Quando si parla di attuatori lineari, i dispositivi elettromeccanici stanno diventando la scelta preferita rispetto ai loro cugini pneumatici, grazie alla loro velocità, precisione e dimensioni.

Negli ultimi anni, i responsabili di fabbriche e aziende hanno iniziato a richiedere sempre più spesso l'utilizzo di attuatori elettrici a stelo e meno attuatori pneumatici nelle apparecchiature di automazione industriale. Diversi fattori stanno guidando questa conversione, ma tra i più significativi rientrano le crescenti esigenze di:

• Migliora le prestazioni delle macchine con attuatori elettromeccanici in grado di garantire una precisione più elevata.
• Ridurre le dimensioni delle apparecchiature con attuatori elettromeccanici che richiedono solo circa un quarto dello spazio per fornire la stessa spinta degli attuatori pneumatici.
• Utilizzare l'energia in modo più efficiente, poiché gli attuatori elettromeccanici non necessitano di compressori d'aria in funzione 24 ore su 24, 7 giorni su 7 per mantenere la pressione.
• Riduci la manutenzione e il costo totale di proprietà, perché gli attuatori elettromeccanici utilizzano meno componenti, non richiedono compressori e non subiscono perdite d'aria.

Una volta presa la decisione di sostituire gli attuatori pneumatici con quelli elettromeccanici, il passo successivo è selezionare gli attuatori elettromeccanici più adatti tra le numerose marche disponibili. Sebbene le specifiche di spinta fondamentali possano essere simili, esistono differenze significative in termini di prestazioni del ciclo di vita, manutenibilità e resistenza ambientale.

In generale, maggiore è il diametro della vite a sfere, maggiore è il potenziale di spinta. Tuttavia, per raggiungere questo obiettivo è necessario un corretto accoppiamento del cuscinetto reggispinta e di tutti i punti di fissaggio, inclusi il tubo di prolunga, la chiocciola interna, l'alloggiamento del cuscinetto e l'alloggiamento del tergicristallo. In caso contrario, qualsiasi aumento della spinta andrebbe a scapito della durata del sistema. Un componente troppo debole per sopportare il carico si usurerà molto più rapidamente o addirittura si danneggerà.

Si potrebbero avere due attuatori, ciascuno dotato di una vite a sfere da 16 mm e con una spinta di 750 N, e uno, ad esempio, potrebbe avere una durata di 2.000 km, mentre l'altro di 8.000 km. La differenza sta nel modo in cui la vite a sfere e gli altri componenti sono accoppiati tra loro.

Inoltre, grazie ai diametri maggiori delle viti a sfere, correlati a costi e ingombri, il corretto accoppiamento tra la vite a sfere e gli altri componenti riduce entrambi. Per soddisfare un requisito applicativo di 3.200 N di forza, un fornitore potrebbe utilizzare una vite a sfere con diametro di 20 mm, mentre un altro fornitore, con componenti correttamente accoppiati, potrebbe ottenere la stessa spinta con una vite di diametro di 12 mm. Pertanto, quest'ultima vite a sfere può essere ridotta senza compromettere le prestazioni.

Il corretto accoppiamento delle viti a sfere con altri componenti influisce significativamente sulla durata dell'attuatore e, se combinati con la progettazione del supporto, i due fattori hanno il maggiore impatto su precisione e capacità di carico. Un altro obiettivo della progettazione dell'attuatore è ridurre il gioco radiale e laterale. Fattori che influenzano questo aspetto sono il diametro del corpo del supporto, la superficie di contatto e l'utilizzo di gambe di supporto. Un corpo del supporto più grande, ad esempio, supporta carichi radiali esterni maggiori massimizzando la superficie di contatto in situazioni di carico laterale. La capacità di caricare lateralmente gli attuatori elettrici aumenta le prestazioni, la precisione e la compattezza a un livello non raggiungibile con attuatori pneumatici o idraulici.

Sebbene l'ottimizzazione delle superfici migliori la capacità di carico radiale e laterale, non favorisce necessariamente la stabilità. Questo problema viene spesso risolto bloccando le gambe rialzate in canali scanalati (tre nell'immagine sopra). Queste gambe di supporto riducono le vibrazioni, che possono causare rumore e usura. La maggior parte dei progetti utilizza una o due di queste scanalature, eliminando così parte del gioco, ma possono generare clic quando il sistema inizia a usurarsi nel tempo. L'utilizzo di quattro gambe anziché due, tuttavia, riduce l'usura e il rumore, offrendo una protezione antirotazione più efficace e duratura. Inoltre, le gambe aggiuntive garantiscono un movimento di ritorno senza aggrapparsi, riducendo ulteriormente il gioco dovuto all'usura.

Inoltre, la curvatura verso l'esterno di queste gambe del supporto crea un precarico radiale, che riduce il gioco nel tubo di spinta. Inoltre, centra il corpo del supporto e il dado a sfere, eliminando la necessità di spessorare il supporto rispetto all'estrusione e compensando l'usura per tutta la durata del dispositivo. Mantenere tutto allineato riduce il numero di volte in cui l'attuatore deve essere calibrato per una coppia al minimo costante.

Le tolleranze ridotte sono fondamentali per ridurre l'usura e il rumore. Tuttavia, in assenza di traferro, la pressione aumenta quando gli attuatori funzionano ad alta velocità. Questo causa surriscaldamento, contribuendo a problemi di lubrificazione e altri problemi di durata. Per risolvere questo problema, è necessario posizionare due dei componenti chiave maschio sulle gambe del supporto più in basso rispetto ai due rimanenti: questo è l'approccio adottato da Thomson per molti dei suoi attuatori. In questo modo si ottiene un gioco sufficiente a impedire l'accumulo di pressione. Come si vede nell'immagine sopra, due dei componenti chiave maschio posizionati ortogonalmente sulle gambe del supporto sono più in basso rispetto ai due rimanenti.

Manutenibilità

La facilità di manutenzione influisce sulle prestazioni del ciclo di vita e contribuisce a migliorare la produttività. Gli attuatori elettromeccanici differiscono per lubrificazione e gestione del motore. La maggior parte degli attuatori si ritrae per esporre parzialmente i componenti dal 60% al 70% per la lubrificazione. I tecnici rimuovono i tappi, individuano i componenti che necessitano di lubrificazione, aggiungono grasso e potrebbero dover ripetere questo processo.

Un approccio migliore, tuttavia, consiste nell'estrarre o ritrarre completamente il tubo, esponendo tutti i componenti e massimizzandone l'esposizione. Questo consente alle aziende di utilizzare la lubrificazione automatica. Inoltre, l'utilizzo di un ingrassatore eliminerebbe la necessità di rimuovere il tappo, semplificando ulteriormente la manutenzione.

La manutenzione può anche essere accelerata eliminando il tempo necessario per accoppiare il motore all'attuatore meccanico. Tradizionalmente, il montaggio del motore in configurazione parallela richiede dai 20 ai 25 minuti. Una volta montato il motore, un tecnico deve utilizzare una varietà di strumenti per regolarne la corretta tensione e l'allineamento della cinghia. Questa operazione richiede almeno 12 passaggi.

Tuttavia, se l'attuatore viene fornito con una soluzione parallela preassemblata, la cinghia può essere pretensionata durante il montaggio, eliminando la necessità di regolazioni di tensione in più fasi: il motore può essere imbullonato e utilizzato in sole tre fasi. Per il montaggio in linea, i vantaggi di una soluzione preassemblata sono simili, sebbene non così significativi.

Inoltre, l'utilizzo di cuscinetti a cavalletto elimina il rischio di disallineamento. Protegge inoltre l'albero motore dai carichi radiali, riducendo la rumorosità e prolungando ulteriormente la durata dell'attuatore.

Resistenza ambientale

Gli attuatori elettromeccanici differiscono nella loro capacità di resistere a condizioni difficili, all'ambiente circostante e a frequenti lavaggi ad alta pressione. Ciò dipende dal profilo esterno, dalla scelta del materiale e dai metodi di tenuta.

I profili con superfici lisce sono più puliti di quelli scanalati perché non accumulano polvere e liquidi. Pertanto, sono più adatti ad ambienti difficili che richiedono lavaggi frequenti. Tuttavia, un aspetto esterno elegante potrebbe presentare uno svantaggio. Se utilizzati in applicazioni che richiedono l'installazione di sensori, potrebbe essere necessario un componente aggiuntivo in plastica per il fissaggio del sensore.

La resistenza ambientale dipende anche dalla composizione del materiale del tubo di prolunga. La maggior parte dei sistemi utilizza acciaio cromato, ma l'acciaio inossidabile è una scelta decisamente migliore per gli ambienti più difficili.

Un indicatore chiave della resistenza all'ambiente è il codice di protezione (IP). Un grado di protezione IP 65, ad esempio, significa che il dispositivo è a prova di polvere e protetto da getti d'acqua a bassa pressione provenienti da qualsiasi direzione, come potrebbe accadere in un'operazione di lavaggio nel settore alimentare e delle bevande. Solo pochi attuatori elettrici soddisfano questo grado, ma in ambienti corrosivi è fondamentale. Un grado di protezione IP 54 offre una certa protezione dagli spruzzi d'acqua e una protezione inferiore al 100% dalla polvere, rendendolo accettabile per alcune applicazioni di lavaggio, ma non in caso di pressione. Un grado di protezione IP 40, comune tra gli attuatori lineari, implica che non vi sia alcuna protezione da polvere o liquidi.

Gradi di protezione IP più elevati dipendono principalmente dall'utilizzo di guarnizioni migliori. Thomson, ad esempio, sigilla ogni vano, compresi i supporti motore, sui suoi attuatori elettromeccanici. Anche tutte le guarnizioni devono essere sigillate e estendersi fino al motore, anziché fermarsi alla piastra di montaggio.

La prossima generazione di controllo del movimento

Con la crescente domanda di mercato di maggiore produttività, tempi di cambio formato più brevi, maggiore affidabilità, maggiori risparmi energetici e minori costi di manutenzione e gestione, sempre più progettisti e utenti finali stanno passando dagli attuatori elettromeccanici a quelli pneumatici. Per i macchinari che richiedono un controllo del movimento sofisticato, gli attuatori elettromeccanici sono praticamente l'unica alternativa. Tuttavia, anche per semplici applicazioni di movimento lineare, i progettisti e gli utenti di sistemi di controllo del movimento tendono ad adottare l'attuazione elettrica grazie alla minore e/o più semplice manutenzione, al maggiore risparmio energetico e a un funzionamento più pulito.

Si possono ottenere vantaggi ancora maggiori confrontando attentamente diverse marche di attuatori elettrici. È importante interpretare sempre la "capacità di carico" nel contesto della durata dichiarata del sistema e dei requisiti di spazio. In questi ambiti, esistono reali compromessi. Il design del supporto influisce sulla precisione e sulla capacità di sopportare carichi laterali e rotanti, quindi prestare molta attenzione al modo in cui il supporto è fissato nel canale e alla forma e alle dimensioni di eventuali meccanismi di guida.

Meccanismi e componenti migliorati, come gambe di supporto e design delle gambe, che possono essere curvati per una presa migliore, miglioreranno la precisione e la resistenza all'usura. Anche il profilo esterno appropriato, la scelta dei materiali e la strategia di tenuta sono fattori chiave per la resistenza ambientale. Profili più lisci, materiali in acciaio inossidabile e gradi di protezione IP più elevati tendono a offrire la massima protezione.