Tendenze tecnologiche delle valvole pneumatiche.

Pubblicato il 11 novembre 2002

Valvole di bassa potenza

La realizzazione di valvole a basso consumo energetico si rende necessaria sia per l’applicazione di tali componenti in circuiti a sicurezza intrinseca, sia nel caso in cui si voglia alimentare le valvole direttamente mediante field bus. È possibile, in tal modo, velocizzare enormemente la trasmissione dei segnali ed incrementarne l’affidabilità, garantendo un’immunità ai disturbi. Per di più, la riduzione di potenza in ingresso diviene una necessità tanto più stringente quanto più si riducono le dimensioni, viste le maggiori difficoltà di smaltimento del calore generato in fase di alimentazione. Gli attuatori piezoelettrici si prestano bene a realizzare tale scopo, poiché assorbono una potenza molto bassa per effettuare la corsa di attuazione, praticamente nulla per conservare la posizione raggiunta. La tipica configurazione di valvole di bassa potenza ad azionamento piezoelettrico è quella illustrata in figura 6: una lamina piezoelettrica provoca la chiusura o l’apertura di due ugelli, realizzando la funzione di una valvola tre vie. Con opportune modifiche agli ugelli ed al controllo elettronico, essa è in grado di lavorare in proporzionale. È già disponibile sul mercato una valvola pilota di questo tipo, che richiede per l’azionamento una potenza di qualche decina di mW. È, invece, ancora in fase di ottimizzazione un prototipo di pilota piezoelettrico [4], che esplica la funzione di una valvola 4/3. La particolare soluzione costruttiva adottata, visibile in figura 7, consente di limitare le fughe, e quindi le perdite di energia pneumatica, nella fase intermedia della corsa dell’attuatore. Tale stadio pilota è stato integrato in un sistema che comprende lo stadio di amplificazione pneumatica, l’elettronica di controllo, un sensore di posizione ed un’interfaccia field bus. La valvola completa richiede una potenza di azionamento inferiore ad 1 W. Un principio di azionamento differente è stato applicato per la realizzazione dello stadio pilota del componente integrato visibile in figura 8. Le onde acustiche emesse da un disco piezoelettrico, eccitato ad alta frequenza, provocano la transizione laminare turbolenta di un getto fluido, in transito tra i due ugelli di un elemento fluidico [5]. Il segnale pneumatico digitale ottenuto in uscita è opportunamente amplificato. È stato predisposto un riduttore di pressione miniaturizzato, per la corretta alimentazione dell’elemento fluidico. Il consumo di potenza elettrica è dell’ordine di qualche decina di mW.

Componenti modulari

Contrariamente a quel che accade nel settore automobilistico, i volumi produttivi delle aziende costruttrici di valvole sono tali da non giustificare la realizzazione di componenti progettati ad hoc sulla base delle specifiche fornite dal singolo cliente.
Pertanto, la flessibilità è una caratteristica fondamentale del prodotto. La strategia individuata consiste nella realizzazione di kit di componenti modulari, facilmente assemblabili, così che sia possibile abilitare, in fase di allestimento di un circuito, funzioni, magari non previste come necessarie in fase di progetto. A tal fine, diventa indispensabile assicurare l’intercambiabilità dei componenti e, quindi, la standardizzazione delle connessioni. La figura 9 illustra il concetto di interconnessione mediante specifici bus, così da consentire il trasporto di energia o segnali tra componenti di diversa natura.

Cosa dire

La possibilità di trasferire al settore pneumatico le conoscenze maturate in campo elettronico, per dotare i componenti di maggiore “intelligenza”, la disponibilità di nuovi materiali, quali piezoceramici e fluidi elettroreologici, e le nuove tecnologie di produzione costituiscono un terreno fertile per lo sviluppo di nuove soluzioni. I margini di miglioramento del settore pneumatico possono quindi ritenersi ampi.