Progettare con sistemi e attuatori lineari: le nuove tendenze

Il ricorso ai sistemi lineari nella progettazione industriale è inevitabile. Questi sistemi sotto forma di guide o attuatori sono presenti in ogni settore: dai trasporti, sia ferroviari che aerei, alle macchine industriali fino alle linee di assemblaggio e packaging. Le tecnologie impiegate in questi sistemi sono note, ma la ricerca e lo sviluppo di soluzioni sempre più performanti, soprattutto in termini di efficienza e affidabilità, rende indispensabile mantenersi aggiornati sulle ultime novità.

Serie di sistemi meccanici lineari come guide lineari, guide telescopiche, attuatori lineari con motore rotativo e trasmissione a cinghia [Credit: Roll On].

Partiamo dalle 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 equipaggiamento 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, guide lineari a sfere o rulli, guide lineari a ricircolo di sfere o guide curve a perni volventi. All’interno di ogni categoria esistono diverse suddivisioni dettate sia dalle applicazioni tecniche sia dagli ambienti di lavoro. Per quanto riguarda le guide lineari con perni volenti 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.

Classico attuatore lineare a cinghia. Struttura e cursore in alluminio anodizzato, motore in posizione trasversale [Credit: Parker].
I perni sono autolubrificanti e di fatto non necessitano di manutenzione, il lubrificante è un classico grasso per cuscinetti volventi come il sapone al litio. Queste soluzioni garantiscono elevate velocità di movimento e ampi intervalli termici di lavoro. Le guide lineari a perni volventi sono comunemente impiegate in un vasto numero di settori:  movimentazione per porte esterne e pedane nel settore ferroviario, movimentazione strumenti di scansione e lettini nel settore medicale, movimentazione carrelli e apparecchiature di pick & place nel settore della logistica, movimentazione di macchinari nel settore industriale. Soluzioni che vanno ad interessare settori simili ma con caratteristiche di applicazione diverse sono le guide lineari con gabbie a sfere o rulli. Queste soluzioni 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. Una terza tipologia di guide lineari è rappresentata dalle 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.

Particolare di vite a ricircolo di sfere.

Le guide lineari a ricircolo di sfere 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. 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

Sistemi di guida telescopica come questo, con elemento intermedio a S e doppia T riescono a raggiungere lunghezze di estrazione pari al 150% della lunghezza del sistema chiuso assicurando comunque flessioni ridotte [Credit: Roll On].
Le guide telescopiche sono un classico per l’estrazione di cassetti industriali, per vani ma anche per lo scorrimento di porte che proteggono macchinario nell’ambito dei trasporti. Sono formate da piste temprate e hanno funzionamenti ad estrazione parziale o totale. Dal punto di vista meccanico sono formate da un elemento fisso, un elemento mobile ed un elemento intermedio. All’interfaccia tra elemento intermedio e elemento mobile o fisso si trovano delle gabbie di sfere o perni volventi per assicurare il moto relativo tra le parti. 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

Classico attuatore lineare a cinghia. Struttura e cursore in alluminio anodizzato, motore in posizione trasversale [Credit: Parker].
Fino ad adesso ci siamo limitati a sistemi che veicolano il moto in modo lineare, sistemi che potremmo definire passivi. I produttori di sistemi lineari, tuttavia, accanto ad offerte che interessano guide lineari o telescopiche propongono anche una scelta di attuatori. Da un punto di vista  commerciale gli attuatori hanno un’ampia differenziazione. Il mercato offre infatti carichi di lavoro differenti, ingombri differenti, resistenze ad ambienti di lavoro differenti e così via. Le soluzioni presentano una certa variabilità anche dal punto di vista meccanico soprattutto dal punto di vista di motore e trasmissione. Ma entriamo più nel dettaglio.

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. Terminiamo questo approfondimento con una 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.

 

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