Servovalvole, cosa cambia con Domin

Valvole servo-proporzionali e servovalvole sono dei “mostri sacri” dell’oleodinamica. Ma anche in questo settore le nuove tecnologie, come la stampa 3D, stanno rendendo possibili importanti rivoluzioni. Nuove e interessanti strade si stanno aprendo per contrastare l’avanzata dell’attuazione elettrica. Vediamo il caso di Domin, un’azienda inglese dinamica e molto innovativa.

Il settore dell’oleodinamica è spesso considerato un ambito in cui le innovazioni tecnologiche trovano lenta e scarsa applicazione. L’oleodinamica non è l’elettronica e spesso il termine oleodinamica viene utilizzato come sinonimo di affidabile e duraturo.

Soluzioni poco efficienti dal punto di vista energetico, ma molto rassicuranti dal punto di vista affidabilistico, vengono spesso preferite, solitamente negli impianti industriali, a soluzioni energeticamente più efficienti ma meno affidabili. Il discorso è piuttosto differente guardando al settore mobile, dove l’aspetto energetico e controllistico diventa preponderante.

Negli ultimi tempi, però, diversi produttori stanno proponendo soluzioni tecnologiche particolarmente innovative, anche per il settore industriale. Non fosse altro perché il peso della concorrenza “dell’elettrico” si fa sentire in modo pressante.

Tra le varie soluzioni particolarmente avanzate che si sono affacciate sul mercato negli ultimi tempi, mi ha particolarmente colpito quella presentata dalla Domin Fluid Power Limited, con sede a Bristol, in Inghilterra, conosciuta grazie alla personale amicizia che mi lega ad Alessandro D’Angelo, direttore commerciale dell’azienda, che ringrazio fin da subito per il materiale che mi ha fornito per la realizzazione di questo articolo.

Ma facciamo subito il punto della situazione, cercando di capire come funziona una servovalvola tradizionale e quale sia il principio di funzionamento delle nuove valvole Domin.

La valvola servo-proporzionale

Il più semplice controllo della movimentazione mediante attuatori idraulici si può ottenere mediante delle valvole servo-proporzionali. Tali organi di controllo impiegano un cursore che presenta diverse lavorazioni meccaniche e che viene azionato mediante un solenoide proporzionale a elevata dinamica. In genere questa tipologia di valvole viene controllata in anello chiuso mediante un trasduttore lineare LVDT.

Una particolarità di queste valvole, come si diceva, è data dalla presenza nel cursore, o cassetto, o spola, di alcuni intagli aventi una forma particolare e noti con il nome di notchs. In funzione della forma assunta da questi intagli cambia la legge che lega lo spostamento del cassetto alla portata che attraversa la valvola. Un esempio qualitativo della legge di apertura della valvola è riportato in figura 2.

Si notano due caratteristiche fondamentali delle valvole proporzionali: (i) la banda morta, ossia una zona in cui, seppur la corrente inviata al solenoide è diversa da zero, la portata è nulla; (ii) la legge di apertura è non lineare.

L’ampiezza della banda morta e la proporzionalità tra corrente e portata dipendono dalla forma dei notchs.

Le lavorazioni a forma di anello che si vedono sul cassetto hanno invece funzione stabilizzante, per garantire l’assenza di impuntamenti durante l’azionamento della valvola. La mancanza di simmetria rispetto all’asse Y, che mostra il grafico di figura 2 è spesso voluta per questioni funzionali legate all’applicazione.

Sebbene le lavorazioni meccaniche da realizzare sul cassetto siano piuttosto complesse e costose, la valvola servo-proporzionale presenta maggiore semplicità costruttiva rispetto a una servovalvola doppio stadio, per via della mancanza di uno stadio pilota e per le conseguenti minori lavorazioni necessarie sul corpo valvola.

In generale, altre caratteristiche tipiche di queste valvole sono: corsa di azionamento lunga, isteresi e precisione peggiori rispetto a una servovalvola, e risposta dinamica inferiore, come illustrato nel diagramma logaritmico di figura 3, dove si vede che superati i 4 Hz la valvola presenta un decadimento della risposta superiore a 3 dB, ossia il segnale presenta un’ampiezza dimezzata oltre questa frequenza.

In sostanza, ciò significa che la precisione del controllo è buona solo per frequenze di azionamento inferiori a 4 Hz. Tradizionalmente le servovalvole proporzionali sono molto più grandi e ingombranti delle servovalvole a doppio stadio; quindi, tendono a essere inadatte per applicazioni in cui spazio e peso sono importanti.

La servovalvola doppio stadio

Una servovalvola a doppio stadio è composta da due elementi separati: lo stadio di pilotaggio e lo stadio di potenza, come illustrato in figura 4. Lo stadio di pilotaggio, come dice il nome, utilizza la pressione presente nel circuito di pilotaggio (solitamente non superiore a 30 bar) per generare la forza di attuazione necessaria a muovere lo stadio di potenza.

Nello stadio di pilotaggio le portate attraversanti sono basse e quindi anche le conseguenti perdite di carico. Lo stadio di pilotaggio genera un segnale di pressione che viene utilizzato per azionare lo stadio di potenza.

In sostanza, gestendo, ad esempio mediante dei solenoidi, l’attuazione dello stadio di pilotaggio, che per via delle pressioni e portate ridotte richiede una bassa potenza di attuazione, è possibile controllare lo spostamento della spola nello stadio di potenza, che al contrario gestisce delle portate e pressioni ben più elevate.

Grazie al gioco di aree tra stadio di pilotaggio e di potenza è possibile creare un effetto di amplificazione del segnale.

A seconda del sistema di azionamento impiegato per lo stadio pilota è possibile ottenere delle risposte dinamiche notevolmente superiori a quelle delle valvole servo-proporzionali, come illustrato qualitativamente nel diagramma logaritmico di figura 5.

Ridurre le perdite parassite è fondamentale per gli utenti delle valvole. Si è visto che le valvole a doppio stadio richiedono una, seppur minima, potenza di attuazione costantemente dissipata, per poter mantenere sempre attivo lo stadio di pilotaggio.

Invece di affrontare la causa principale delle perdite parassite, i produttori tradizionali tendono a trovare soluzioni alternative come la riduzione delle dimensioni dell’apertura di controllo dello stadio di pilotaggio nella valvola, per renderla più piccola possibile; ciò però aumenta il rischio che i detriti nell’olio possano causare blocchi e impediscano il funzionamento della valvola.

È quindi necessario impiegare dei livelli di filtrazione particolarmente spinti per evitare che lo stadio di pilotaggio si blocchi.

Uno dei principali vantaggi delle tradizionali valvole a doppio stadio è che sono piccole, compatte e leggere, il che le rende ideali per settori come l’aviazione, l’automotive e la robotica, dove spazio e peso sono importanti. Ma soprattutto, garantiscono un’elevata risposta dinamica, poiché, come abbiamo visto, riescono a essere stabili fin oltre i 200 Hz.

La servovalvola ad attuatore rotativo di Domin

Domin ha aperto la strada a una nuova reinterpretazione delle valvole servo-proporzionali, cercando di mettere assieme la semplicità costruttiva di queste, con la velocità e la precisione delle servovalvole a doppio stadio.

Il cuore dell’innovazione consiste nello sfruttare le potenzialità della stampa 3D per poter lavorare il corpo della valvola in modo opportuno, al fine di poter sfruttare le potenzialità di precisione e stabilità offerte dai motori brushless.

In figura 7, ad esempio, è riportato uno lo schema funzionale della valvola S4 Pro di Domin. A differenza delle normali valvole servo-proporzionali, in cui il cassetto si muove di moto rettilineo, qui il cassetto si muove in rotazione, aprendo e chiudendo le luci di passaggio nel corpo valvola che è stato realizzato mediante stampa 3D.

Questa soluzione, ovviamente brevettata, permette di ottenere, nel caso della valvola S4 Pro, un range di portate da 0,7 l/min a 18 l/min, con una larghezza di banda di 200 Hz. Inoltre, a differenza delle normali valvole servo-proporzionali, la S4 Pro garantisce una caratteristica perfettamente lineare tra comando e portata. 

La valvola S4 Pro consuma 2W in condizioni di stand-by e meno di 100W a massima apertura e pesa solo 290 grammi, compresa di elettronica di controllo integrata. 

I vantaggi legati all’impiego della stampa 3D non si esauriscono qui, perché, a differenza delle normali valvole servo-proporzionali, dove è necessario realizzare delle costose lavorazioni meccaniche sul cassetto per poter regolare la legge di apertura delle luci, la tecnologia impiegata da Domin si concentra sul corpo valvola e permette di poter fare il “tuning” della legge di apertura secondo le richieste del cliente.

A differenza del modello S4 Pro, dove l’attuazione del cassetto si ottiene facendolo ruotare mediante un collegamento in asse con un motore brushless, nel modello S6 Pro il cassetto si muove assialmente, come nelle tradizionali valvole servo-proporzionali comandate mediante solenoidi.

Ma in questo caso, l’azionamento è, ancora una volta, garantito da un motore brushless, collegato mediante un eccentrico al cassetto. Le lavorazioni sensibili sono realizzate anche in questo caso non sul cassetto ma sul corpo valvola, sfruttando la stampa 3D.

La valvola S6 Pro (NG6) elabora 63 l/min e garantisce una ampiezza di banda superiore ai 250 Hz, con un peso inferiore agli 600 grammi.

Anche in questo caso, l’elettronica di controllo è tutta integrata nel corpo valvola, la quale può essere comandata mediante un semplice comando in tensione o in corrente, al pari delle normali valvole servo-proporzionali in commercio.

Ciò aggiunge un altro vantaggio: la totale intercambiabilità rispetto alle soluzioni tradizionali. L’innovazione è tutta dentro la valvola, il cliente non si accorge di niente e non viene richiesto nessun accorgimento particolare per poter installare i prodotti Domin, rispetto a uno della concorrenza.

E se 63 l/min sembrano pochi, Domin ha in catalogo anche la versione S10 Pro (NG10), che arriva a gestire portate fino a 250 l/min, con un’ampiezza di banda di oltre 100 Hz.

Anche per questa taglia di valvole la potenza assorbita in stand-by è molto bassa, circa 25 W, mentre la potenza di picco, che viene richiesta solo quando si vuole controllare la valvola alle massime portate e frequenze ammissibili, è di circa 450 W.

Entro la fine dell’anno, Domin presenterà altri due nuovi modelli di valvole: la S12 Pro (NG16) e la S14 Pro (NG25), ampliando la gamma fino a 1500 l/min.

Domin è un’azienda molto dinamica e brillante e si sta facendo rapidamente strada nel fluid power mondiale. L’azienda è in costante crescita, tant’è che aprendo il suo sito internet è possibile notare che vi sono diverse posizioni aperte al momento, segno che Domin si sta espandendo rapidamente.

La stampa 3D sta dando modo di portare la rivoluzione anche in ambiti “sacri” dell’oleodinamica, come il settore delle valvole. La sfida è lanciata, sarà interessante vedere come risponderanno i concorrenti.

Nota: l’autore ringrazia Alessandro D’Angelo e Claudia Effra-Hume di Domin Limited, per la preziosa collaborazione e la disponibilità.