Guide lineari
Per guida lineare si intende una qualsiasi guida progettata per consentire il moto lungo un’unica direzione. Il sistema meccanico base è costituito da una guida, un cursore, un meccanismo che permette il moto relativo come perni volventi o gabbie a sfere e da vari accessori di tenuta, lubrificazione e detersione. L’offerta del mercato è molto ampia e molto ampi sono i campi di applicazione. Una prima classificazione può essere fatta in base ai vari sistemi meccanici impiegati, si possono avere infatti guide:
- lineari a perni volventi
- lineari a sfere o rulli
- lineari a ricircolo di sfere
- curve a perni volventi
All’interno di ogni categoria esistono diverse suddivisioni dettate sia dalle applicazioni tecniche sia dagli ambienti di lavoro.
1. Guide lineari con perni volventi
Il mercato si sta spostando verso soluzioni sempre più compatte e affidabili. Le guide sono generalmente di acciaio trafilato a freddo con piste per lo scorrimento dei perni temprate e rettificate. I produttori propongono varie tipologie di profilo con diverse sagomature a seconda dei carichi ai quali è sottoposto il cursore. Accoppiando i giusti profili è possibile ottenere soluzioni di vincoli che garantiscono un sistema autoallineante. Sia i cursori che le piste sono disponibili con diversi trattamenti superficiali come zincatura o nichelatura. I perni possono avere protezioni in acciaio o in resine plastiche anti spruzzo. Importanti sono anche i labbri di tenuta e i tergi pista, anche precaricati. I tergi-pista sono soluzioni generalmente in poliammide per la pulizia della pista prima del passaggio dei perni, indispensabili per garantire la durata di vita dei prodotti e la ridotta manutenzione delle guide.
- porte esterne e pedane nel settore ferroviario
- strumenti di scansione e lettini nel settore medicale
- carrelli e apparecchiature di pick & place nel settore della logistica
- macchinari nel settore industriale
2. Guide lineari con gabbie a sfere o rulli
Sono soluzioni che vanno ad interessare settori simili alle precedneti ma con caratteristiche di applicazione diverse; altrettanto affidabili e compatte hanno velocità di movimentazione ridotta, circa un ordine di grandezza in meno rispetto a quelle a perni volventi. In compenso sono in grado di resistere a carichi dinamici e momenti sul cursore fino a 10 volte superiori rispetto alle soluzioni viste in precedenza. A seconda del grado di resistenza alla corrosione, all’aggressività dell’ambiente e delle condizioni di utilizzo i produttori offrono diversi standard (in termini di trattamenti superficiali dei materiali) e diversi protocolli e soluzioni in termini di lubrificazione e di intervallo di manutenzione.
3. Guide a ricircolo di sfere o rulli
Nel sistema meccanico si identificano una guida con profilo ad arco semicircolare e un pattino a sfere. Il profilo ha generalmente angoli di contatto di 45° disposti ad X per poter sostenere carichi da tutte le direzioni. Il pattino è composto da un corpo in acciaio, da sfere o rulli in acciaio, da una piastra di ricircolo e una guarnizione in elastomero e da una guida in materiale plastico a ridotta frizione. Il pattino generalmente prevede anche un beccuccio o nipplo per la lubrificazione delle sfere. L’applicazione a ricircolo di sfere garantisce altissimi standard di pulizia e affidabilità.
Questi sistemi detengono il primato per quanto riguarda l’accelerazione sostenibile dal cursore, arrivando fino a 250 m/s2. I produttori offrono anche soluzioni con cursori allungati o guide con profili allargati, soluzioni che a discapito delle prestazioni in termini di velocità di movimento o accelerazione registrano capacità eccezionali in termini di carichi dinamici e momenti. Queste ultime soluzioni si prestano particolarmente alle applicazioni con guida unica. Le guide lineari a ricircolo possono essere impiegate in tutte le applicazioni in cui è richiesto l’impiego di guide lineari, i campi di applicazione dove trovano maggiormente uso tuttavia, sono le macchine industriali e la robotica.
4. Guide curve a perni volventi
Andiamo a chiudere il capitolo delle guide lineari descrivendo le guide curvilinee. Le guide curvilinee sono applicazioni di nicchia che vengono impiegate quando si richiede un movimento non rettilineo. Il sistema meccanico è composto da una guida con uno o più raggi di curvatura e da un cursore con quattro perni volventi. Tra i perni e il cursore è previsto un gioco che permette la rotazione dei perni al fine di seguire nel modo migliore i raggi di curvatura della guida.
I produttori offrono un catalogo con raggi di riferimento delle guide, è comunque presente anche la possibilità di creare guide con percorsi non lineari conformi a richieste personalizzate, ovviamente ad un costo maggiore. Queste soluzioni trovano impiego in applicazioni come ascensori speciali, porte interne di treni, porte interne di navi o traghetti, industria alimentare.
Guide telescopiche
A secondo della forma dei profili e del sistema di lavoro degli elementi mobili ed intermedi cambiano le possibilità di estrazione, di sostenimento dei carichi dinamici e di autoallineamento. Si parte da semplici elementi fissi a C che si interfacciano direttamente con gli elementi mobili assicurando alta rigidità a discapito dell’estrazione, per poi passare a strutture più complesse che prevedono l’impiego di un elemento intermedio. Si possono avere elementi intermedi a S che assicurando un elevato momento di inerzia. Ulteriori evoluzioni sono sistemi che possono assicurare un’estrazione pari al 150% della lunghezza a riposo grazie all’impiego di quattro elementi: un elemento fisso, due elementi intermedi, uno a S e uno a doppia T e un elemento mobile. L’elemento intermedio a doppia T viene anche impiegato quando si progetta orientandosi a soluzioni ad elevata rigidezza. Quando invece della rigidezza si predilige la leggerezza è possibile impiegare soluzioni di piste in alluminio pressofuso o in lamiera piegata.
Attuatori lineari
Il sistema è generalmente composto da estruso in alluminio, un carrello, sistemi di tenuta e protezione, una trasmissione e un motore. Per quanto riguarda l’estruso in alluminio la sfida progettuale sta nel massimizzare la resistenza meccanica limitando il peso. Il carrello, è anch’esso in alluminio o acciaio. Sono presenti anche delle strip che sigillano l’attuatore per impedire che polvere e impurità vadano ad interferire con il corretto funzionamento del sistema. Passando al lato motore/trasmissione, come detto, si hanno diverse soluzioni. Le più diffuse sono trasmissione a cinghia dentata, pignone/cremagliera, vite a ricircolo di sfere e motore lineare.
Le soluzioni a cinghia dentata sono tra le più diffuse nell’industria in cui leggerezza del sistema e resistenza agli ambienti usuranti è un must. La cinghia è realizzata in resina plastica e anima di rinforzo in acciaio inossidabile. Il sistema è sigillato da una tenuta a doppio labbro e guarnizioni in materiale plastico che assicurano leggerezza e affidabilità. I componenti meccanici come pulegge e cuscinetti sono realizzati seguendo una progettazione volta a minimizzare gli interventi manutentivi. Interessanti sono le applicazioni progettate in maniera specifica per le clean room. Accorgimenti come pompe a vuoto che permettono di rimuovere e concentrare i contaminanti dal centro dell’attuatore a zone di filtraggio o l’adozione di lubrificanti per piste specifici per ridurre la dispersione di agenti indesiderati sono alcuni degli standard che i produttori offrono per le applicazioni da impiegare in queste ambienti.
I sistemi a ricircolo di sfere subentrano a quelli a cinghia quando la precisione non accetta compromessi. Un sistema a ricircolo di sfere riesce a garantire risoluzioni di manovra dell’ordine dei cinque millesimi di millimetro un ordine di grandezza in più rispetto ad un sistema a cinghia. I sistemi a pignone e cremagliera da un punto di vista funzionale possono essere considerati simili a quelli a cinghia. In generale il loro costo e manutenzione è maggiore ma sono in gradi di lavorare con carichi maggiori. Quando, infine, si vuole lavorare con servomeccanismi, è richiesta una elevata frequenza di lavoro e reattività, i motori lineari asincroni restano scelta privilegiata.
Panoramica sui settori di applicazione
Gli attuatori con trasmissione a cinghia e a pignone e cremagliera sono impiegati nella manipolazione, nella logistica, nell’ingegneria di processo per verniciature o incollaggio, nelle clean room, nelle macchine utensili per il caricamento pezzi. Gli attuatori elettrici lineari trovano uso nei settori di pick and place, robot, automazione, ingegneria di processo. I sistemi a ricircolo di sfere in tutti i settori in cui è richiesta elevata precisione, dai macchinari industriali all’aeronautica.
