I motori lineari sono in continua espansione. Offrono alle macchine la massima precisione e prestazioni dinamiche.

I motori lineari sono molto rapidi e precisi nel posizionamento, ma sono anche in grado di raggiungere velocità di traslazione lente e costanti per teste e slitte di macchine, nonché per sistemi di movimentazione di utensili e pezzi. Diverse applicazioni – chirurgia laser, ispezione visiva e movimentazione di bottiglie e bagagli – utilizzano i 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 carico, eliminando una serie di componenti di accoppiamento: giunti meccanici, pulegge, cinghie dentate, viti a sfere, trasmissioni a catena e cremagliere, solo per citarne alcuni. Questo a sua volta riduce i costi e persino il gioco. I motori lineari consentono inoltre un movimento costante, un posizionamento preciso per centinaia di milioni di cicli e velocità più elevate.

Le velocità tipiche raggiungibili con i motori lineari variano: le macchine pick and place (che eseguono molti spostamenti brevi) e le apparecchiature di ispezione utilizzanomotori passo-passo linearicon velocità fino a 60 pollici/sec; applicazioni di taglio volante e macchine pick and place che effettuano spostamenti più lunghibrushless senza ingranaggimotori lineari per velocità fino a 200 pollici/sec; montagne russe, lanciatori di veicoli e mezzi di trasporto utilizzano motori lineariinduzione ACmotori per raggiungere velocità fino a 2.000 pollici/sec.

Un altro fattore che determina quale tecnologia di motore lineare sia la migliore: la forza necessaria 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 di trasferimento dei pezzi utilizzano motori passo-passo 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 le linee 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 che gli ingegneri applicativi del produttore generalmente forniscono assistenza in questa fase di specifica.

Oltre a velocità e forza, esistono altri fattori. Ad esempio, i sistemi di trasporto utilizzano motori a induzione CA lineari per la loro lunga corsa e per i vantaggi di un secondario passivo senza magneti permanenti. Applicazioni come la chirurgia oculare laser e la fabbricazione di semiconduttori utilizzano motori brushless senza ingranaggi per garantire precisione e fluidità di movimento.

Funzionamento di base

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

Immaginate 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 del motore lineare.

Precisione

Consideriamo prima un sistema passo-passo rotativo tradizionale: collegato a una vite a sfere con un passo di 5 giri per pollice, la precisione è di circa 0,004-0,008 pollici, ovvero 0,1-0,2 mm. Un sistema rotativo azionato da un servomotore ha una precisione di 0,001-0,0001 pollici.

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

La precisione relativa varia: il tipico motore passo-passo rotativo che descriviamo qui può comunque posizionarsi con precisione entro il diametro di un capello umano. Detto questo, i servocomandi migliorano questa precisione fino a un fattore 80, mentre un motore lineare può migliorarla ulteriormente, fino a 500 volte inferiore al diametro di un capello umano.

A volte la manutenzione e i costi (durante la vita utile dell'apparecchiatura) sono considerazioni più importanti della precisione. Anche in questo caso, i motori lineari eccellono: i costi di manutenzione generalmente diminuiscono con l'utilizzo di motori lineari, poiché i componenti senza contatto migliorano il funzionamento della macchina e aumentano il tempo medio tra guasti. Inoltre, l'assenza di gioco dei motori lineari elimina gli urti, prolungando ulteriormente la vita utile della macchina. Altri vantaggi: è possibile aumentare il tempo tra i cicli di manutenzione, consentendo un maggiore flusso operativo. Minore manutenzione e personale coinvolto migliorano il risultato finale (profitto) e riducono i costi di gestione per tutta la vita utile dell'apparecchiatura.

Vantaggi a confronto

Le applicazioni richiedono un movimento lineare. Se si utilizza un motore rotativo, è necessario un meccanismo di conversione meccanico per convertire il movimento rotatorio in movimento lineare. In questo caso, 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 è l'utilizzo di una cinghia e di una puleggia. In genere, la forza di spinta è limitata dalla resistenza alla trazione della cinghia; avviamenti e arresti rapidi possono causare allungamenti della cinghia 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 fondamentali nel servomotore, questa non è la scelta migliore. Mentre un design con cinghia e puleggia può raggiungere i 3 m/sec, quello lineare può raggiungere i 10 m/sec. Senza gioco o avvolgimento, i motori lineari a trasmissione diretta aumentano ulteriormente la ripetibilità e la precisione.
• Motore lineare contro cremagliera e pignone:I sistemi a cremagliera e pignone offrono maggiore spinta e rigidità meccanica rispetto ai sistemi a cinghia e puleggia. Tuttavia, l'usura bidirezionale nel tempo porta a ripetibilità discutibile e imprecisioni – i principali svantaggi di questo meccanismo. Il gioco impedisce al feedback del motore di rilevare la posizione effettiva del carico, causando instabilità e imponendo guadagni inferiori e prestazioni complessive inferiori. Al contrario, le macchine alimentate da motori lineari sono più veloci e posizionano con maggiore precisione.
• Motore lineare contro vite a sfere:L'approccio più comune per convertire il moto rotatorio in lineare è l'utilizzo di una vite di comando o di una vite a sfere. Queste soluzioni sono economiche ma meno efficienti: le viti di comando in genere hanno una tolleranza del 50% o inferiore, mentre le viti a sfere circa il 90%. L'elevato attrito produce calore e l'usura a lungo termine riduce la precisione. La distanza di spostamento è limitata meccanicamente. Inoltre, i limiti di velocità lineare possono essere estesi solo aumentando il passo, ma questo riduce la risoluzione di posizione; una velocità di rotazione eccessivamente elevata può anche causare la sferzata delle viti, con conseguenti vibrazioni. I motori lineari offrono corse lunghe e illimitate. Con un encoder sul carico, la precisione a lungo termine è in genere di ±5 µm/300 mm.

Tipi di motori lineari di base

Così come esistono diverse tecnologie di motori rotativi, esistono anche diverse tipologie di motori lineari: passo-passo, brushless e a induzione lineare CA, tra gli altri. Si noti che la tecnologia lineare utilizza azionamenti (amplificatori), posizionatori (controllori di movimento) e dispositivi di feedback (come sensori Hall ed encoder) comunemente disponibili in ambito industriale.

Molti progetti traggono vantaggio dall'utilizzo di motori lineari personalizzati, ma solitamente anche i modelli standard risultano più adatti.

Motori lineari brushless con nucleo in ferroSono caratterizzati dalla laminazione in acciaio nel forcer in movimento 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. Il piano fisso è costituito da magneti permanenti multipolari a polarità alternata incollati su una piastra in acciaio laminato a freddo al nichel. Le lamiere in acciaio sul forcer in movimento, tuttavia, reagiscono con i magneti sul piano fisso, che sviluppano una forza "attrattiva" e mostrano una piccola quantità di cogging o ondulazione quando il motore si sposta da un campo magnetico all'altro, con conseguenti variazioni di velocità.

Questi motori sviluppano un'elevata forza di picco, hanno una massa termica maggiore e una costante di tempo termico elevata, pertanto sono adatti ad applicazioni ad alta forza e a ciclo di lavoro intermittente che spostano carichi molto pesanti, come nelle linee di trasferimento e nelle macchine utensili; sono progettati per corse illimitate e possono includere più piatti mobili con traiettorie sovrapposte.

Motori brushless senza ingranaggihanno un gruppo bobina nel forcer mobile senza lamierini in acciaio. La bobina è composta da filo, resina epossidica e una struttura di supporto non magnetica. Questa unità è molto più leggera. Il design di base produce una quantità di forza inferiore, quindi vengono inseriti magneti aggiuntivi sulla pista fissa (per aumentare la forza) e la pista è a forma di U con magneti su ciascun lato di questa U. Il forcer è inserito al centro della U.

Questi motori sono adatti per applicazioni che richiedono un funzionamento fluido senza interferenze magnetiche, come apparecchiature di scansione o ispezione. Le loro accelerazioni più elevate sono utili nel pick and place di semiconduttori, nello smistamento di chip e nell'erogazione di saldature e adesivi. Questi motori sono progettati per una corsa illimitata.

Stepper linearisono disponibili da molto tempo; il motore è costituito da nuclei in acciaio laminato con denti di precisione, un singolo magnete permanente e bobine inserite nel nucleo laminato. (Si noti che due bobine danno origine a un motore passo-passo bifase.) Questo gruppo è incapsulato in un alloggiamento in alluminio.

Il piatto fisso è costituito da denti fotoincisi su una barra d'acciaio, rettificata e nichelata. Può essere impilato uno sopra l'altro per una lunghezza illimitata. Il motore viene fornito completo di forcer, cuscinetti e piatto. La forza attrattiva del magnete viene utilizzata come precarico per i cuscinetti; consente inoltre di utilizzare l'unità in posizione capovolta per una varietà di applicazioni.

Motori a induzione CASono costituiti da un forcer, ovvero un gruppo di bobine composto da lamierini in acciaio e avvolgimenti di fase. Gli avvolgimenti possono essere monofase o trifase. Ciò consente il controllo diretto online, oppure tramite inverter o azionamento vettoriale. Il piano fisso (chiamato piano di reazione) è solitamente costituito da un sottile strato di alluminio o rame incollato su acciaio laminato a freddo.

Una volta energizzata, la bobina del forcer 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; vengono utilizzati per la movimentazione di materiali, sistemi di trasporto persone, nastri trasportatori e cancelli scorrevoli.

Nuovi concetti di design

Alcuni dei più recenti miglioramenti progettuali sono stati implementati tramite reingegnerizzazione. 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, il forcer mobile è costituito da due motori passo-passo lineari montati ortogonalmente a 90°, in modo che uno fornisca il movimento sull'asse X e l'altro sull'asse Y. Sono anche possibili forcer multipli con traiettorie sovrapposte.

In questi motori a due piani, la piattaforma fissa (o platen) utilizza una nuova struttura composita per garantire maggiore resistenza. Anche la rigidità è migliorata, riducendo la flessione dal 60 all'80% rispetto ai modelli di produzione precedenti. La planarità del platen supera i 14 micron per 300 mm, garantendo movimenti precisi. Infine, poiché i motori passo-passo hanno una forza di attrazione naturale, questo concetto consente di montare il platen sia rivolto verso l'alto che invertito, offrendo così versatilità e flessibilità applicativa.

Un'altra innovazione ingegneristica, il raffreddamento ad acqua, aumenta del 25% la capacità di forza dei motori asincroni lineari a corrente alternata. Grazie a questa estensione di capacità, unita al vantaggio di una lunghezza di corsa illimitata, i motori asincroni a corrente alternata offrono le massime prestazioni per numerose applicazioni: giostre, movimentazione bagagli e veicoli per il trasporto di persone. La velocità è variabile (da 6 a 2.000 pollici/sec) tramite azionamenti a velocità variabile attualmente disponibili nel settore.

Un altro motore ancora include un alloggiamento cilindrico fisso con una parte mobile lineare che fornisce il movimento. La parte mobile può essere un'asta di acciaio rivestita di rame, una bobina mobile o un magnete mobile, come un pistone all'interno di un cilindro.

Questi progetti offrono i vantaggi di un motore lineare e prestazioni simili a quelle di un attuatore lineare. Le applicazioni includono colonscopie biomediche, telecamere con attuatori a otturatore lungo, telescopi che richiedono smorzamento delle vibrazioni, motori di messa a fuoco per litografia, interruttori di generatori che attivano gli interruttori per attivare i generatori e pressatura di alimenti, come nella produzione di tortillas.

I pacchetti completi di motori lineari o le tavole sono adatti per il posizionamento di carichi utili. Sono composti da motore, encoder di feedback, finecorsa e catena portacavi. È possibile impilare le tavole per il movimento multiasse.

Un vantaggio degli assi lineari è il loro profilo più basso, che consente loro di adattarsi a spazi più ristretti rispetto ai posizionatori convenzionali. Il minor numero di componenti garantisce una maggiore affidabilità. In questo caso, il motore è collegato a normali azionamenti. In un funzionamento a circuito chiuso, il circuito di posizione viene chiuso da un controllore di movimento.

Anche in questo caso, oltre ai prodotti standard, abbondano i progetti personalizzati e speciali. In definitiva, è consigliabile valutare le esigenze delle apparecchiature con un tecnico applicativo per determinare il prodotto lineare ottimale per le esigenze applicative.