Un motore lineare può essere concepito come un servomotore rotativo srotolato e disteso per produrre un movimento fondamentalmente lineare. Un attuatore lineare tradizionale è un elemento meccanico che converte il movimento rotatorio di un servomotore rotativo in una traiettoria rettilinea. Entrambi offrono un movimento lineare, ma con caratteristiche prestazionali e compromessi molto diversi. Non esiste una tecnologia superiore o inferiore: la scelta dipende dall'applicazione. Diamo un'occhiata più da vicino.
La regola generale per i motori lineari è che eccellono in applicazioni che richiedono elevata accelerazione, alta velocità o elevata precisione. Nella metrologia dei semiconduttori, ad esempio, dove risoluzione e produttività sono fondamentali e anche un'ora di fermo macchina può costare decine di migliaia di dollari, i motori lineari rappresentano la soluzione ideale. Ma che dire di situazioni meno impegnative?
Uno dei primi problemi dei motori lineari era la competitività dei costi. I motori lineari richiedono magneti in terre rare, che rappresentano uno dei fattori limitanti per la lunghezza della corsa. Certo, in teoria, i magneti possono essere allineati praticamente all'infinito, ma in realtà, a parte la sfida di garantire una rigidità sufficiente su una corsa lunga, i costi aumentano, soprattutto per i modelli con canale a U.
I motori con nucleo in ferro possono generare la stessa forza utilizzando magneti più piccoli rispetto al design equivalente senza ferro, quindi se la forza è il requisito principale e le specifiche prestazionali sono sufficientemente flessibili da tollerare una certa perturbazione della forza di cogging che causa errori dinamici di posizione o velocità, il nucleo in ferro potrebbe essere la soluzione migliore. Se i requisiti prestazionali sono ancora più flessibili, nell'ordine dei micron anziché dei nanometri, forse la combinazione di attuatori lineari offre il compromesso più appropriato: scegliere un attuatore lineare per il confezionamento dei farmaci, ad esempio, ma un motore lineare per il sequenziamento del DNA nella scoperta di nuovi farmaci.
Lunghezza del viaggio
Sebbene esistano numerose eccezioni, la lunghezza di corsa ottimale per i motori lineari varia da un paio di millimetri a diversi metri. Per lunghezze inferiori, un'alternativa come una flessione potrebbe essere più efficace; sopra, le trasmissioni a cinghia e poi i sistemi a cremagliera e pignone sono probabilmente soluzioni migliori.
La lunghezza della corsa dei motori lineari è vincolata non solo dal costo e dalla stabilità di montaggio, ma anche dalla gestione dei cavi. Per generare il movimento, il forcer deve essere alimentato, il che significa che i cavi di alimentazione devono accompagnarlo per tutta la lunghezza della corsa. I cavi ad alta flessibilità e le relative canaline sono costosi, e il fatto che il cablaggio sia il principale punto di errore nel controllo del movimento in generale complica ulteriormente la situazione.
Naturalmente, la natura stessa dei motori lineari può offrire una soluzione intelligente a questo problema. In caso di problemi di questo tipo, monteremo il forcer sulla base fissa e sposteremo la pista magnetica. In questo modo, tutti i cavi arriveranno al forcer fisso. Si ottiene un'accelerazione leggermente inferiore da un dato motore perché non si accelera una bobina, ma una pista magnetica, che è più pesante. Se si dovesse fare questo per carichi gravitazionali elevati, non sarebbe un'ottima soluzione. Se non si ha un'applicazione con carichi gravitazionali elevati, questa potrebbe essere un'ottima soluzione.
Profeta cita i servomotori lineari Aerotech con forze di picco che vanno da 12 a 425 kg, ma anche in questo caso, il design fondamentale dei motori lineari si presta a soluzioni uniche che offrono molto di più. Abbiamo clienti che prendono i nostri motori lineari più grandi, ne assemblano sei e generano quasi 2700 kg di forza. È possibile installare più forcer su più binari, fissarli meccanicamente insieme e quindi commutarli tutti insieme in modo che agiscano come un unico motore; oppure è possibile installare più forcer sulla stessa pista magnetica e montarli sul carrello che sostiene il carico, trattandoli come un unico motore.
Poiché viviamo nel mondo reale ed è impossibile abbinare esattamente la commutazione, questo approccio comporta una penalizzazione di efficienza di qualche punto percentuale, ma potrebbe comunque rappresentare la migliore soluzione complessiva per una determinata applicazione.
Testa a testa
Dal punto di vista della forza, come si comportano i motori lineari rispetto alle combinazioni motore rotativo/attuatore lineare? C'è un compromesso significativo in termini di forza: confrontiamo un motore lineare slotless a otto poli da 4 pollici di larghezza con un prodotto a vite da 4 pollici di larghezza. Il nostro motore lineare a otto poli ha una forza di picco di 40 libbre (180 N) e una forza continua di 11 libbre (50 N). Nello stesso profilo, con un servomotore NEMA 23 e il nostro prodotto a vite, il carico assiale massimo è di 200 libbre (90 kg), quindi, in quest'ottica, si ottiene una riduzione di circa 20 volte della forza continua.
I risultati effettivi variano a seconda del passo e del diametro della vite, delle bobine e del design del motore, sottolinea rapidamente, e sono limitati dai cuscinetti assiali che supportano la vite. Il motore lineare con nucleo in ferro da 13 pollici di larghezza dell'azienda può generare 1600 libbre di forza assiale massima rispetto alle 440 libbre fornite da un prodotto con azionamento a vite da 6 pollici di larghezza, ad esempio, ma lo spazio occupato è considerevole.
Parafrasando uno slogan politico, è l'applicazione, stupido. Se la densità di forza è la preoccupazione principale, allora un attuatore è probabilmente la scelta migliore. Se l'applicazione richiede reattività, ad esempio in un'applicazione ad alta precisione e accelerazione come l'ispezione LCD, il compromesso tra ingombro e forza per ottenere le prestazioni necessarie vale la pena.
Mantenere la pulizia
La contaminazione è un problema importante per il controllo del movimento negli ambienti di produzione e i motori lineari non fanno eccezione. Un grosso problema con la progettazione standard dei motori lineari è l'esposizione a contaminanti, come particelle solide o umidità. Questo vale per i modelli "flatbed" e rappresenta un problema minore per i modelli [a canale a U].
È molto difficile sigillare completamente la soluzione. Non è consigliabile trovarsi in un ambiente ad alta umidità. Se si intende installare un motore lineare in un'applicazione di taglio a getto d'acqua, è necessario applicarvi una pressione positiva e assicurarsi che sia ben protetto, poiché l'elettronica del motore lineare è integrata nell'attuatore.
Nel caso di progetti a canale a U, invertire la U può ridurre al minimo la possibilità che particelle entrino nel canale, ma ciò crea problemi di gestione termica che possono compromettere le prestazioni a causa dello spostamento della massa della rotaia magnetica rispetto a quella del forcer. Anche in questo caso, si tratta di un compromesso e, ancora una volta, l'applicazione ne determina l'utilizzo.
Non è solo l'ambiente a influenzare il motore lineare: il motore lineare stesso può creare problemi ambientali. A differenza dei modelli rotanti, i grandi magneti delle unità lineari possono creare problemi in ambienti magneticamente sensibili, ad esempio nelle macchine per la risonanza magnetica (RM). Possono anche rappresentare un problema in applicazioni più banali come il taglio dei metalli. Questi magneti ad alta forza cercano di trascinare ciascuno di questi trucioli metallici sulla pista magnetica, quindi i motori lineari non funzioneranno bene in questo tipo di applicazioni senza un'adeguata protezione.
Informazioni su queste applicazioni…
Qual è quindi il punto di forza applicativo dei motori lineari? Innanzitutto, la metrologia, in settori come la produzione di semiconduttori, LED e LCD. Anche la stampa digitale di insegne di grandi dimensioni è un mercato in crescita, così come il settore biomedico e, persino nella produzione di piccoli componenti, i nostri clienti dispongono coppie di motori lineari in configurazioni a portale per le attività di assemblaggio. L'obiettivo è ottenere la massima produttività possibile, quindi l'elevata accelerazione e velocità ottenibili da questi motori è vantaggiosa. Un settore in cui ci siamo dedicati ultimamente è la produzione di celle a combustibile; un altro è il taglio a stencil.
Questo risponde alla domanda "dove", ma che dire della domanda "quanto"? La tecnologia dei motori lineari è in fase di sviluppo da decenni, quindi a che punto è in termini di accettazione del mercato? Non li incontriamo molto spesso a causa del costo, ma in alcune applicazioni hanno molto senso.
Lo attribuiamo al ciclo di vita del consumatore. Ci sono gli innovatori, i primi utilizzatori, la maggioranza iniziale, la maggioranza finale e i ritardatari. Siamo in una fase in cui l'utilizzo di un motore lineare sta diventando sempre più comune. Stiamo entrando nella fase della maggioranza iniziale.
Il prezzo dei motori lineari sta diminuendo con l'ottimizzazione del processo produttivo e l'aumento dei volumi, quindi li vediamo in sempre più applicazioni. [Aerotech] produce anche assi con viti a sfere. Direi che a questo punto vendiamo un numero di assi con motori lineari pari, se non superiore, a quello degli assi con viti a sfere. Li stiamo inserendo in sempre più applicazioni. Dieci anni fa, la maggior parte delle applicazioni era di laboratorio, in ambienti puliti. Ora li stiamo inserendo in operazioni di tipo molto più industriale. Uno dei segmenti di cui mi occupo è l'automotive, e abbiamo introdotto i motori lineari in molte più applicazioni automobilistiche.
A seconda della configurazione, è possibile ottenere una soluzione con motore lineare a un prezzo quasi inferiore a quello di una trasmissione a cinghia. Si ha il vantaggio di un motore lineare con trasmissione diretta, tempi di risposta rapidi e nessuna rigidità delle molle come quella della cinghia, a un prezzo molto simile. Lo svantaggio è che non si ha il vantaggio meccanico della cinghia e della puleggia/riduttore per ottenere quella forza extra.
Vantaggi e svantaggi: ecco la sintesi. Valuta attentamente la tua applicazione, comprendi i tuoi requisiti, determina dove risiede la tua flessibilità. Una volta che saprai come valutare i compromessi, sarai in grado di decidere con cognizione di causa se un motore lineare o un attuatore lineare di qualche tipo soddisferanno al meglio le tue esigenze.
Data di pubblicazione: 12 giugno 2023