Aprimorando Ergonomia no Local de Trabalho com Atuadores Elétricos Inteligentes

Atuadores lineares elétricos há muito tempo fornecem benefícios ergonômicos ao automatizar tarefas que são repetitivas, sujas ou perigosas. Recentemente, a integração de inteligência embarcada em atuadores elétricos elevou sua contribuição ergonômica a um novo nível. Recursos inteligentes como controle digital de motor, feedback de posição, sincronização e monitoramento em tempo real tornam ainda mais fácil aplicar automação para melhorar conforto, segurança e eficiência no local de trabalho.

Controle Digital de Motor

Atuadores tradicionais frequentemente dependem de relés grandes e ineficientes energeticamente ou controladores independentes para estender, retrair ou deter os atuadores. Usar eletrônica embarcada para gerenciar a potência pode reduzir a corrente nas chaves ou contatos de 20 A para menos de 22 mA, permitindo um design de sistema mais simples e menos caro. Operadores podem acionar e mudar a direção do atuador a partir de um controle simples.

Imagine um espaço de trabalho onde trabalhadores manuseiam componentes pesando mais de 45 kg e exigem alcance e flexão frequentes. Se sua mesa de trabalho fosse controlada por atuadores equipados com comutação de baixo nível, cada usuário poderia ajustar a altura para um nível que exija mínima flexão ou estiramento, reduzindo a fadiga e melhorando a produtividade (Figura 1).

Embora conjuntos de atuadores tradicionais possam permitir tais ajustes, eles exigiriam comutação de motor externa, que consome mais energia e deve ser feita manualmente. Ao controlar o fluxo do circuito eletronicamente, no entanto, toda essa comutação fica embutida na carcaça do atuador, o que também proporciona um ambiente mais elegante e limpo, sem fiação externa.

Automatizar a comutação do motor também traz benefícios de segurança. Um atuador consome entre 20 e 40 amperes, dependendo da carga. Minimizar a exposição a essa corrente durante instalação e operação permite maior controle ergonômico, ao mesmo tempo que reduz riscos potenciais de choque de relés de alta amperagem.

Feedback Digital de Posição

Atuadores elétricos inteligentes não apenas permitem ajustes finos de posição, mas também fornecem feedback em tempo real sobre a extensão desses ajustes. Eles podem reportar a localização da carga ao longo do curso. No exemplo da mesa de trabalho na Figura 1, eles poderiam capturar dados sobre a localização da carga e compará-los a parâmetros predefinidos para garantir operação consistente.

Junto com o feedback digital de posição vem a capacidade de medir e controlar a velocidade. Suponha que você esteja automatizando a elevação ou descida de uma porta pesada que protege uma máquina específica ou forma uma divisória. O microcontrolador poderia receber contagens de pulsos de um encoder e calcular distância de percurso e velocidade com base no número de pulsos recebidos dentro de um intervalo de tempo definido. Mantendo o exemplo da porta pesada (Figura 3), isso permitiria definir a velocidade para desacelerar conforme atinge o fim do curso, evitando que a porta bata antes que o operador tenha tempo de liberar a abertura.

Feedback Analógico de Posição

Feedback digital de posição é uma das maneiras mais fáceis de medir a velocidade do atuador, mas não é fácil de programar porque não lembra as posições que reporta após perda de energia ou desligamento. Atuadores inteligentes equipados com potenciômetros analógicos, no entanto, podem receber informações exatas de posição de potenciômetros na caixa de engrenagens do atuador, que enviam sinais de tensão que alertam os usuários sobre a velocidade e direção do acionamento — do início ao fim do curso. Eles lembram essa posição, então se a energia for perdida, não há necessidade de retornar a uma posição inicial e reiniciar o dispositivo.

Memória de posição confiável permite o desenvolvimento de aplicações que armazenam configurações ergonômicas para cada usuário, permitindo que o espaço de trabalho seja adaptado a múltiplos indivíduos com base em fatores como altura, procedimentos armazenados ou preferências do usuário.

Sincronização

Os benefícios ergonômicos de atuadores elétricos inteligentes são ainda mais pronunciados quando usados com múltiplos atuadores. Você pode configurar atuadores para ajustar automaticamente a cargas variáveis. Uma aplicação de montagem de aeronave em que cinco ou dez trabalhadores estão finalizando a fuselagem, por exemplo, pode apoiá-los com uma plataforma que deve ser elevada bem acima do solo.

À medida que os trabalhadores se movem pela plataforma, o peso se desloca para diferentes partes da plataforma, causando potencial desequilíbrio. Atuadores inteligentes localizados em vários pontos sob a plataforma (ex.: um em cada canto) poderiam ser configurados para autoajustar-se para compensar à medida que a carga se desloca durante o movimento sincronizado do atuador (Figura 4).

Fazer ajustes que contrabalançam essas cargas variáveis é feito com controle de velocidade e feedback de posicionamento. Atuadores se comunicam entre si através de uma rede interna, leem a velocidade uns dos outros baseada no feedback de posicionamento e ajustam adequadamente.

Fazer isso com feedback digital, no entanto, resulta em um passo trêmulo, que designers podem evitar colocando tanto posição quanto velocidade no loop de feedback e fazendo-os ajustar com base na velocidade de atuação e na posição. Isso fornece um benefício ergonômico que elevará uma carga variável suavemente a partir de múltiplos pontos, compensando cargas de formato estranho, como plataformas, assentos e portas pesadas.

Controlar múltiplos atuadores tradicionais é possível, mas é uma operação imprecisa, demorada e intensiva em mão de obra que coloca tensão adicional nos atuadores, eventualmente levando a travamento ou outro mau funcionamento. A sincronização de atuadores inteligentes remove as suposições e resulta em um movimento equilibrado, suave e bem posicionado.

Monitoramento em Tempo Real

Atuadores elétricos inteligentes podem retornar resultados de monitoramento contínuo para temperatura, corrente, velocidade, tensão e outras variáveis, o que permite monitoramento avançado de condição, diagnóstico e tratamento de erros. Feedback pode aparecer tão rápido quanto dez vezes por segundo, pois o atuador se testa continuamente. Se detecta um problema (ex.: ultrapassar um limite de temperatura), o atuador pode parar no meio do curso ou terminar seu movimento programado — totalmente retraído ou estendido — parar e enviar uma bandeira de erro para o computador, tudo em uma fração de segundo.

Tal feedback permite que usuários se afastem de suas operações para analisar padrões de uso, velocidade e posição para tornar as operações mais amigáveis, seguras e eficientes. Isso é especialmente valioso em configurações de automação de fábrica que integram múltiplos dispositivos (Figura 5). Dados coletados podem mostrar quantas vezes uma estação de trabalho foi elevada e baixada ou quantas vezes uma porta foi aberta e fechada. Isso pode ser comparado ao histórico operacional ou às melhores práticas da indústria para melhorar o design da célula.

Dados operacionais também podem ser cruzados com relatórios de lesões, o que pode apontar a necessidade de mais análises ergonômicas. Se um atuador posicionando uma matriz de crimpagem estivesse constantemente reportando sobrecargas, por exemplo, isso poderia indicar uma taxa de incidência de pessoas se machucando e identificar em qual célula isso está acontecendo, em que horário do dia e quais turnos podem ser impactados.

Diversificar para Sobreviver

Os muitos recursos integrados em atuadores elétricos inteligentes permitem que usuários abordem uma aplicação com simplificação de design em mente. Ter a capacidade de controlar atuadores por meios digitais, fornecer feedback digital ou analógico, permitir sincronização multi-atuador ou adicionar monitoramento em tempo real para métricas fornece as ferramentas necessárias para fazer o trabalho em um único pacote. Agora, quando usuários olham para uma aplicação, podem entregar uma solução de automação que vai além da funcionalidade básica de movimento de ida e volta.

Atuadores elétricos inteligentes fornecem movimento plug-and-play através de múltiplos eixos de processos automatizados sem as complicações de outras tecnologias de automação, como cilindros hidráulicos ou pneumáticos. Ao revisar as necessidades da aplicação antecipadamente, o usuário pode muito bem descobrir que a capacidade do atuador inteligente de controlar movimento, lembrar posição ou fornecer métricas de aplicação pode diferenciá-lo em meio a um mar de outras tecnologias.

À medida que construtores de máquinas e usuários finais olham para o futuro, suas soluções de automação irão além da funcionalidade básica e continuarão a fornecer soluções mais fáceis, maior vida útil do equipamento e segurança a longo prazo.

Quanto mais intrínseca essa capacidade de controle for ao equipamento, menos ela ficará entre o usuário e os benefícios finais que eles esperam. O retorno pode ser encontrado na satisfação do trabalhador, segurança, saúde e produtividade — todos beneficiando todos na cadeia de valor.

Este artigo foi escrito por Chris Diak, Gerente de Vendas de Produtos de Automação na Motion Industries (Birmingham, AL) e Travis Gilmer, Especialista em Linha de Produtos – Atuadores Lineares na Thomson Industries (Radford, VA).