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Scegli il miglior dispositivo di posizionamento lineare per la tua applicazione

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Sistema cartesiano di movimentazione "pick-and-place"

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Ripassare le nozioni di base sui dispositivi di posizionamento lineare più diffusi aiuterà gli utenti a specificarli correttamente nelle loro applicazioni.

I sistemi di azionamento lineare sono in uso da migliaia di anni: già gli antichi egizi utilizzavano tronchi d’albero per spostare pesanti blocchi di pietra, gettando le basi per le soluzioni di movimento lineare odierne, quali le viti a ricircolo di sfere e i sistemi a pignone a rulli. Oggi, la tecnologia del movimento lineare viene impiegata per sostenere, posizionare, guidare e spostare componenti di macchinari in una vasta gamma di applicazioni nei settori aerospaziale, delle macchine utensili, medico, dell’automazione industriale e dell’imballaggio, tra gli altri. Sebbene i requisiti fondamentali della tecnologia del movimento lineare siano la capacità di sostenere carichi e la precisione di movimento, in molti casi sono importanti anche altri requisiti.

La tecnologia di azionamento lineare utilizzata in un prodotto svolge un ruolo fondamentale nel garantire funzionalità, prestazioni, durata, consumo energetico e altre caratteristiche che consentono al prodotto di superare la concorrenza. Gli ingegneri possono scegliere tra una vasta gamma di soluzioni di azionamento lineare, quali viti senza fine, viti a ricircolo di sfere, sistemi a pignone e cremagliera, trasmissioni a cinghia, motori lineari e sistemi a pignone a rulli. È fondamentale valutare attentamente tutte le opzioni disponibili per evitare problemi comuni quali scarsa precisione, gioco/vibrazioni, costi elevati, condizioni operative in presenza di sporcizia, elevata manutenzione, bassa capacità di carico, rumore eccessivo, bassa velocità e così via. Un processo di selezione sistematico può garantire che la tecnologia di azionamento lineare scelta sia adeguata ai requisiti dell’applicazione. La scelta della tecnologia giusta può inoltre ridurre la complessità progettuale, migliorare le prestazioni e ridurre il costo complessivo di assemblaggio.

1. Viti senza fine
Le viti senza fine utilizzano l’angolo di elica della filettatura per convertire il movimento rotatorio in movimento lineare. L’ampia superficie di contatto scorrevole tra gli elementi maschio e femmina della filettatura genera perdite per attrito relativamente elevate. Di conseguenza, le viti senza fine sono meno efficienti e meno precise delle viti a ricircolo di sfere. Le viti senza fine offrono una capacità di carico relativamente elevata, sebbene in genere inferiore a quella delle viti a ricircolo di sfere. Un vantaggio fondamentale delle viti senza fine è il basso costo: in genere costano solo un decimo rispetto alle viti a ricircolo di sfere equivalenti. Le viti di passo sono disponibili in una gamma di passi diversi, il che significa che il passo può essere selezionato per garantire il giusto equilibrio tra precisione di posizionamento e velocità. Le viti di passo producono generalmente un rumore minimo, purché venga mantenuta una lubrificazione sufficiente. Tuttavia, possono risultare difficili da utilizzare in spostamenti su lunghe distanze, poiché la vite è in genere priva di supporto tra le due estremità.

2. Viti a sfere
L’azionamento a vite a sfere è costituito da una vite a sfere e da un dado a sfere con cuscinetti a ricircolo che rotolano nelle scanalature formate dalla vite e dal dado. La vite a sfere distribuisce il carico su un gran numero di elementi volventi, garantendo un’elevata capacità di carico. L’impiego di un gran numero di elementi volventi di precisione garantisce inoltre elevati livelli di accuratezza. Inoltre, le viti a ricircolo di sfere presentano bassi livelli di attrito. Ciò si traduce in un’elevata efficienza meccanica e in un ridotto fabbisogno di potenza. Il ciclo di lavoro delle viti a sfere è piuttosto elevato poiché generano livelli relativamente bassi di calore da attrito. Tuttavia, rispetto ad altre tecnologie di azionamento lineare, le viti a sfere tendono ad essere costose e richiedono una lubrificazione regolare per garantire una durata ragionevole. Infine, le viti a sfere sono soggette a rumore, causato principalmente dalla ricircolazione delle sfere.

3. Sistemi di trasmissione a cinghia
I sistemi di movimento lineare a cinghia con guide a sfere vengono tipicamente scelti quando velocità elevate, alti tassi di accelerazione e corse lunghe rappresentano i criteri più importanti. Gli attuatori lineari a cinghia con guida a slitta offrono capacità di velocità e accelerazione leggermente inferiori a un costo corrispondentemente più basso. La precisione di posizionamento lineare delle trasmissioni a cinghia, come ci si potrebbe aspettare, non è elevata quanto quella delle viti di comando o delle viti a ricircolo di sfere. La capacità di carico delle trasmissioni a cinghia, sia con guida a sfere che a slitta, è leggermente inferiore rispetto a quella delle viti a ricircolo di sfere. L’allungamento e la rigidità della cinghia rappresentano ulteriori svantaggi. I sistemi di movimento lineare a trasmissione a cinghia sono generalmente in grado di sopportare cicli di lavoro intensi poiché evitano il problema dell’accumulo di calore da attrito nei cuscinetti di una vite senza fine o di una vite a ricircolo di sfere. Ulteriori vantaggi dei sistemi a trasmissione a cinghia includono il fatto che generano relativamente poco rumore e richiedono una manutenzione relativamente ridotta.

4. Trasmissioni a catena
Le trasmissioni a catena convertono il movimento rotatorio in movimento lineare attraverso una serie di maglie che si innestano in un pignone dentato e in una slitta lineare. Essendo in metallo, le trasmissioni a catena presentano un vantaggio rispetto a quelle a cinghia. Inoltre, occupano meno spazio rispetto alle trasmissioni a cinghia e non sono soggette a danni causati da olio, grasso, luce solare o invecchiamento. A differenza delle trasmissioni a cinghia, le trasmissioni a catena sono in grado di funzionare anche in condizioni di umidità. D’altra parte, le trasmissioni a catena generano in genere più rumore e tendono a vibrare maggiormente rispetto a quelle a cinghia, oltre ad avere una capacità di carico e una durata inferiori rispetto alle trasmissioni a ingranaggi.

5. Motori lineari
I motori lineari si basano sul concetto di “srotolamento” di un servomotore rotativo convenzionale, in cui lo statore diventa un forcer e il rotore si trasforma in una bobina o in una guida magnetica. I motori lineari consentono di ottenere un movimento lineare diretto senza alcun dispositivo di trasmissione da rotazione a movimento lineare. I motori lineari a spazzole utilizzano bobine nella guida lineare e magneti nel forcer. Le spazzole presenti nel forcer entrano in contatto con una barra che corre lungo tutta la lunghezza del motore per garantire la commutazione. Sia gli avvolgimenti che il forcer sono contenuti all’interno del forcer di un motore lineare a passi. I vantaggi dei motori lineari includono velocità elevate, alti livelli di precisione e risposta rapida. I limiti di questo approccio includono il costo elevato, le dimensioni ingombranti e la generazione di notevoli quantità di calore. I motori lineari presentano inoltre una bassa capacità; il paragone è simile a quello tra i motori a trasmissione diretta e quelli con riduttore: il motore a trasmissione diretta deve essere significativamente più grande per ottenere la stessa capacità.

6. Sistemi a pignone e cremagliera
I gruppi pignone e cremagliera sono costituiti da un ingranaggio circolare chiamato pignone che si innesta nei denti di un ingranaggio lineare chiamato cremagliera per convertire il movimento rotatorio in movimento lineare. Gli ingranaggi a pignone e cremagliera sono comunemente utilizzati come attuatori lineari in un’ampia gamma di macchinari. Ad esempio, vengono impiegati per muovere gli assi delle macchine utensili a controllo numerico (CNC), come i centri di lavoro. Le cremagliere elicoidali offrono un funzionamento più silenzioso alle alte velocità e una maggiore capacità di carico grazie al rapporto di contatto dei denti più elevato. La lubrificazione è importante per garantire una lunga durata dei gruppi a pignone e cremagliera. Poiché questi gruppi hanno un numero relativamente ridotto di componenti, consentono di risparmiare tempo durante l’installazione e aumentano l’affidabilità. Offrono inoltre elevati livelli di precisione anche su corse di lunga lunghezza. Tra gli svantaggi dei gruppi a pignone e cremagliera vi sono i livelli di attrito relativamente elevati, che ne riducono l’efficienza, aumentano il consumo energetico e ne limitano la durata. Inoltre, gli azionamenti a pignone e cremagliera devono funzionare con un gioco, pertanto il gioco angolare può rappresentare uno svantaggio significativo.

Tutti questi sistemi di azionamento lineare presentano una combinazione unica di vantaggi e svantaggi. Per applicare il tipo corretto di tecnologia di movimento lineare in una particolare applicazione, il progettista dovrebbe valutare attentamente le capacità specifiche di ciascuna alternativa. La scelta della tecnologia adeguata può migliorare le prestazioni, garantire una lunga durata e ridurre il costo complessivo dell’assemblaggio.