I motori lineari stanno proliferando. Conferiscono alle macchine la massima precisione e prestazioni dinamiche assolute.

I motori lineari sono molto rapidi e precisi per il posizionamento, ma sono anche in grado di raggiungere una velocità di traslazione lenta e costante per teste e slitte di macchine, nonché sistemi di movimentazione di utensili e pezzi. Una varietà di applicazioni (chirurgia laser, ispezione visiva e movimentazione di bottiglie e bagagli) utilizzano motori lineari perché sono estremamente affidabili, richiedono poca manutenzione e migliorano i cicli di produzione.

Maggiore velocità e forza

I motori lineari sono accoppiati direttamente al loro carico, il che elimina una serie di componenti di accoppiamento: accoppiamenti meccanici, pulegge, cinghie dentate, viti a ricircolo di sfere, trasmissioni a catena e cremagliere e pignoni, solo per citarne alcuni. Ciò a sua volta riduce i costi e persino il contraccolpo. I motori lineari consentono inoltre movimenti costanti, posizionamento di precisione per centinaia di milioni di cicli e velocità più elevate.

Le velocità tipiche raggiungibili con i motori lineari variano: macchine di prelievo e posizionamento (che eseguono molti movimenti brevi) e utilizzo di apparecchiature di ispezionestepper linearicon velocità fino a 60 pollici/sec; applicazioni di taglio al volo e macchine pick and place che richiedono spostamenti più lunghisenza spazzole senza ingranaggimotori lineari per velocità fino a 200 pollici/sec; le montagne russe, i lanciatori di veicoli e i trasportatori di persone utilizzano la linea lineareinduzione CAmotori per raggiungere velocità fino a 2.000 pollici/sec.

Un altro fattore che determina quale sia la tecnologia del motore lineare migliore: la forza richiesta per spostare il carico dell'applicazione. Il carico o la massa insieme al profilo di accelerazione dell'applicazione determinano in ultima analisi questa forza.

Ogni applicazione presenta sfide diverse; tuttavia, in generale, i sistemi a trasferimento parziale utilizzano stepper lineari con forze fino a 220 N o 50 libbre; i semiconduttori, il taglio laser, il taglio a getto d'acqua e la robotica utilizzano motori brushless senza ingranaggi fino a 2.500 N; i sistemi di trasporto utilizzano motori a induzione CA lineari fino a 2.200 N; e la linea di trasferimento e le macchine utensili utilizzano motori brushless con nucleo in ferro fino a 14.000 N. Tieni presente che ogni applicazione è diversa e gli ingegneri applicativi del produttore generalmente forniscono assistenza in questa fase delle specifiche.

Esistono altri fattori oltre alla velocità e alla forza. Ad esempio, i sistemi di trasporto utilizzano motori lineari a induzione in ca a causa della loro lunga corsa e dei vantaggi di avere un secondario passivo senza magneti permanenti. Applicazioni come la chirurgia oculare con laser e la fabbricazione di semiconduttori utilizzano motori senza spazzole per garantire precisione e scorrevolezza.

Operazione di base

I motori lineari funzionano attraverso l'interazione di due forze elettromagnetiche, la stessa interazione di base che produce coppia in un motore rotativo.

Immagina di tagliare un motore rotativo e poi di appiattirlo: questo dà un'idea approssimativa della geometria di un motore lineare. Invece di accoppiare il carico a un albero rotante per la coppia, il carico è collegato a un carrello in movimento piatto per il movimento lineare e la forza. In breve, la coppia è l'espressione del lavoro fornito da un motore rotativo, mentre la forza è l'espressione del lavoro di un motore lineare.

Precisione

Consideriamo innanzitutto un tradizionale sistema passo-passo rotante: collegato a una vite a ricircolo di sfere con un passo di 5 giri per pollice, la precisione è di circa 0,004-0,008 pollici o 0,1-0,2 mm. Un sistema rotante alimentato da un servomotore ha una precisione compresa tra 0,001 e 0,0001 pollici.

Al contrario, un motore lineare accoppiato direttamente al suo carico fornisce una precisione compresa tra 0,0007 e 0,000008 pollici. Si noti che l'accoppiamento e il gioco della vite a ricircolo di sfere non sono inclusi in queste cifre e questi degradano ulteriormente la precisione dei sistemi rotanti.

La precisione relativa varia: il tipico stepper rotante che descriviamo qui può ancora posizionarsi con precisione entro il diametro di un capello umano. Detto questo, i servo migliorano questo fattore fino a 80 volte, mentre un motore lineare può migliorarlo ulteriormente, fino a 500 volte più piccolo del diametro di un capello umano.

A volte la manutenzione e i costi (per tutta la vita dell'apparecchiatura) sono considerazioni più importanti della precisione. Anche qui i motori lineari eccellono: i costi di manutenzione generalmente diminuiscono con l’uso dei motori lineari, poiché le parti senza contatto migliorano il funzionamento della macchina e aumentano il tempo medio tra i guasti. Inoltre, il gioco zero dei motori lineari elimina gli urti, prolungando ulteriormente la durata della macchina. Altri vantaggi: è possibile aumentare il tempo tra i cicli di manutenzione, consentendo un maggiore flusso operativo. Meno manutenzione e personale coinvolto migliorano i profitti, ovvero i profitti, e riducono i costi di proprietà durante la vita dell'apparecchiatura.

Vantaggi a confronto

Le applicazioni richiedono un movimento lineare. Se si utilizza un motore rotativo, è necessario un meccanismo di conversione meccanica per convertire il movimento rotatorio in lineare. Qui, i progettisti selezionano il meccanismo di conversione più adatto all'applicazione riducendo al minimo le limitazioni.

• Motore lineare contro cinghia e puleggia:Per ottenere un movimento lineare da un motore rotativo, un approccio comune consiste nell'utilizzare una cinghia e una puleggia. Tipicamente, la forza di spinta è limitata dalla resistenza alla trazione della cinghia; avviamenti e arresti rapidi possono causare allungamenti del nastro e quindi risonanza, con conseguente aumento del tempo di assestamento. Anche l'avvolgimento meccanico, il gioco e l'allungamento della cinghia riducono la ripetibilità, la precisione e la produttività della macchina. Poiché velocità e ripetibilità sono la parola d'ordine nel servomovimento, questa non è la scelta migliore. Laddove il design con puleggia può raggiungere i 3 m/sec, quello lineare può raggiungere i 10 m/sec. Senza gioco o avvolgimento, i motori lineari ad azionamento diretto aumentano ulteriormente la ripetibilità e la precisione.
• Motore lineare contro cremagliera e pignone:Cremagliera e pignoni forniscono maggiore spinta e rigidità meccanica rispetto ai modelli con cinghia e puleggia. Tuttavia, l'usura bidirezionale nel tempo porta a ripetibilità e imprecisioni discutibili: i principali svantaggi di questo meccanismo. Il gioco impedisce al feedback del motore di rilevare la posizione effettiva del carico, provocando instabilità e forzando guadagni inferiori e prestazioni complessive più lente. Al contrario, le macchine alimentate da motori lineari sono più veloci e si posizionano in modo più accurato.
• Motore lineare contro vite a ricircolo di sfere:L'approccio più comune per convertire il movimento rotatorio in quello lineare consiste nell'utilizzare un conduttore o una vite a ricircolo di sfere. Sono poco costosi ma meno efficienti: viti di comando in genere il 50% o meno e viti a ricircolo di sfere circa il 90%. L'elevato attrito produce calore e l'usura a lungo termine riduce la precisione. La distanza da percorrere è limitata meccanicamente. Inoltre, i limiti di velocità lineare possono essere estesi solo aumentando il passo, ma ciò degrada la risoluzione posizionale; una velocità di rotazione eccessivamente elevata può anche causare lo spostamento delle viti, con conseguenti vibrazioni. I motori lineari offrono corse lunghe e illimitate. Con un encoder sul carico, la precisione a lungo termine è generalmente di ±5 µm/300 mm.

Tipi di motori lineari di base

Poiché esistono diverse tecnologie di motori rotativi, esistono anche diversi tipi di motori lineari: passo-passo, senza spazzole e a induzione CA lineare, tra gli altri. Si noti che la tecnologia lineare utilizza azionamenti (amplificatori) più posizionatori (controller di movimento) e dispositivi di feedback (come sensori Hall ed encoder) comunemente disponibili nell'industria.

Molti progetti beneficiano di motori lineari personalizzati, ma i modelli standard sono generalmente adatti.

Motori lineari brushless con nucleo in ferrosono caratterizzati da laminazione di acciaio nella forza mobile per incanalare il flusso magnetico. Questo tipo di motore ha valori di forza più elevati ed è più efficiente, ma pesa da tre a cinque volte di più rispetto ai motori senza ingranaggi di dimensioni comparabili. La piastra fissa è costituita da magneti permanenti multipolari a polarità alternata fissati su una piastra di acciaio laminato a freddo al nichel. I lamierini d'acciaio sulla forza mobile tuttavia reagiscono con i magneti sulla piastra stazionaria, che sviluppano una forza "attrattiva" e mostrano una piccola quantità di cogging o ondulazioni mentre il motore si sposta da un campo magnetico all'altro con conseguenti variazioni di velocità.

Questi motori sviluppano una grande quantità di forza di picco, hanno una massa termica maggiore e una lunga costante di tempo termico, quindi sono adatti per applicazioni a forza elevata e con ciclo di lavoro intermittente che spostano carichi molto pesanti, come nelle linee di trasferimento e nelle macchine utensili; sono progettati per viaggi illimitati e possono includere più piani mobili con traiettorie sovrapposte.

Motori senza spazzole senza ingranaggiavere un gruppo bobina nella forza mobile senza lamierini in acciaio. La bobina è costituita da filo, resina epossidica e struttura di supporto non magnetica. Questa unità è molto più leggera. Il design di base produce una quantità minore di forza, quindi vengono inseriti magneti aggiuntivi sul binario stazionario (aiuto per aumentare la forza) e il binario è a forma di U con magneti su ciascun lato di questa U. La forza è inserita al centro della U .

Questi motori sono adatti per applicazioni che richiedono un funzionamento regolare senza cogging magnetico, come apparecchiature di scansione o ispezione. Le loro accelerazioni più elevate sono utili nel pick and place dei semiconduttori, nello smistamento dei chip e nell'erogazione di saldature e adesivi. Questi motori sono progettati per viaggi illimitati.

Stepper linearisono disponibili da molto tempo; la forza mobile è costituita da nuclei di acciaio laminato con scanalature precise con denti, un singolo magnete permanente e bobine inserite nel nucleo laminato. (Si noti che due bobine danno come risultato uno stepper bifase.) Questo gruppo è incapsulato in un alloggiamento di alluminio.

Il piano fisso è costituito da denti incisi fotochimicamente su una barra di acciaio, rettificati e nichelati. Questo può essere impilato end-to-end per una lunghezza illimitata. Il motore viene fornito completo di forza, cuscinetti e piastra. La forza di attrazione del magnete viene utilizzata come precarico per i cuscinetti; consente inoltre di utilizzare l'unità in posizione invertita per una varietà di applicazioni.

Motori a induzione CAsono costituiti da un forzante ovvero un gruppo bobina composto da lamierini in acciaio e avvolgimenti di fase. Gli avvolgimenti possono essere monofase o trifase. Ciò consente il controllo online diretto o il controllo tramite un inverter o un azionamento vettoriale. La piastra fissa (chiamata piastra di reazione) è solitamente costituita da un sottile strato di alluminio o rame incollato su acciaio laminato a freddo.

Una volta energizzata, la bobina di forza interagisce con la piastra di reazione e si muove. Velocità più elevate e lunghezze di corsa illimitate sono i punti di forza di questo design; sono utilizzati per la movimentazione dei materiali, il trasporto di persone, i trasportatori e i cancelli scorrevoli.

Nuovi concetti di design

Alcuni degli ultimi miglioramenti del design sono stati implementati tramite la riprogettazione. Ad esempio, alcuni motori passo-passo lineari (originariamente progettati per fornire movimento su un piano) sono ora riprogettati per fornire movimento su due piani, per il movimento XY. In questo caso, la forza mobile è costituita da due stepper lineari montati ortogonalmente a 90° in modo che uno fornisca il movimento sull'asse X e l'altro fornisca il movimento sull'asse Y. Sono possibili anche più forzanti con traiettorie sovrapposte.

In questi motori a due piani, la piattaforma fissa (o piastra) utilizza una nuova struttura composita per aumentarne la resistenza. Anche la rigidità è migliorata, quindi la deflessione è ridotta dal 60 all'80% rispetto ai modelli di produzione precedenti. La planarità della piastra supera i 14 micron per 300 mm per un movimento accurato. Infine: poiché gli stepper hanno una forza di attrazione naturale, questo concetto consente di montare la piastra sia rivolta verso l'alto che invertita, garantendo così versatilità e flessibilità per le applicazioni.

Un'altra innovazione ingegneristica, il raffreddamento ad acqua, estende la capacità di forza dei motori a induzione CA lineari del 25%. Grazie a questa estensione di capacità, oltre al vantaggio di una lunghezza di corsa illimitata, i motori a induzione CA forniscono le massime prestazioni per molte applicazioni: giostre, movimentazione bagagli e trasporto persone. La velocità è variabile (da 6 a 2.000 pollici/sec) tramite azionamenti a velocità regolabile attualmente disponibili nell'industria.

Ancora un altro motore include un alloggiamento cilindrico fisso con una parte mobile lineare per fornire movimento. La parte mobile può essere un'asta costituita da acciaio rivestito di rame, una bobina mobile o un magnete mobile, come un pistone all'interno di un cilindro.

Questi design offrono i vantaggi del motore lineare e offrono prestazioni simili a quelle di un attuatore lineare. Le applicazioni includono colonscopie biomediche, fotocamere con attuatori a otturatore lungo, telescopi che richiedono smorzamento delle vibrazioni, motori per la messa a fuoco della litografia, interruttori dei generatori che attivano gli interruttori per mettere in linea i generatori e pressatura del cibo, come quando si stampano le tortillas.

I pacchetti o gli stadi completi di motori lineari sono adatti per il posizionamento dei carichi utili. Questi sono costituiti da motore, encoder di feedback, interruttori di finecorsa e portacavi. È possibile impilare gli stadi per il movimento multiasse.

Un vantaggio delle fasi lineari è il loro profilo più basso, che consente loro di adattarsi a spazi più piccoli rispetto ai posizionatori convenzionali. Un minor numero di componenti garantisce una maggiore affidabilità. Qui il motore è collegato ad azionamenti regolari. In un'operazione ad anello chiuso, l'anello di posizione viene chiuso con un controller di movimento.

Ancora una volta, oltre ai prodotti in stock, abbondano i design personalizzati e speciali. Alla fine, è meglio esaminare le esigenze delle apparecchiature con un tecnico dell'applicazione per determinare il prodotto lineare ottimale adatto alle esigenze dell'applicazione.