Esaminiamo cinque anelli della catena di elementi progettuali fondamentali per un funzionamento di precisione.

La robustezza di un sistema di movimento lineare dipende dalla solidità dei suoi elementi meccanici ed elettromeccanici, che rappresentano gli anelli più critici della catena. Comprendere ogni componente e caratteristica (e il suo impatto sul risultato finale del progetto) migliora le decisioni e aumenta le probabilità che il progetto finale soddisfi appieno i requisiti dell'applicazione. Dopotutto, il gioco del sistema, la precisione e altri aspetti prestazionali possono essere ricondotti agli elementi utilizzati nella progettazione e nella produzione della vite senza fine, del dado anti-gioco, dei giunti, del motore e della strategia di controllo.

Collaborare con fornitori di sistemi di movimento lineare esperti in tutte le fasi di un progetto è il modo migliore per ottenere prestazioni di alto livello. In definitiva, i sistemi di controllo del movimento ottimizzati sono come un'auto sportiva ad alte prestazioni in cui tutti gli elementi sono ben bilanciati: motore della giusta dimensione + trasmissione adeguata + pneumatici adatti + ottime funzioni di controllo (come freni antibloccaggio e controllo della trazione) = prestazioni eccellenti.

Consideriamo alcuni esempi di progetti che richiedono prestazioni di altissimo livello. In alcune tipologie di stampa 3D, la risoluzione degli strati viene ridotta fino a 10 µm per strato. Nei dispositivi medici, le unità di erogazione devono dosare farmaci salvavita con precisione microlitrica. Lo stesso livello di precisione si riscontra nelle apparecchiature ottiche e di scansione, nelle macchine per la lavorazione di chip e wafer nell'industria dei semiconduttori e nell'automazione di laboratorio.

Solo i sistemi di movimento lineare progettati con un approccio olistico alla selezione e all'integrazione dei componenti possono soddisfare questi requisiti prestazionali sempre più elevati. Spesso la soluzione più adatta per queste realizzazioni è un sistema a vite e dado motorizzato con un'architettura di controllo appropriata. Analizziamo quindi i principali aspetti e le caratteristiche prestazionali di ciascun elemento in questo tipo di assemblaggio lineare.

Collegamento uno: Qualità della vite senza fine e del dado

Le viti a ricircolo di sfere esistono da decenni in varie forme, con una vasta gamma di design e materiali per i dadi. Per gran parte di questo tempo, le macchine utilizzate per la produzione di viti a ricircolo di sfere venivano regolate manualmente, limitando la qualità alle capacità della macchina e all'abilità dell'operatore. La maggior parte dei produttori oggi utilizza ancora questo tipo di attrezzatura, ma i moderni processi automatizzati stanno portando la qualità delle viti a ricircolo di sfere a un livello superiore.

Ad esempio, tali operazioni utilizzano un sistema di alimentazione CNC, regolazione dell'inclinazione e controllo della pressione per il processo di filettatura a rulli, al fine di ottenere filettature della vite senza fine dalla forma più uniforme. La finitura superficiale di queste viti senza fine è costantemente liscia e priva di abrasioni che potrebbero lacerare i dadi in polimero, garantendo una precisione e una durata del sistema senza precedenti.

Allo stesso tempo, tecniche avanzate di metrologia e ispezione che tracciano la forma e il profilo delle filettature delle viti di comando mostrano risultati con precisioni di passo punto a punto fino a tre volte superiori a quelle dei metodi manuali tradizionali. Ciò consente di mantenere costantemente precisioni di passo fino a 0,003 pollici/piede lungo tutta la lunghezza della vite.

Per le applicazioni di trasporto, in cui un oggetto viene spostato da un punto all'altro lungo un asse, il metodo tradizionale di verifica della precisione del passo ogni 300 mm o sei pollici è adeguato. Tuttavia, per le applicazioni di massima precisione, è fondamentale la precisione di ogni singola filettatura dell'albero. La deviazione dalla geometria ottimale della filettatura è nota come "ondulazione" della filettatura stessa.

Le nuove apparecchiature di produzione CNC automatizzate, i processi e i metodi di ispezione dettagliati garantiscono un controllo e una qualità più rigorosi, in modo che i punti di massimo e minimo all'interno di una singola filettatura mostrino una precisione di sub-rotazione notevolmente migliorata, ovvero una minore distorsione. Questo, a sua volta, contribuisce a mantenere la ripetibilità di posizionamento delle viti senza fine su una singola rotazione entro 1 µm. Si tratta di un parametro prestazionale particolarmente critico in applicazioni come la lavorazione di wafer e chip costosi per l'industria dei semiconduttori e l'erogazione precisa di farmaci tramite pompe a siringa.

Dopo la rullatura della filettatura, i fornitori di viti all'avanguardia raddrizzano gli alberi delle viti con un sistema automatizzato per ridurre al minimo errori e deviazioni che possono causare vibrazioni, rumore e usura precoce. La rettilineità dell'albero della vite è fondamentale perché qualsiasi errore viene accentuato durante l'assemblaggio con il motore. Al contrario, i metodi tradizionali (manuali) di raddrizzamento delle viti possono produrre un effetto "coniglio di neve" nella geometria dell'albero della vite, sotto forma di un singolo arco o di archi multipli che si avvitano attorno all'asse longitudinale dell'albero. Anche in questo caso, il raddrizzamento e l'ispezione automatizzati eliminano questi errori, garantendo prestazioni stabili della vite.

La fase finale della produzione delle viti senza fine è l'applicazione di un rivestimento in PTFE. Solo una finitura liscia e uniforme garantisce una lunga durata e prestazioni ottimali del sistema. Un'applicazione non uniforme del PTFE (dovuta a un ambiente o a un'attrezzatura di rivestimento non ottimali) può provocare vaiolatura, fessure, bolle, sfaldamento o rugosità superficiale che causano un'usura prematura del dado e riducono la durata dell'assemblaggio.

Collegamento due: Interazione tra dado e vite

I dadi anti-gioco tradizionali utilizzano un design a più componenti che richiede una molla a spirale per spostare linearmente una pinza lungo il dado, chiudendo le alette e controllando l'accoppiamento tra vite e dado.

I problemi che contribuiscono al cedimento di questi progetti sono la forza sporadica e variabile della molla, lo slittamento intermittente del mandrino sul dado e la pressione fluttuante dovuta all'usura del materiale del dado. Al contrario, un dado alternativo progettato per fornire una forza costante prevede un design semplificato in due pezzi che applica pressione alle alette del dado in modo radiale, ovvero nella direzione necessaria per controllare il gioco tra il dado e la vite.

Consideriamo il design convenzionale con molla elicoidale e pinza per un dado di bloccaggio della vite senza fine. In questo caso, una molla elicoidale a forza variabile genera una forza assiale che viene convertita in forza radiale tramite interferenza meccanica. Il design si basa su componenti stampati a iniezione per applicare la forza in modo uniforme alle lamelle. I test di riferimento confermano che il precarico cambia drasticamente nei primi 1.000 cicli.

Al contrario, alcuni dadi a forza costante per viti di comando offrono prestazioni di gioco da due a quattro volte superiori rispetto ai modelli convenzionali, come convalidato dai test FDA di un cliente del settore dell'automazione di laboratorio. Un design con molla a forza costante garantisce un precarico costante per tutta la durata dell'asse. Il dado è realizzato in materiale autolubrificante con PTFE per una maggiore lubrificazione ed efficienza.

Uno dei maggiori vantaggi dei dadi a vite senza fine a forza costante è la loro capacità di essere adattati a una specifica applicazione mediante la regolazione della molla e di altri parametri. Questa regolazione consente di ottimizzare il precarico, il gioco, la forza di trascinamento e il gioco di funzionamento per soddisfare le specifiche richieste. Ogni combinazione di vite e dado, così come ogni gruppo completo motore-vite, può essere testata per ciascuna di queste caratteristiche prestazionali durante la validazione e l'ispezione finale.

Collegamento tre: Collegamento accoppiato o diretto all'unità

Il prossimo anello della catena è il modo in cui la vite si fissa al motore. Ci sono tre modi fondamentali per farlo.

Il primo metodo, il più tradizionale, prevede l'inserimento di un giunto nell'assemblaggio, come componente intermedio tra la vite e il motore, realizzato con un albero a perno estensibile. Questa configurazione richiede maggiore spazio per la lunghezza del giunto e per l'eventuale alloggiamento di fissaggio, e può inoltre creare problemi di allineamento. A causa del maggior numero di componenti, è più difficile mantenere tutto allineato. Se uno o più componenti non sono perfettamente rotondi o allineati, si può generare un effetto camma che compromette seriamente le prestazioni e la durata del sistema.

Il secondo metodo prevede l'inserimento della vite in un foro conico per fissarla meccanicamente (dal retro) tramite un bullone. Questo tipo di assemblaggio è comune nei motori che richiedono frequenti interventi di manutenzione e un metodo rapido per lo smontaggio e il rimontaggio. Lo svantaggio è che l'allineamento è difficile da mantenere e può generare un effetto "a cono di neve" che amplifica le imprecisioni lungo la vite. Inoltre, questa oscillazione a cono di neve della vite crea punti di usura che possono aumentare la necessità di manutenzione e causare guasti prematuri al sistema.

Il terzo metodo prevede l'inserimento diretto della vite in un albero cavo all'interno del motore e il suo fissaggio tramite saldatura laser sul retro del motore stesso. Questo metodo garantisce il massimo accoppiamento tra la vite e il motore, ottenendo così la massima precisione di allineamento possibile. In alcuni casi, la saldatura può essere sostituita con un adesivo industriale che crea un legame permanente tra la vite e il motore. Anche questo metodo di assemblaggio offre il massimo livello di precisione, riducendo al minimo l'eccentricità della vite, con conseguente maggiore durata e riduzione della necessità di manutenzione.

L'ottimizzazione dell'allineamento di vite senza fine, dado e giunto prolunga la durata dell'intero sistema. Come punto di riferimento per il confronto con altri elementi del sistema, sono stati effettuati test in diverse orientazioni con diverse filettature e con una gamma di carichi e velocità. I ​​risultati hanno dimostrato una durata di corsa superiore di 40 volte alla durata standard del cuscinetto L10.

In altre parole, le configurazioni tradizionali con motore e vite senza fine includono numerosi componenti che richiedono assemblaggio e sono difficili da allineare. Introducono giochi e tolleranze che compromettono la precisione e aumentano il rischio di guasti. L'elevato numero di componenti si traduce anche in costi di assemblaggio complessivi più elevati. Le configurazioni ibride integrate con attuatore lineare, invece, includono una vite senza fine allineata e fissata direttamente al motore, riducendo il numero di componenti. Ciò si traduce in maggiore rigidità, precisione e affidabilità, oltre che in un valore complessivo superiore del progetto.

Collegamento quattro: Selezione del tipo e del design del motore

Gli attuatori lineari sono disponibili con diverse opzioni di motore, le più comuni delle quali sono il motore passo-passo ad anello aperto, la versione ad anello chiuso che utilizza un controllo montato su scheda o un motore passo-passo intelligente incapsulato in un involucro industriale, e infine il motore brushless a corrente continua (BLDC). Ciascuno offre prestazioni, velocità e capacità di carico diverse, e presenta vantaggi e svantaggi specifici in termini di costi, integrazione, controllo e altro ancora, che analizzeremo in seguito.

Il fattore che incide maggiormente sulle prestazioni di movimento lineare di un motore richiede un'analisi approfondita della sua progettazione interna. I motori generici, in genere, utilizzano rondelle ondulate per tenere in posizione i cuscinetti e l'intero gruppo. Questa soluzione è solitamente adeguata per le applicazioni rotative e spesso può essere applicata anche a quelle lineari. Tuttavia, le rondelle ondulate introducono una certa flessibilità all'interno del motore che può generare piccoli giochi assiali o lineari, con conseguenti imprecisioni nel posizionamento lineare.

Per ovviare a questo problema, è possibile modificare uno o entrambi i due elementi di progettazione. Si possono inserire cuscinetti più grandi per aumentare la capacità di carico assiale del gruppo, e si può aggiungere un dado di serraggio e regolarlo a una coppia predeterminata per eliminare il gioco del sistema.

Collegamento cinque: Scelta delle opzioni di controllo

L'ultimo elemento che unisce tutti i componenti è il modo in cui il movimento lineare fisico viene diretto e controllato. Tradizionalmente, ciò richiederebbe diverse componenti separate, tra cui un amplificatore e un controller. Ciascuna di esse necessiterebbe di un involucro e del relativo hardware, cablaggio, encoder e sensori per il feedback. Queste configurazioni possono risultare complesse e difficili da installare, diagnosticare e utilizzare.

L'avvento di soluzioni di motori intelligenti "pronti all'uso" ha semplificato il cablaggio e ridotto il numero di connettori e sensori necessari per ottenere prestazioni e controllo di tipo servoassistito. Ciò si traduce in un risparmio sui costi grazie a un minor numero di componenti, nonché in tempi e manodopera ridotti per l'installazione. Questi motori sono inoltre disponibili in confezioni industrializzate preassemblate che sigillano e proteggono la scheda e il sistema di controllo da urti o contaminazioni, con gradi di protezione IP65 o IP67.

Quando un'applicazione richiede funzionalità specifiche e personalizzate, ha vincoli di spazio e dimensioni minimi, o il basso costo è un fattore critico, una scheda di controllo personalizzata non incapsulata IP20 montata su motore rappresenta un'opzione utile. Ciò è particolarmente vero per applicazioni di grandi volumi installate in alloggiamenti o apparecchiature dal design particolare. Tali attuatori offrono i vantaggi dei motori intelligenti (in genere con un notevole risparmio sui costi) e il controllo avviene direttamente sul motore per una comunicazione più semplice e veloce con il master o il PLC.