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Una guida alla scelta dei sistemi lineari

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Azionamento a cinghia, a vite a ricircolo di sfere, a cremagliera, a pignone e cremagliera, a motore lineare, ad azionamento pneumatico.

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Sono finiti i tempi in cui i progettisti e i costruttori di macchine dovevano scegliere tra costruire il proprio sistema lineare partendo da zero o accontentarsi di una gamma limitata di sistemi preassemblati che, nella maggior parte dei casi, si adattavano in modo imperfetto alla loro applicazione. Oggi i costruttori offrono sistemi basati su una gamma di meccanismi di azionamento - viti a ricircolo di sfere, cinghie, cremagliere e pignoni, motori lineari e pneumatica - con opzioni di guida e di alloggiamento per adattarsi praticamente a qualsiasi applicazione, ambiente o vincolo di spazio. Il dilemma per gli ingegneri ora non è tanto quello di trovare un sistema che funzioni per la loro applicazione, quanto piuttosto quello di scegliere la soluzione migliore tra la vasta gamma di configurazioni disponibili.

Per questo processo di selezione sono stati creati molti assistenti. Questi tipicamente prendono la forma di una tabella che mostra i parametri chiave dell'applicazione rispetto al tipo di sistema, con simboli per valutare l'idoneità di ogni sistema per ogni parametro. Anche se questo layout fornisce un rapido riferimento visivo, manca di alcuni dei punti più fini delle capacità e dei punti deboli di ogni sistema. Nel tentativo di scavare un po' più a fondo, il seguente schema esamina i punti di forza e i limiti specifici dei più comuni tipi di sistemi lineari preassemblati.

Sistemi a cinghia

I sistemi di azionamento a cinghia sono probabilmente i più riconosciuti per la loro capacità di percorrere lunghe distanze. Sono anche in grado di raggiungere velocità elevate, poiché i meccanismi di azionamento a cinghia non utilizzano elementi a ricircolo. Se abbinati a guide non a ricircolo, come i rulli a camme o le ruote, i nastri possono tipicamente raggiungere velocità fino a 10 m/s. I sistemi di azionamento a cinghia sono adatti anche per ambienti difficili, poiché non ci sono elementi di rotolamento che possono essere danneggiati da detriti, e il materiale della cinghia in poliuretano può resistere ai più comuni tipi di contaminazione chimica.

Lo svantaggio principale dei sistemi a cinghia è che le cinghie si allungano. Anche le cinghie rinforzate in acciaio, che sono utilizzate dalla maggior parte dei produttori di sistemi, alla fine subiranno un certo allungamento, che degrada la ripetibilità e la precisione della corsa. I sistemi a cinghia hanno anche una maggiore risonanza rispetto ad altri tipi di trasmissione, a causa dell'elasticità della cinghia. Mentre una corretta messa a punto dell'azionamento può compensare questo, le applicazioni con elevati tassi di accelerazione e decelerazione e/o carichi pesanti possono subire tempi di assestamento indesiderati.

Sistemi a vite a ricircolo di sfere

Per elevati carichi di spinta ed elevata precisione di posizionamento, i sistemi a vite a ricircolo di sfere sono generalmente la prima scelta. E per una buona ragione. Con dadi precaricati, le viti a ricircolo di sfere garantiscono un movimento senza gioco e possono raggiungere una precisione di posizionamento e una ripetibilità molto elevate. I conduttori che vanno da 2 mm a 40+ mm consentono inoltre ai sistemi con viti a sfere di soddisfare un'ampia gamma di requisiti di velocità e possono prevenire il backdrive nelle applicazioni verticali.

La lunghezza della corsa è il limite fondamentale dei sistemi con viti a ricircolo di sfere. All'aumentare della lunghezza della vite, la velocità ammissibile diminuisce, a causa della tendenza della vite ad abbassarsi sotto il proprio peso e a subire frustate. I supporti delle viti a ricircolo di sfere possono contribuire a contrastare questo effetto, ma a scapito dello spazio e del costo complessivo del sistema.

Sistemi a pignone e cremagliera

I sistemi a pignone e cremagliera producono elevate forze di spinta e possono farlo con lunghezze di corsa praticamente illimitate. Il loro design consente inoltre di utilizzare più carrelli sullo stesso sistema, il che è utile per applicazioni che richiedono che i carrelli si muovano in modo indipendente, come i grandi sistemi a portale nell'industria dell'imballaggio e automobilistica.

Sebbene siano disponibili sistemi a pignone e cremagliera di alta qualità a gioco ridotto, in generale hanno una precisione di posizionamento inferiore rispetto ad altre opzioni di azionamento. E a seconda del profilo del dente e della qualità della lavorazione, i sistemi a cremagliera e pignone possono produrre un alto livello di rumore rispetto ad altri sistemi lineari.

Sistemi a motore lineare

Tradizionalmente considerati troppo costosi per la maggior parte delle applicazioni, i motori lineari vengono ora utilizzati per il posizionamento e la movimentazione in settori quali l'imballaggio e l'assemblaggio. I costi più bassi hanno contribuito a questa tendenza, ma per gli ingegneri, le caratteristiche interessanti dei motori lineari sono la loro capacità di alta velocità, l'elevata precisione di posizionamento e la bassa necessità di manutenzione. I motori lineari offrono anche la capacità, come i sistemi a pignone e cremagliera, di integrare più carrelli indipendenti su un unico sistema.

Poiché non hanno componenti meccanici per evitare che il carico cada in una condizione di perdita di potenza, i motori lineari sono generalmente sconsigliati per l'uso in applicazioni verticali. Il loro design aperto, insieme alla presenza di potenti magneti, li rende anche suscettibili a contaminazioni e detriti, in particolare trucioli e trucioli di metallo.

Sistemi ad azionamento pneumatico

Quando la fonte di trasmissione di energia preferita è l'aria, i sistemi lineari pneumatici si adattano al progetto. Per un movimento semplice, da punto a punto, i sistemi ad azionamento pneumatico possono essere l'opzione più economica e semplice da integrare. La maggior parte dei sistemi lineari pneumatici sono racchiusi in un alloggiamento di alluminio, che permette di incorporare ammortizzatori di fine corsa e coperture protettive.

I sistemi pneumatici hanno la più bassa precisione e rigidità tra i tipi qui discussi, ma il loro principale limite è l'impossibilità di fermarsi in posizioni intermedie.

Indipendentemente dall'applicazione, quando si considerano le opzioni tra i sistemi lineari preassemblati, si inizia con i quattro parametri principali dell'applicazione: corsa, carico, velocità e precisione. Una volta determinata l'entità e l'importanza di questi criteri, altri parametri, come il rumore, la rigidità e i fattori ambientali, possono aiutare a restringere il campo e a rendere il dimensionamento finale e la selezione meno dispendiosi in termini di tempo.