In passato, la sfida per i sistemi di automazione meccanica è stata la conversione del moto rotatorio, generato da motori elettrici o meccanici, in un moto lineare utile. Un punto di svolta in questo senso è rappresentato dal sistema a nastro trasportatore, una delle prime applicazioni pratiche della conversione da moto rotatorio a moto lineare in un ambiente di produzione. Questi sistemi sono in grado di trasportare un'ampia varietà di materie prime e pezzi in lavorazione in modo molto più efficiente rispetto a quanto fosse possibile in precedenza con la sola forza meccanica, risultando estremamente utili negli ambienti produttivi.

Oggi, un significativo lavoro di ingegneria nel campo della conversione del moto rotatorio ha portato alla creazione di una vasta gamma di attuatori meccanici lineari, utili per un'ampia varietà di applicazioni di automazione avanzata. La sfida consiste nello scegliere l'attuatore più adatto alla funzionalità desiderata, che si tratti semplicemente della movimentazione di materie prime in un ambiente di produzione o della realizzazione di sistemi di movimentazione più complessi progettati per spostare utensili in posizioni precise.

Per selezionare l'attuatore meccanico lineare più adatto, è necessario tenere in considerazione alcuni fattori importanti, come la capacità di carico desiderata, o forza di spinta, e la corsa necessaria. Sebbene questi siano aspetti fondamentali, anche altri, come gli oneri di manutenzione, rivestono un ruolo importante.

Due tipologie ampiamente utilizzate di attuatori lineari meccanizzati si distinguono per il loro meccanismo di azionamento: gli attuatori a cinghia e quelli a vite a ricircolo di sfere. Entrambi i tipi sono impiegati in applicazioni simili, ma differiscono significativamente nella funzione. Ciascun tipo possiede punti di forza e limiti specifici che devono essere attentamente considerati nella scelta di un attuatore.

Attuatori azionati a cinghia

L'attuatore a cinghia funziona secondo gli stessi principi del sistema a nastro trasportatore. La trasmissione a cinghia converte il moto rotatorio in moto lineare tramite una cinghia dentata collegata tra due pulegge circolari. La cinghia dentata è solitamente realizzata in elastomero rinforzato con fibre, ma sono disponibili molti altri materiali per applicazioni più impegnative. La cinghia presenta denti che interagiscono con le pulegge del rotore per trasferire la coppia in modo efficiente e prevenire lo slittamento. La trasmissione a cinghia è racchiusa in un corpo in alluminio, mentre il carrello scorre sopra di essa, e l'interfaccia dell'albero di trasmissione è tipicamente situata perpendicolarmente al lato dell'attuatore.

Attuatori azionati da vite a ricircolo di sfere

Il principio fondamentale alla base dell'attuatore a vite a ricircolo di sfere rappresenta essenzialmente un miglioramento rispetto al sistema a vite senza fine. Negli attuatori a vite a ricircolo di sfere, la rotazione della vite aziona il dado a ricircolo di sfere/carrello montato, poiché l'interfaccia tra il perno e la vite a ricircolo di sfere è essenzialmente un sistema di cuscinetti a sfera, in cui sfere di acciaio temprato all'interno del dado rotolano lungo la pista di rotolamento del perno. Analogamente all'attuatore a cinghia, i componenti di azionamento dell'attuatore a vite a ricircolo di sfere sono racchiusi in un corpo in alluminio, mentre il carrello si muove sopra di esso. A differenza degli attuatori a cinghia, l'interfaccia dell'albero di trasmissione si trova in linea con la vite a ricircolo di sfere, all'estremità dell'attuatore.

Punti di forza e limiti di ciascuno

Gli attuatori a cinghia sono generalmente preferiti per applicazioni che richiedono lunghe corse, che possono essere realizzate in modo più economico rispetto a un attuatore a vite a ricircolo di sfere di lunghezza simile. Inoltre, gli attuatori a cinghia sono generalmente più efficienti, avendo un minor numero di parti mobili critiche, il che si traduce in una manutenzione meno complessa. Nonostante ciò, una tensione adeguata della cinghia è fondamentale per garantire un corretto trasferimento della coppia, e di solito è necessario ritensionare la cinghia durante gli interventi di manutenzione periodici.

In alternativa, l'unità a vite a ricircolo di sfere assomiglia molto a un sistema di cuscinetti a sfere e pertanto è in grado di sopportare carichi maggiori e raggiungere una forza di spinta superiore. Per questo motivo, gli attuatori a vite a ricircolo di sfere sono ideali in applicazioni in cui è necessario posizionare carichi grandi e pesanti con un elevato livello di precisione. A seconda della specifica progettazione dell'attuatore, potrebbe essere necessaria una lubrificazione periodica della vite a ricircolo di sfere.

Un ulteriore confronto tra i due tipi di attuatori rivela ulteriori svantaggi per l'attuatore a cinghia, nonostante la sua semplicità ed efficienza. Sono necessarie cinghie significativamente più spesse per carichi/spinte più elevati. Le cinghie sono inoltre soggette a carichi d'urto, sebbene questo problema possa essere in una certa misura attenuato da un'attenta selezione dei materiali, che possono aumentare la resistenza a scapito dell'elasticità. Inoltre, a causa della vulnerabilità della cinghia all'allungamento, la precisione di posizionamento degli attuatori a vite a ricircolo di sfere tende ad essere superiore a quella degli attuatori a cinghia. Per questo motivo, gli attuatori a vite a ricircolo di sfere sono preferiti per applicazioni che richiedono elevati gradi di affidabilità e ripetibilità per periodi di tempo prolungati. Gli attuatori a vite a ricircolo di sfere sono la scelta preferita per elevate accelerazioni e spinte, poiché la puleggia di trasmissione a cinghia è soggetta a slittamento sul rotore in presenza di tali sollecitazioni ripetute.

In conclusione, gli attuatori a vite a ricircolo di sfere rappresentano la scelta migliore nelle applicazioni in cui sono richiesti carichi elevati e/o forze di spinta, unitamente a un posizionamento di elevata precisione. Tuttavia, grazie alla loro elevata efficienza e semplicità, gli attuatori a cinghia rimangono la scelta migliore per applicazioni con carichi inferiori, soprattutto dove sono necessarie velocità più elevate. Gli attuatori a cinghia possono anche rappresentare una soluzione economicamente vantaggiosa per applicazioni con corse lunghe. Sebbene la scelta tra attuatori meccanici a cinghia e a vite a ricircolo di sfere possa sembrare complessa, a prima vista i punti di forza e di debolezza di ciascun tipo di attuatore offrono una chiara indicazione per ogni specifica applicazione.