In passato, la sfida per i sistemi di automazione meccanica è stata la conversione del moto rotatorio da motori elettrici o meccanici in forme di moto lineare utilizzabili. Una svolta in questo senso è stata il sistema a nastro trasportatore, che ha rappresentato una delle prime implementazioni utili della conversione del moto rotatorio in moto lineare per l'utilizzo in un ambiente di produzione. Questi sistemi sono in grado di trasportare un'ampia varietà di materie prime e pezzi lavorati in modo molto più efficiente di quanto si potesse in precedenza ottenere con l'impiego di forze meccaniche brute e sono estremamente utili negli ambienti di produzione.

Oggi, un significativo lavoro di ingegneria nel campo della conversione del moto rotatorio ha prodotto una gamma diversificata di attuatori meccanici lineari, utili per un'ampia gamma di applicazioni di automazione avanzata. La sfida consiste nel selezionare l'attuatore più adatto alla funzionalità desiderata, che si tratti semplicemente della movimentazione di materie prime in un ambiente di produzione o della costruzione di sistemi di movimento più avanzati progettati per spostare gli utensili in posizioni precise.

Per selezionare l'attuatore meccanico lineare più adatto, è necessario tenere conto di alcuni fattori importanti, come la capacità di carico desiderata, la forza di spinta e la corsa necessaria. Sebbene queste siano considerazioni primarie, anche altre, come la manutenzione, giocano certamente un ruolo importante.

Due tipologie di attuatori lineari meccanizzati ampiamente utilizzate si differenziano per i loro meccanismi di azionamento: gli attuatori a cinghia e quelli a vite a sfere. Entrambe le tipologie sono impiegate in applicazioni simili, ma differiscono significativamente nella funzione. Ogni tipologia presenta punti di forza e limitazioni importanti che devono essere attentamente considerati nella scelta dell'attuatore.

Attuatori 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 cinghie per applicazioni più impegnative. La cinghia contiene denti che si interfacciano con le pulegge del rotore per trasferire efficacemente la coppia e prevenire lo slittamento. La trasmissione a cinghia è racchiusa in un corpo in alluminio mentre il carrello scorre sulla parte superiore, e l'interfaccia dell'albero motore è in genere situata perpendicolarmente al lato dell'attuatore.

Attuatori a vite a sfere

Il principio fondamentale alla base dell'attuatore con vite a sfere rappresenta essenzialmente un miglioramento rispetto a un sistema con vite di comando. Negli attuatori con vite a sfere, la rotazione della vite a sfere aziona la chiocciola a sfere/carrello montato, poiché l'interfaccia tra il perno e la vite a sfere è essenzialmente un sistema di cuscinetti a sfere, dove le sfere in acciaio temprato nella chiocciola rotolano lungo la pista del perno. Analogamente all'attuatore con trasmissione a cinghia, i componenti di azionamento dell'attuatore con vite a sfere sono racchiusi in un corpo in alluminio, mentre il carrello si muove superiormente. A differenza degli attuatori con trasmissione a cinghia, l'interfaccia dell'albero motore si trova in linea con la vite a sfere, all'estremità dell'attuatore.

Punti di forza e limiti di ciascuno

Gli attuatori a cinghia sono generalmente preferiti per applicazioni che richiedono lunghe distanze di spostamento, che possono essere raggiunte in modo più economico rispetto a un attuatore con vite a sfere di lunghezza simile. Inoltre, l'attuatore a cinghia è generalmente più efficiente, presentando meno parti mobili critiche, riducendo così la necessità di manutenzione. Ciononostante, un'adeguata tensione della cinghia è fondamentale per garantire il corretto trasferimento della coppia e, in genere, è necessario ritensionarla in occasione di interventi di manutenzione periodica.

In alternativa, l'unità vite a sfere assomiglia molto a un sistema con cuscinetti a sfere e quindi è in grado di sopportare carichi più elevati e di raggiungere una forza di spinta più elevata. Per questo motivo, gli attuatori con azionamento a vite a sfere sono ideali nelle applicazioni in cui il posizionamento di carichi grandi e pesanti può essere necessario con un elevato livello di precisione. A seconda del design specifico dell'attuatore, potrebbe essere necessaria una lubrificazione periodica della vite a sfere.

Un ulteriore confronto tra i due tipi di attuatori rivela ulteriori svantaggi dell'attuatore a cinghia, nonostante la sua semplicità ed efficienza. Un maggiore carico/spinta richiede cinghie significativamente più spesse. Le cinghie sono anche sensibili ai carichi d'urto, sebbene questo problema possa essere mitigato in una certa misura dall'attenta selezione dei materiali delle cinghie, che possono aumentare la resistenza a scapito dell'elasticità. Inoltre, a causa della vulnerabilità della cinghia all'allungamento, la precisione di posizionamento degli attuatori con vite a sfere tende a essere superiore a quella degli attuatori a cinghia. Per questo motivo, gli attuatori con vite a sfere sono preferiti per applicazioni che richiedono elevati livelli di affidabilità e ripetibilità per periodi di tempo prolungati. Gli attuatori con vite a sfere sono la scelta preferita per elevate accelerazioni e spinte elevate, poiché la puleggia di trasmissione a cinghia è vulnerabile allo slittamento sul rotore in tali condizioni ripetute.

In conclusione, gli attuatori con vite a sfere rappresentano la scelta migliore nelle applicazioni in cui sono richieste elevate forze di carico e/o di spinta, insieme a un posizionamento estremamente preciso. Tuttavia, grazie alla loro elevata efficienza e semplicità, gli attuatori con trasmissione a cinghia rimangono la scelta migliore per applicazioni con carichi inferiori, soprattutto quando sono richieste velocità più elevate. Gli attuatori con trasmissione a cinghia possono anche rappresentare una soluzione economica per applicazioni a corsa lunga. Sebbene la scelta tra attuatori meccanici con trasmissione a cinghia e a vite a sfere possa sembrare scoraggiante, a prima vista, i punti di forza e di debolezza di ciascuna soluzione offrono soluzioni chiare per ogni specifica applicazione.