Questo articolo illustra i principi fondamentali della progettazione di un sistema lineare, inclusi il sistema di supporto strutturale, la tecnologia di guida, la tecnologia di azionamento, la tenuta, la lubrificazione e gli accessori. Inizialmente, verranno analizzati i vantaggi e gli svantaggi delle diverse tecnologie, come le viti a ricircolo di sfere, le viti a ricircolo di sfere, le trasmissioni a cinghia, le guide a sfere, le guide a scorrimento e le guide a ruota. Successivamente, l'articolo esaminerà i vantaggi e gli svantaggi della progettazione e costruzione di un sistema lineare personalizzato rispetto alla configurazione di un sistema a partire da componenti standard. Infine, verrà descritto un processo passo passo, basato sul web, per il dimensionamento e la selezione di un sistema lineare in base a componenti standard economici.

Gli elementi costitutivi di un sistema lineare sono il sistema di supporto strutturale, il sistema di azionamento, il sistema di guida, la tenuta, la lubrificazione e gli accessori. Il componente principale del sistema di supporto strutturale è in genere un profilato di alluminio disponibile in lunghezze fino a 12 metri. La superficie di montaggio della base può essere lavorata per applicazioni che richiedono un posizionamento preciso. I profilati di base per applicazioni di trasporto, che richiedono una precisione inferiore, di solito non vengono lavorati. Le basi utilizzate nelle applicazioni di trasporto sono ottimizzate per resistere alla flessione sotto carico e alla deformazione durante il processo di estrusione, consentendo al sistema di essere supportato solo alle estremità.

Le principali tipologie di guide sono le guide a sfere, le guide a ruote e le guide a scorrimento o a prisma. Le guide a sfere supportano carichi elevati fino a 38.000 Newton (N) e momenti flettenti elevati fino a 27,60 Newton metri (Nm). Altri vantaggi delle guide a sfere includono il basso attrito e l'elevata rigidità. Le guide a sfere sono disponibili in configurazioni a singola o doppia rotaia. Gli svantaggi delle guide a sfere includono il costo relativamente elevato e l'elevata rumorosità. Un vantaggio fondamentale delle guide a ruote è la loro capacità di operare a velocità eccezionalmente elevate, fino a 10 metri al secondo (m/s). Le guide a ruote offrono anche un basso attrito e un'elevatissima rigidità. D'altra parte, le guide a ruote hanno una resistenza relativamente bassa ai carichi d'urto. Le guide a scorrimento utilizzano boccole in polimero a forma di prisma che scorrono direttamente sulla superficie del profilo per garantire un funzionamento molto silenzioso e resistere a carichi d'urto elevati. Un vantaggio fondamentale delle guide a scorrimento è la loro capacità di operare in ambienti contaminati. Le guide a scorrimento hanno una velocità e una capacità di carico inferiori rispetto alle guide a sfere o a ruote.

Le tecnologie di azionamento più diffuse sono le viti a ricircolo di sfere, le viti a ricircolo di sfere e le trasmissioni a cinghia. L'azionamento a vite a ricircolo di sfere è costituito da una vite a ricircolo di sfere e un dado a sfere con cuscinetti a ricircolo di sfere. Le viti a ricircolo di sfere rettificate e precaricate offrono una precisione di posizionamento eccezionalmente elevata. Il carico sulla vite a ricircolo di sfere viene distribuito su un gran numero di cuscinetti a sfera, in modo che ogni sfera sia soggetta a un carico relativamente basso. Il risultato è un'elevata precisione assoluta fino a 0,005 mm, un'elevata capacità di spinta fino a 40 kN e un'elevata rigidità. La precisione assoluta è definita come l'errore massimo tra la posizione prevista e quella effettiva. Gli azionamenti a vite a ricircolo di sfere offrono in genere un'efficienza meccanica del 90%, quindi il loro costo più elevato è spesso compensato dalla riduzione del fabbisogno energetico. La velocità critica di una vite a ricircolo di sfere è determinata dal diametro del fondo della vite, dalla lunghezza non supportata e dalla configurazione del supporto terminale. I supporti per viti a ricircolo di sfere consentono l'utilizzo di unità azionate a vite con corse fino a 12 metri e velocità di ingresso di 3.000 giri/min. Gli azionamenti a vite a ricircolo di sfere non possono eguagliare la precisione di posizionamento assoluta degli azionamenti a vite a ricircolo di sfere, ma offrono un'eccellente ripetibilità di 0,005 mm. La ripetibilità è definita come la capacità di un sistema di posizionamento di tornare in una posizione durante il funzionamento, avvicinandosi dalla stessa direzione alla stessa velocità e decelerazione. Gli azionamenti a vite senza fine sono utilizzati in applicazioni di posizionamento a ciclo di lavoro da basso a medio e operano con bassi livelli di rumorosità. Gli azionamenti a cinghia sono utilizzati in applicazioni di trasporto ad alta velocità e ad alta produttività, con velocità fino a 10 m/s e accelerazioni fino a 40 m/s². Sia il sistema di guida che il sistema di azionamento richiedono in genere lubrificazione. La facile accessibilità ai punti di lubrificazione semplifica la manutenzione preventiva. Un approccio efficace è l'utilizzo di ingrassatori sul carrello che alimentano una rete attraverso la quale vengono lubrificati sia la vite a ricircolo di sfere che il sistema di cuscinetti lineari durante l'installazione e a intervalli di manutenzione periodici. Il sistema di guida a prisma non richiede manutenzione. Oltre alla lubrificazione intrinseca del polimero, sono presenti raschiatori in feltro lubrificati che reintegrano il lubrificante ad ogni corsa. La tecnologia di tenuta è importante in molte applicazioni. Una guarnizione a striscia magnetica è costituita da una banda magnetica in acciaio inossidabile caricata a molla per mantenere la tensione. Le due estremità sono fissate alle piastre terminali del sistema e la fascia di copertura o striscia di tenuta viene fatta passare attraverso una cavità nel carrello. Man mano che i carrelli percorrono la lunghezza del sistema, la striscia viene sollevata dai magneti per consentire il passaggio del carrello.

Una tecnologia di tenuta alternativa, le fascette di copertura in plastica utilizzano una striscia di gomma flessibile che si incastra con l'estrusione di base, agendo in modo simile a un sacchetto Ziploc. I profili a "maschio e femmina" di accoppiamento creano una tenuta a labirinto estremamente efficace nel prevenire l'ingresso di particelle. I supporti motore flessibili semplificano l'integrazione dei sistemi lineari negli assemblaggi automatizzati. Gli utenti possono semplicemente richiedere un supporto motore NEMA standard o fornire informazioni di montaggio specifiche per il proprio motore, oppure indicare il nome del produttore del motore e il codice articolo. L'alloggiamento e l'accoppiamento vengono lavorati da semilavorati comuni per adattarsi alle caratteristiche principali del motore del cliente: dimensione e diametro del cerchio dei bulloni sulla flangia del motore; diametro del perno del motore; diametro e lunghezza dell'albero motore. Ciò consente di montare facilmente le guide, orizzontalmente, verticalmente, inclinate o capovolte, su quasi tutti i motori, con allineamento garantito.

Non tutte le combinazioni di tipo di azionamento e di guida sono adatte. I sette gruppi tecnologici utilizzati nelle applicazioni pratiche includono azionamento a vite senza fine e guida a sfere, azionamento a vite senza fine e guida a slitta, azionamento a vite a ricircolo di sfere e guida a sfere, azionamento a vite a ricircolo di sfere e guida a slitta, azionamento a cinghia e guida a sfere, azionamento a cinghia e guida a slitta e azionamento a cinghia e guida a ruota. I diagrammi a ragno illustrano i punti di forza e di debolezza relativi di ciascuna di queste tecnologie. La tecnologia a vite a ricircolo di sfere e guida a sfere offre elevata ripetibilità, elevata rigidità e capacità di gestire forze e momenti elevati. Viene utilizzata in applicazioni di posizionamento di precisione con carichi elevati e cicli di lavoro intensi, come ad esempio il sistema lineare utilizzato per caricare e scaricare ingranaggi grezzi su una macchina utensile. Le unità a cinghia con guida a sfere sono progettate per applicazioni ad alta velocità e accelerazione con carichi utili pesanti e carichi di momento elevati. Questo gruppo tecnologico è adatto per applicazioni che coprono uno spazio e sono supportate alle estremità o in modo intermittente. Un'applicazione tipica riguarda la pallettizzazione di lattine. I sistemi lineari a cinghia con guida a slitta offrono capacità di velocità e accelerazione moderate. Le guide a slitta possono gestire carichi d'urto, ma sono in qualche modo limitate nelle loro velocità lineari. Questa combinazione offre una soluzione economica, silenziosa e che richiede poca manutenzione. L'aggiunta di una fascia di copertura magnetica rende questa soluzione ideale per ambienti con un elevato contenuto di particolato e con esigenze di lavaggio, come ad esempio le applicazioni di verniciatura a spruzzo di lamiere. Le unità azionate a cinghia e guidate da ruote offrono elevate velocità lineari e capacità di accelerazione, unitamente a costi moderati, bassa rumorosità e requisiti di manutenzione relativamente ridotti. Un'applicazione tipica è la macchina per l'imballaggio e il riempimento.

Produrre internamente o acquistare? Quando si valuta se produrre internamente o acquistare un sistema lineare, è importante considerare i tempi e le competenze ingegneristiche necessarie per la progettazione. La progettazione di un sistema include calcoli ingegneristici quali la durata dei cuscinetti lineari e radiali, la durata della vite a ricircolo di sfere, la velocità critica della vite, la flessione del profilo di supporto, la scelta del lubrificante, la progettazione del coperchio, ecc. L'approccio di sovradimensionare il sistema lineare per ridurre i tempi di progettazione presenta lo svantaggio di aumentare i costi e l'ingombro, e richiede comunque una progettazione di base per assicurarsi che nulla sia stato trascurato. Quando si acquistano sistemi lineari, può capitare che i prodotti standard a catalogo non soddisfino i requisiti dell'applicazione. In questo caso, modifiche significative ai prodotti standard o progetti "white sheet" rappresentano valide alternative. Un partner con un'ampia gamma di prodotti e competenze ingegneristiche può collaborare con voi per risolvere il problema, consentendovi di risparmiare tempo e denaro e accelerando il ciclo di sviluppo.