Ecco un paio di domande che ingegneri e progettisti dovrebbero porsi prima di scegliere gli attuatori lineari.

I progettisti che si apprestano a scegliere un attuatore lineare per uno specifico dispositivo o macchinario dovrebbero avere a disposizione un elenco di domande da porre ai fornitori e ai produttori di tali dispositivi. Questi elenchi solitamente contengono le FAQ (domande frequenti) e la maggior parte delle aziende che vendono attuatori è preparata a rispondere a queste domande. Tuttavia, in molti casi, i fornitori si aspettano che i potenziali acquirenti pongano altre domande, forse più approfondite e rivelatrici: le cosiddette domande meno frequenti (iFAQ).

Ecco un paio di domande che gli ingegneri dovrebbero porsi quando considerano la specifica di attuatori lineari.

D. Ho bisogno di velocità e precisione su una lunga distanza. Che tipo di attuatore dovrei usare?

A. È una domanda intelligente. Molti progettisti sovrastimano la precisione dei motori e degli attuatori tradizionali su lunghe corse. Credono erroneamente che se un attuatore funziona bene su brevi distanze, funzionerà altrettanto bene su lunghe. Sebbene molti tipi di sistemi lineari soddisfino due dei tre requisiti che i progettisti in genere desiderano (lunghe corse, alta velocità e alta precisione di posizionamento), gli attuatori a motore lineare sono gli unici a fornirli tutti e tre senza compromessi. Sono spesso utilizzati nella produzione di semiconduttori, nell'ispezione di componenti elettronici di consumo, in applicazioni mediche e biologiche, nelle macchine utensili, nella stampa e nel confezionamento.

Per fornire un po' di contesto, definiamo i motori lineari. In sostanza, un motore lineare è un motore rotativo che è stato svolto e disposto orizzontalmente. Ciò consente al motore di accoppiarsi direttamente al carico lineare. Al contrario, altri progetti utilizzano un motore rotativo e lo accoppiano tramite un sistema meccanico, che può introdurre gioco, perdite di efficienza e altre imprecisioni. I motori lineari tendono inoltre ad avere velocità massime più elevate rispetto alle viti a ricircolo di sfere della stessa corsa.

Oggi si utilizzano principalmente tre tipi di motori lineari. Il primo è quello con nucleo in ferro, in cui le bobine sono avvolte attorno a denti in materiale ferroso e rivestiti con un laminato. Questi motori offrono la massima forza per unità di volume e un buon trasferimento di calore, e sono generalmente i meno costosi. Tuttavia, la presenza di ferro nel motore comporta un aumento del cogging (coppia generata dalle interazioni tra i magneti del motore), pertanto sono spesso meno precisi rispetto al secondo tipo, i motori lineari senza ferro.

Come suggerisce il nome, i motori lineari senza nucleo in ferro non contengono ferro al loro interno. Il conduttore è essenzialmente una piastra in resina epossidica in cui sono inserite bobine di rame avvolte strettamente. Scorre tra due file di magneti contrapposti (questo tipo di guida magnetica è anche noto come guida a U). Una barra distanziatrice lungo un lato dei magneti li collega. I principali vantaggi dei motori senza nucleo in ferro sono le forze di attrazione inferiori e l'assenza di cogging. Questo li rende più precisi dei motori con nucleo in ferro. Tuttavia, la presenza di due file di magneti rende le unità senza nucleo in ferro più costose rispetto alle versioni con nucleo in ferro. Anche la gestione del trasferimento di calore può essere complessa, quindi è importante valutare fin da subito se una particolare applicazione rischia di surriscaldarsi. I motori senza nucleo in ferro più recenti presentano bobine sovrapposte che offrono una maggiore superficie di contatto per la dissipazione del calore. Questa configurazione consente inoltre al motore di raggiungere una maggiore densità di forza.

Il terzo e ultimo tipo è rappresentato dai motori lineari senza cave, che sono sostanzialmente ibridi dei primi due tipi. Un motore senza cave ha una singola fila di magneti, come il motore con nucleo in ferro, il che contribuisce a mantenerne il prezzo più basso. Un nucleo in ferro laminato garantisce un buon trasferimento di calore, nonché forze di attrazione e cogging inferiori rispetto ai motori con nucleo in ferro. I motori senza cave offrono anche il vantaggio di un profilo più basso rispetto a quelli senza nucleo in ferro, oltre al prezzo inferiore. Per i progettisti che danno priorità alla riduzione delle dimensioni dei componenti nelle loro macchine, ogni millimetro di spazio risparmiato può essere cruciale.

D. Come posso sapere se un determinato attuatore è adatto all'uso in uno specifico ambiente?

A. Troppo spesso, i progettisti scelgono gli attuatori isolatamente, senza considerare il contesto di utilizzo. Gli attuatori lineari sono dotati di componenti mobili critici che funzionano correttamente solo negli ambienti per i quali sono stati progettati e realizzati. L'utilizzo di un attuatore lineare inadeguato può causare problemi che vanno da un funzionamento improprio a danni irreparabili all'attuatore stesso. Per applicazioni in ambienti "sporchi", come ad esempio un utensile da taglio che proietta particelle e trucioli, l'attuatore richiederà sigillatura e schermatura per proteggerlo dai contaminanti.

Da un punto di vista opposto, un attuatore privo di un'adeguata protezione può introdurre contaminanti in un ambiente pulito, compromettendo l'applicazione. La normale usura, nel tempo, può causare la generazione di particelle da parte degli stadi lineari. Nelle camere bianche o negli ambienti sottovuoto è spesso obbligatorio utilizzare apparecchiature che non rilasciano particelle, pertanto è fondamentale che gli attuatori impiegati in tali ambienti siano dotati di guarnizioni e schermi per impedire l'ingresso di particelle nell'ambiente. Alcuni dispositivi meccanici che forniscono un movimento lineare, come quelli utilizzati nella lavorazione dei semiconduttori, si muovono solo di pochi micron alla volta, quindi anche la minima quantità di contaminazione può compromettere e rovinare un'applicazione.

Le guarnizioni e le schermature proteggono i componenti critici dall'esposizione ad ambienti ostili, consentendo agli attuatori lineari di funzionare come previsto. In ambienti puliti, le guarnizioni e le schermature proteggono l'ambiente di applicazione da possibili contaminanti generati dall'attuatore, non dall'attuatore stesso. Oltre alle guarnizioni e alle schermature, gli attuatori lineari personalizzati possono essere progettati con porte a pressione positiva che espellono i contaminanti dall'interno dell'unità, massimizzando le prestazioni e la durata del ciclo di vita.

Nella scelta degli attuatori lineari è necessario considerare una serie di fattori ambientali. Tra questi, la temperatura ambiente, la presenza di umidità, l'esposizione a sostanze chimiche e gas (diversi dall'aria ambiente), le radiazioni, il livello di pressione dell'aria (per applicazioni che vengono eseguite sottovuoto), la pulizia e la presenza di apparecchiature nelle vicinanze. Ad esempio, è presente un'apparecchiatura nelle vicinanze che potrebbe trasmettere vibrazioni in grado di influenzare le prestazioni dello stadio lineare?

Il grado di protezione IP (Ingress Protection) di uno stadio lineare, generalmente indicato nelle specifiche tecniche, specifica se esso offre un'adeguata protezione da determinati ambienti. I gradi IP definiscono i livelli di efficacia delle guarnizioni di un involucro contro l'intrusione di corpi estranei (polvere e sporco) e vari livelli di umidità.

La classificazione degli involucri è indicata dalla sigla "IP-" seguita da due cifre. La prima cifra indica il grado di protezione da parti in movimento e corpi estranei. La seconda cifra identifica il livello di protezione contro l'esposizione a diversi livelli di umidità (da gocce a spruzzi fino all'immersione totale).

Verificare il grado di protezione IP di un attuatore nelle prime fasi del processo di selezione offre un modo rapido e semplice per escludere le unità non adatte all'ambiente di lavoro. Ad esempio, un attuatore con grado IP30 non offre protezione contro l'umidità, ma impedisce l'ingresso di oggetti di dimensioni pari a quelle di un dito. Se la protezione dall'umidità è essenziale, è consigliabile optare per un attuatore con un grado di protezione superiore, come IP54, che offre protezione contro polvere e spruzzi d'acqua. Gli attuatori senza protezione contro l'intrusione o l'umidità possono tuttavia rappresentare un'alternativa economica per ambienti in cui la presenza di contaminanti non costituisce un problema.