Jednou z najzákladnejších častí automatizácie výroby je lineárny pohyb. Existuje mnoho spôsobov, ako ho zabezpečiť, pričom elektromechanické lineárne pohony sa často považujú za štandardné riešenie aj v rámci konceptov Priemyslu 4.0. Sú však lineárne pohony skutočne inteligentnou voľbou pre podniky, ktoré chcú automatizovať svoje procesy?
Pozrime sa najprv na päť hlavných dôvodov, prečo si vybrať elektromechanický lineárny pohon, keď sa rozhodnete prejsť na automatizáciu vašich výrobných procesov.

Jednoduchý dizajn

Za alternatívy k elektromechanickému lineárnemu pohonu sa vo všeobecnosti považujú pneumatické a hydraulické systémy. Tieto systémy sú však veľmi zložité, s mnohými časťami, ktoré treba nastaviť a monitorovať.

Pneumatické systémy vyžadujú veľa komponentov vrátane hadíc, ventilov a čerpadiel, zatiaľ čo hydraulické systémy sa spoliehajú na nádrž na kvapalinu, čerpadlá, motory, výmenníky tepla a vypúšťacie ventily. Všetky tieto prvky systému musia byť starostlivo nastavené a pravidelne monitorované, aby sa znížilo riziko ich zlyhania.
Elektromechanické lineárne pohony majú oveľa minimalistickejšie nastavenie, pričom na prenos energie je potrebných len niekoľko káblov spolu s riadiacim systémom. Vďaka tomu má pohon oveľa menšiu celkovú pôdorysnú plochu a minimalizuje sa čas návrhu a inštalácie.

Jednoduchá integrácia

Elektromechanické lineárne pohony sa prekvapivo jednoducho integrujú do výrobnej aplikácie. S menším počtom komponentov, ktoré je potrebné zvážiť, sú ideálne na pridávanie ďalších osí do úzkych priestorov. Riadiace systémy používané spolu s elektromechanickými lineárnymi pohonmi sa tiež ľahko integrujú s jednoduchými rozhraniami pre všetky hlavné sieťové protokoly.

Vylepšená účinnosť

S vynikajúcou úrovňou energetickej účinnosti sú elektromechanické lineárne pohony často prvou voľbou pre spoločnosti, ktoré sa snažia znížiť svoj vplyv na životné prostredie. Tieto komponenty nielen zlepšujú udržateľnosť, ale prinášajú aj fantastické úspory nákladov na energie. S približne 80 % energetickou účinnosťou poskytujú elektromechanické lineárne pohony približne dvojnásobnú úroveň účinnosti hydraulického systému a viac ako desaťnásobnú účinnosť v porovnaní s obdobnými pneumatickými riešeniami využívajúcimi ako energetické médium stlačený vzduch.

Znížené celkové náklady na vlastníctvo

Každý technik chce pre svoje stroje to najlepšie, no nemožno poprieť, že hlavným faktorom v rozhodovacom procese sú aj náklady. Výber elektromechanického lineárneho pohonu pre vašu aplikáciu s lineárnym pohybom môže priniesť značné úspory nákladov počas celého životného cyklu automatizačného systému.
Hoci elektromechanické lineárne pohony obsahujú vysoko presné komponenty, tieto kritické časti sú dobre chránené pred poškodením počas prevádzky a pred kontamináciou. To zabezpečuje dlhú a predvídateľnú životnosť.

Maximálne presné riadenie polohy

Pri použití pneumatických či hydraulických komponentov môže byť presné ovládanie rýchlosti a polohy pohonu výzvou. V aplikáciách, ktoré sa spoliehajú na vynikajúcu úroveň presnosti, to môže spôsobiť veľké problémy. Elektromechanické lineárne pohony umožňujú úplnú riaditeľnosť systému. To znamená, že možno dosiahnuť vysokú úroveň opakovateľnosti spolu so zvýšenou tuhosťou.

Elektromechanické lineárne pohony: inteligentná voľba

S neustále sa vyvíjajúcimi novými digitálnymi technológiami sa svet výroby stáva inteligentnejším, presnejším a flexibilnejším. Fyzické aspekty strojového zariadenia však musia nasledovať rastúci rozsah inteligencie strojov. Pokiaľ ide o lineárny pohyb, inteligentnou voľbou sú elektromechanické lineárne pohony.

Len elektrické, pneumatické alebo kombinácia?

Mnoho výrobcov strojov si myslí, že sa musia rozhodnúť medzi elektrickou automatizáciou a pneumatickými pohonmi. Niektorí tvrdia, že elektrické ovládanie je lacnejšie, energeticky efektívnejšie a ľahšie sa s ním pracuje. Iní sa domnievajú, že pneumatická technológia je oveľa odolnejšia, jednoduchšia a má vyššiu hustotu výkonu. No tento prístup buď – alebo nie je vždy užitočný pri plnení potrieb aplikácie. Jednoznačne je lepšie mať efektívny celkový systém, než sa sústrediť na efektivitu jednotlivých komponentov.

Tento princíp poháňa pokrok v lineárnom pohybe, pričom výrobcovia produktov sa snažia spojiť výhody pneumatického aj elektrického pohonu do jedného riešenia. Napríklad lineárne pohony Simplified Motion Series (SMS) od spoločnosti Festo ponúkajú cenovo dostupnú možnosť, ktorá sa ľahko inštaluje a obsluhuje. V rozvádzačoch nie je potrebné inštalovať externé servopohony, pretože celé zariadenie je namontované priamo na stroji.

Vďaka ich zjednodušenému nastaveniu a prevádzke sú elektrické pohony SMS ideálne na jednoduché pohyby medzi dvoma mechanickými koncovými polohami bez toho, aby ste museli obetovať pohybové charakteristiky elektrického pohonu, ako je vopred definovaná rýchlosť, jemne odpružený pohyb do koncových polôh a voliteľná sila pre funkciu lisovania alebo upínania. Dajú sa jednoducho a bezpečne mechanicky kombinovať s inými pohonmi SMS pomocou pokročilejších elektrických osí od Festo alebo širokej škály pneumaticky riadených pohonov s použitím štandardizovaných rozhraní a strediacich krúžkov na presné polohovanie a prenos zaťaženia.

Digitalizácia ekosystému lineárnych pohybových systémov

Technológia lineárneho pohybu, ktorá zďaleka nie je základnou mechanickou technológiou, je pripravená zmeniť moderné výrobné prostredie v priebehu niekoľkých rokov. Tento vplyv môže byť vo viacerých výrobných oblastiach vrátane konfigurácie, objednávania a uvádzania do prevádzky, prevádzky, diagnostiky a údržby. Dôvodom sú všetky softvérové nástroje, online služby, inteligentné systémy a integrované snímače, ktoré sú k dispozícii na podporu vytvárania a integrácie technológie digitalizovaného lineárneho pohybu.

Digitálne inžinierske nástroje a konfigurátory intuitívne a rýchlo prevedú vývojárov systémov všetkými inžinierskymi krokmi pri vytváraní lineárnych systémov, čím ušetria hodiny alebo dokonca dni. Budúcnosť prinesie ďalšie zjednodušenia aj v tejto oblasti vrátane interaktívnych webových stránok s možnosťou chatu. Pri dokončovaní svojich návrhov budú používatelia pracovať priamo s digitálnymi dvojčatami komponentov a systémov, ktoré konfigurujú.

Výrobcovia komponentov a systémov technológie lineárneho pohybu čelia dvojitej výzve. Po prvé, údaje o mechanickom výkone zostávajú rozhodujúcim kritériom pri použití komponentov. Aby sa dosiahli zlepšenia v presnosti a riadení výrobného procesu, ktoré patria medzi základné vlastnosti a piliere konceptov Priemyslu 4.0, musia dodávatelia technológie lineárneho pohybu začleniť inteligenciu do mnohých aspektov svojich systémov, ktoré boli doteraz čisto mechanické alebo fyzické.

Niektorí výrobcovia napríklad dodávajú každému lineárnemu modulu alebo osi digitálnu identitu. Digitalizované systémy lineárneho pohybu budú mať údaje modulu ľahko dostupné na uvedenie do prevádzky – vrátane všetkých údajov o osiach. Používatelia profitujú z procesu uvedenia do prevádzky typu pripoj a pracuj bez toho, aby museli zadávať údaje alebo opravovať chyby v programe.

Parametre osí môžu byť uložené digitálne v rôznych produktoch. Či už ide o snímač otáčok motora, integrovaný merací systém, alebo digitálny typový štítok, parametre osi budú vždy k dispozícii. Príslušné parametre sa prenesú do pohonného systému, čo šetrí čas a minimalizuje chyby počas spúšťania a údržby. Toto je len jeden zo spôsobov, ako môže digitalizovaná technológia lineárneho pohybu prispieť k presnej výrobe.

S rastúcim využívaním tejto technológie bude jednoduchšie získavať kľúčové údaje zo stroja prostredníctvom integrovaných snímačov a odovzdávať ich cloudovým službám počas prevádzky. V reálnom čase budú tieto snímače neustále dodávať všetky prevádzkové a environmentálne údaje, ako je teplota alebo vibrácie. Snímače môžu byť integrované napríklad do skrutkových pohonov alebo môžu byť pripevnené externe k osiam a pripojené cez otvorené rozhranie.

Integrovaná, decentralizovaná inteligencia využíva pokročilé algoritmy na odvodenie stavu opotrebovania z týchto údajov, čím umožňuje realizovať údržbu lineárnych osí na základe ich skutočného stavu. Dostupnosť strojov, kvalita, efektívnosť a ďalšie kľúčové informácie budú prúdiť do údajov o celkovej efektívnosti zariadenia (OEE), aby sa zabezpečilo, že každý bude vždy dobre informovaný, kdekoľvek sa nachádza, a bude schopný rýchlo reagovať. Vyhodnotením údajov zo snímačov budú spoločnosti schopné vidieť budúce náznaky opotrebovania alebo inklinácie k chybovému stavu a potrebu vykonania údržby a servisu. Rozšírený servis a údržba budú kľúčovou súčasťou budúcnosti technológie lineárneho pohybu. Tieto pokročilé služby vyhodnotia údaje získané z prevádzky stroja a navrhnú, aká údržba, servis a náhradné diely sú potrebné, aby sa predišlo nežiaducim prestojom. Výsledkom je, že výrobné zariadenia a procesy môžu fungovať s maximálnou efektivitou.

Snímače a iná inteligentná technológia začlenené do ďalšej generácie lineárnych pohybových systémov budú lepšie slúžiť potrebám a prevádzkovým očakávaniam ďalšej generácie automatizačných technikov, ktorí používajú digitálne technológie vo svojom každodennom živote. Rovnako dôležité je, že technológie digitalizovaného lineárneho pohybu poskytnú konštruktérom strojov a koncovým používateľom vo výrobe inteligentné prepojené systémy, ktoré potrebujú na zlepšenie presných výrobných možností v súlade s konceptmi Priemyslu 4.0.

Elektrické lineárne pohony a robotika: ako sa integrujú?

Jedným z hlavných cieľov priemyselnej automatizácie je urobiť procesy inteligentnejšími, čo z hľadiska výroby znamená zvýšenie efektivity a produktivity prostredníctvom integrácie a optimalizácie rôznych technológií, ktoré musia čo najefektívnejšie komunikovať a spolupracovať. Elektrický lineárny pohon je často dokonalým riešením pre aplikácie vyžadujúce presnosť polohovania s relatívne vysokou nosnosťou a rýchlosťou (15 000 N a 150 mm/s max.). Tieto špecifiká sa môžu prispôsobiť aplikáciám využívajúcim automaticky navádzané vozidlá (z angl. Automatic Guided Vehicles, AGV) alebo automatizovane riadených vozidiel. Výsledkom je ideálna zhoda medzi mobilnými robotmi s niekoľkými funkciami a použitiami a elektrickými lineárnymi pohonmi vďaka ich ľahkej inštalácii, jednoduchosti ovládania a spoľahlivosti.

Hlavné výhody, ktoré elektrické lineárne pohony poskytujú AGV, možno zhrnúť do niekoľkých bodov:

  • používajú elektrický systém, ktorý je dokonale zladiteľný s AGV, ktoré kvôli „obmedzeným“ rozmerom nemôžu mať na palube hydraulické alebo pneumatické komponenty,
  • zvládnu medzipolohy, ponúkajú dobrú opakovateľnosť pohybu a majú vyššiu presnosť v porovnaní s hydraulickými alebo pneumatickými systémami,
  • môžu byť kombinované s akýmkoľvek druhom servomotora vďaka prispôsobeným prírubám s ohľadom na výrazné zvýšenie výkonu,
  • sú relatívne kompaktné z hľadiska celkových rozmerov v porovnaní so silou, ktorú dokážu poskytnúť,
  • nepotrebujú špeciálnu údržbu.

Elektrické lineárne pohony a intralogistika

Presun tovaru, najmä s veľkými rozmermi, vnútri továrne vyžaduje efektívne riešenia. Jedno z najväčších online trhovísk sa rozhodlo na intralogistiku vo svojich skladoch využívať AGV, pretože ide o automatické, bezpečné a rýchle systémy na skladovanie, presúvanie a vychystávanie produktov.

Elektrické lineárne pohony vyvinuté pre túto aplikáciu museli zodpovedať špecifickým potrebám: regulovať výšku nakladacej plošiny AGV podľa druhu a množstva balíkov, ktoré sa majú prepravovať a umiestniť do skladu. Na to treba veľkú flexibilitu, aby sa optimalizovali činnosti operátora a skladu, ktorý preberá „dynamickejšiu“ úlohu. Pre tento projekt boli zvolené lineárne pohony ALI2 DC od spoločnosti MecVel: tento model možno umiestniť do malých priestorov, pričom je zároveň schopný poskytnúť zaťažiteľnosť 2 000/2 500 N pri 20/30 mm/s, zatiaľ čo snímač na palube poskytuje konštantnú spätnú väzbu o polohe dosiahnutej zdvihom.

Trh lineárnych pohybových systémov bude rásť

Trh lineárnych pohybových systémov zahŕňa rôzne komponenty, ako sú lineárne vedenia, guľôčkové a valčekové skrutky, lineárne motory atď., ktoré uľahčujú lineárny pohyb v priemyselných aplikáciách. Tieto systémy ponúkajú vysokú presnosť, nosnosť a plynulý pohyb, vďaka čomu sú ideálne pre automaticky riadené vozidlá, montážne linky, baliace stroje a rôzne iné výrobné procesy. Predpokladá sa, že rastúca potreba automatizácie a rastúci dôraz na prevádzkovú efektivitu v rôznych odvetviach, ako je výroba elektroniky, automobilový, potravinársky a nápojový priemysel atď., povedie k globálnemu dopytu po lineárnych pohybových systémoch. Odhaduje sa, že globálny trh lineárnych pohybových systémov bude mať v roku 2024 hodnotu 12,63 miliárd USD a očakáva sa, že počas prognózovaného obdobia 2024 až 2031 vykáže zložené ročné tempo rastu (CAGR) 18 %.

Očakáva sa tiež, že narastajúci automatizačný trend v rôznych odvetviach spolu s rozvojom Priemyslu 4.0 budú v nadchádzajúcich rokoch viesť k výraznému dopytu po lineárnych pohybových systémoch. Technologický pokrok vrátane prijatia servomotorov, miniaturizácie a integrácie snímačov ďalej zvyšuje možnosti systémov lineárneho pohybu.

Trendy na trhu

Predpokladá sa, že rastúce zavádzanie kolaboratívnych robotov (cobotov) vo výrobných aplikáciách zvýši dopyt po lineárnych pohybových systémoch. Coboty integrované s lineárnym pohybom poskytujú plynulý pohyb pri úlohách, ako je zostavovanie, vyberanie či umiestňovanie. Okrem toho sa predpokladá, že rastúce zameranie na vývoj autonómnych mobilných robotov (AMR) podporí používanie systémov lineárneho pohybu.

Trhové príležitosti

Prijatie elektrických lineárnych pohonov poháňaných obnoviteľnými zdrojmi energie môže predstavovať nové možnosti rastu. Integrácia pokročilých technológií vrátane internetu vecí, umelej inteligencie a prediktívnej údržby poskytuje priestor na vývoj inteligentných systémov lineárneho pohybu s možnosťami vlastného monitorovania. Okrem toho rastúci dopyt po miniaturizácii a prispôsobených riešeniach zo špecializovaných odvetví bude vyžadovať inovatívny vývoj produktov.

Európsky trh lineárnych pohybových systémov

Pokiaľ ide o hodnotu, Európa predstavuje jednu z najväčších častí trhu systémov lineárneho pohybu. Krajiny ako Nemecko, Francúzsko, Spojené kráľovstvo, Taliansko majú veľkú koncentráciu priemyselných odvetví využívajúcich lineárne pohybové zariadenia. Prítomnosť automobilových gigantov, sektora obrábacích strojov, výrobcov elektroniky navyše tento rast trhu podporuje. Európa je svedkom vysokého dopytu po presných zariadeniach s pokročilými technológiami zo strany priemyselných odvetví, ktorých cieľom je nasadzovať koncepty Priemyslu 4.0. Prísne normy kvality a výroby podnecujú vývoj inovatívnych riešení. Vládne iniciatívy podporujúce priemyselnú automatizáciu a Priemysel 4.0 tiež podporujú regionálny trh.

Rast trhu lineárnych motorov poháňa niekoľko faktorov:

  • Dopyt po vysoko presnom riadení pohybu: V odvetviach, kde je prvoradá presnosť, ako je výroba polovodičov, 3D tlač a lekárske zobrazovanie, ponúkajú lineárne motory bezkonkurenčný výkon. Ich schopnosť poskytovať plynulý, vysokorýchlostný pohyb so submikrónovou presnosťou polohovania ich robí nenahraditeľnými pre aplikácie vyžadujúce presné ovládanie a opakovateľnosť.
  • Pokrok v elektromechanických technológiách: Pokračujúci pokrok v elektromechanických systémoch vrátane magnetických materiálov, konštrukcie motora a riadiacich algoritmov podporuje inovácie v technológii lineárnych motorov. Výrobcovia vyvíjajú kompaktné, ľahké a energeticky účinné lineárne motory s vylepšenými výkonnostnými charakteristikami, čo vedie k prijatiu riešení lineárneho pohybu v rôznych aplikáciách.
  • Trendy v oblasti automatizácie a Priemyslu 4.0: Rastúci rozsah automatizácie a koncepty Priemyslu 4.0 poháňa dopyt po pokročilých riešeniach riadenia pohybu na optimalizáciu výrobných procesov, zvýšenie produktivity a zníženie prestojov. Lineárne motory umožňujú bezproblémovú integráciu do automatizovaných systémov, ponúkajú flexibilitu, rýchlosť a presnosť pre úlohy, ako sú operácie typu zober a ulož či montáž a kontrola v inteligentných továrňach a výrobných linkách.
  • Rastúci dopyt v doprave a logistike: Lineárne motory nachádzajú čoraz väčšie uplatnenie v dopravných systémoch vrátane vlakov s magnetickou levitáciou (maglev), lineárnych indukčných motorov (LIM) pre dopravníky a lineárnych pohonov pre automatizované sklady a logistické zariadenia. Tieto aplikácie ťažia z vysokorýchlostnej prevádzky, hladkého zrýchlenia a nízkych požiadaviek na údržbu, ktoré ponúka technológia lineárnych motorov.
  • Nové príležitosti v zdravotníctve a zdravotnej starostlivosti: V medicínskom a zdravotníckom sektore sa lineárne motory využívajú v zobrazovacích zariadeniach, chirurgických robotoch, protetike a rehabilitačných zariadeniach, kde je presné ovládanie pohybu nevyhnutné pre diagnostiku, minimálne invazívne postupy a pohodlie pacienta. Keďže medicínske technológie neustále napredujú, očakáva sa, že dopyt po riešeniach lineárnych motorov v zdravotníckych aplikáciách bude rásť.

Literatúra

[1] Industry 4.0: Are electromechanical linear actuators really the smart choice? ACORN. [online]. Publikované 3. 8. 2020. 
[2] Harvard, W.: Adopting an application-led approach to linear motion tasks resolves electric versus pneumatic dilemma, says Festo. [online]. Publikované 15. 6. 2021. 
[3] Lehman, U.: Precision Manufacturing and the Digitalization of Linear Motion Technology. Power Transmission Engineering. [online]. Publikované jún 2020. 
[4] Linear electric actuators and 4.0 industry principles. MecVel. [online]. Publikované 1. 2. 2021. 
[5] Gire, K.: Linear Motion System Market Will Grow At Highest Pace Owing To Increasing Digitalization And Industrial Automation. [online]. Publikované 15. 2. 2024. 
[6] Mayuri, K.: Linear Motors Market: Transforming Motion Control in Various Industries. [online]. Publikované 5. 3. 2024. 

-tog-