhandeling mogelijk maakt. Feedback kan zo snel als tien keer per seconde verschijnen, aangezien de actuator zich continu zelf test. Als het een probleem detecteert (bijv. overschrijding van een temperatuurdrempel), kan de actuator midden in de slag stoppen of zijn geprogrammeerde beweging afmaken — volledig ingetrokken of uitgezogen —, stoppen en een foutvlag naar de computer sturen, alles in een fractie van een seconde.

Zo'n feedback stelt gebruikers in staat om afstand te nemen van hun operaties om patronen in gebruik, snelheid en positie te analyseren om operaties vriendelijker, veiliger en efficiënter te maken. Dit is vooral waardevol in fabrieksautomatiseringsomgevingen die meerdere apparaten integreren (Figuur 5). Verzamelde data kan tonen hoe vaak een werkstation is getild en gelaten of hoe vaak een deur is geopend en gesloten. Dit kan vergeleken worden met operationele geschiedenis of best practices in de industrie om het celontwerp te verbeteren.

Operationele data kan ook gekruist worden met letselrapporten, wat kan wijzen op de noodzaak voor meer ergonomische analyses. Als een actuator die een krimpdruk op een bepaalde manier positioneerde constant overbelasting rapporteerde, kan dat bijvoorbeeld wijzen op een incidentiecijfer van mensen die zich letsel ophalen en kan identificeren in welke cel dit gebeurt, welke tijd van de dag, en welke shifts mogelijk beïnvloed worden.

Diversifiëren om te overleven

De vele functies ingebouwd in slimme elektrische actuatoren stellen gebruikers in staat om een toepassing te benaderen met ontwerpvereenvoudiging in gedachten. De mogelijkheid om de actuatoren digitaal te besturen, digitale of analoge feedback te bieden, multi-actuator synchronisatie toe te staan, of realtime monitoring toe te voegen voor metrics, biedt de tools nodig om de klus in één pakket te klaren. Nu, wanneer gebruikers naar een toepassing kijken, kunnen ze een automatiseringsoplossing leveren die verder gaat dan de basisfunctionaliteit van een heen-en-weer beweging.

Slimme elektrische actuatoren bieden plug-and-play beweging over meerdere assen van geautomatiseerde processen zonder de complicaties van andere automatiseringstechnologieën zoals hydraulische of pneumatische cilinders. Door de toepassingsbehoeftes van tevoren te bekijken, kan de gebruiker wel vinden dat de slimme actuator's vermogen om beweging te besturen, positie te onthouden, of applicatiemetrics te bieden, zich kan differentiëren in een zee van andere technologieën.

Naarmate machinebouwers en eindgebruikers alike naar de toekomst kijken, zullen hun automatiseringsoplossingen verder gaan dan die van basisfunctionaliteit en blijven eenvoudigere oplossingen, langere apparatuurslevensduur en langetermijnveiligheid bieden.

Hoewel deze besturingscapaciteit intrinsieker is aan de apparatuur, staat het minder tussen de gebruiker en de uiteindelijke voordelen die ze verwachten. De opbrengst kan gevonden worden in werknemerstevredenheid, veiligheid, gezondheid en productiviteit — wat iedereen in de waardestroom ten goede komt.

Dit artikel is geschreven door Chris Diak, Automation Product Sales Manager bij Motion Industries (Birmingham, AL) en Travis Gilmer, Product Line Specialist – Lineaire Actuatoren bij Thomson Industries (Radford, VA).