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

Negli ultimi anni, le richieste da parte dei responsabili di fabbrica e delle aziende di utilizzare un numero maggiore di attuatori elettrici a stelo e un numero minore di attuatori pneumatici nelle apparecchiature di automazione industriale si sono fatte sempre più insistenti. Diversi fattori stanno guidando questa transizione, ma i più significativi includono la crescente necessità di:

• Migliora le prestazioni delle macchine con attuatori elettromeccanici in grado di offrire una maggiore precisione.
• Riduci le dimensioni delle apparecchiature grazie agli attuatori elettromeccanici, che richiedono solo circa un quarto dello spazio necessario agli attuatori pneumatici per erogare la stessa spinta.
• Utilizzo più efficiente dell'energia, poiché gli attuatori elettromeccanici non necessitano di compressori d'aria in funzione 24 ore su 24, 7 giorni su 7, per mantenere la pressione.
• Riduzione dei costi di manutenzione e del costo totale di proprietà, poiché gli attuatori elettromeccanici utilizzano meno componenti, non richiedono compressori e non presentano perdite d'aria.

Una volta presa la decisione di sostituire gli attuatori pneumatici con quelli elettromeccanici, il passo successivo consiste nello scegliere 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 durante l'intero ciclo di vita, manutenibilità e resistenza ambientale.

In generale, maggiore è il diametro della vite a ricircolo di sfere, maggiore è il potenziale di spinta. Tuttavia, per ottenere questo risultato è necessario un corretto accoppiamento del cuscinetto reggispinta con tutti i punti di fissaggio, inclusi il tubo di prolunga, il dado a ricircolo di sfere interno, l'alloggiamento del cuscinetto e l'alloggiamento del raschiatore. In caso contrario, qualsiasi aumento della spinta avverrebbe 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 ricircolo di sfere da 16 mm e in grado di fornire 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 nella precisione dell'accoppiamento tra la vite a ricircolo di sfere e gli altri componenti.

Inoltre, poiché i diametri maggiori delle viti a ricircolo di sfere incidono su costi e ingombro, un corretto accoppiamento tra la vite e gli altri componenti consente di ridurre entrambi. Per soddisfare un requisito applicativo di forza pari a 3.200 N, un fornitore potrebbe utilizzare una vite a ricircolo di sfere con un diametro di 20 mm, mentre un altro fornitore, con componenti opportunamente accoppiati, potrebbe ottenere la stessa spinta con una vite di 12 mm di diametro. Pertanto, quest'ultima vite a ricircolo di sfere può essere ridimensionata senza compromettere le prestazioni.

Il corretto accoppiamento delle viti a ricircolo di sfere con gli altri componenti influisce significativamente sulla durata dell'attuatore e, se combinato con la progettazione del supporto, questi due fattori hanno il maggiore impatto sulla precisione e sulla capacità di carico. Un altro obiettivo della progettazione degli attuatori è la riduzione del gioco libero radiale e laterale. I fattori che influenzano questo aspetto sono il diametro del corpo del supporto, l'area della superficie di contatto e l'utilizzo di gambe di supporto. Un corpo del supporto più grande, ad esempio, supporta carichi radiali esterni maggiori massimizzando l'area di contatto in situazioni di carico laterale. La possibilità di applicare carichi laterali agli attuatori elettrici eleva le prestazioni, la precisione e la compattezza a un livello non raggiungibile con gli attuatori pneumatici o idraulici.

Sebbene massimizzare le superfici di appoggio migliori la capacità di carico radiale e laterale, non contribuisce necessariamente alla stabilità. Questo problema viene spesso risolto bloccando le gambe rialzate in apposite scanalature (tre nell'immagine sopra). Queste gambe di supporto riducono le vibrazioni, che possono generare rumore e contribuire all'usura. La maggior parte dei modelli utilizza una o due di queste scanalature, eliminando così parte del gioco, ma ciò può generare rumori di scatto con l'usura del sistema nel tempo. L'utilizzo di quattro gambe anziché due, tuttavia, riduce l'usura e il rumore, fornendo una protezione anti-rotazione più efficace e duratura. Inoltre, le gambe aggiuntive garantiscono un movimento di ritorno senza attrito, riducendo ulteriormente il gioco dovuto all'usura.

Inoltre, la curvatura verso l'esterno di queste gambe di 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 durante la vita utile del dispositivo. Mantenere tutto allineato riduce il numero di volte in cui l'attuatore deve essere calibrato per ottenere una coppia a vuoto costante.

Le tolleranze ristrette sono fondamentali per ridurre l'usura e la rumorosità. Tuttavia, se non vi è alcuno spazio d'aria, la pressione aumenta quando gli attuatori funzionano ad alta velocità. Ciò causa surriscaldamento, contribuendo a problemi di lubrificazione e ad altri inconvenienti in termini di durata. Per ovviare a questo problema, due delle scanalature maschio sulle gambe del supporto sono posizionate più in basso rispetto alle altre due: questo è l'approccio adottato da Thomson per molti dei suoi attuatori. In questo modo si ottiene uno spazio sufficiente a impedire l'accumulo di pressione. Come si può osservare nell'immagine sopra, due delle scanalature maschio, disposte ortogonalmente sulle gambe del supporto, sono più in basso rispetto alle altre due.

Manutenibilità

La facilità di manutenzione influisce sulle prestazioni del ciclo di vita e contribuisce ai vantaggi in termini di produttività. Gli attuatori elettromeccanici differiscono per quanto riguarda la lubrificazione e la 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 cappucci, individuano i componenti da lubrificare, aggiungono il grasso e potrebbero dover ripetere questa procedura.

Un approccio migliore, tuttavia, consiste nell'estendere o ritrarre completamente il tubo, esponendo tutti i componenti per una massima visibilità. Ciò consente alle aziende di utilizzare la lubrificazione automatizzata. Inoltre, l'utilizzo di un nipplo di lubrificazione eliminerebbe la necessità di rimuovere il tappo, semplificando ulteriormente la manutenzione.

La manutenzione può essere velocizzata anche 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 diversi strumenti per regolarne la tensione della cinghia e allinearlo correttamente. Questa operazione richiede almeno 12 passaggi.

Tuttavia, se l'attuatore viene fornito con una soluzione parallela preassemblata, la cinghia può essere pretensionata durante l'assemblaggio, eliminando la necessità di regolazioni di tensione in più fasi: il motore può essere imbullonato e reso utilizzabile in soli tre passaggi. Per il montaggio in linea, i vantaggi di una soluzione preassemblata sono simili, sebbene non altrettanto evidenti.

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

resistenze ambientali

Gli attuatori elettromeccanici differiscono nella loro capacità di resistere a condizioni difficili, all'ambiente 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 rispetto a quelli con scanalature perché non accumulano polvere e liquidi. Pertanto, sono più adatti ad ambienti difficili dove sono necessari lavaggi frequenti. Tuttavia, un aspetto liscio potrebbe avere uno svantaggio. Se utilizzati in applicazioni che richiedono il fissaggio di sensori, potrebbe essere necessario un accessorio in plastica aggiuntivo per collegare il sensore.

La resistenza agli agenti atmosferici dipende anche dalla composizione del materiale del tubo di prolunga. La maggior parte dei sistemi utilizza acciaio al cromo, ma l'acciaio inossidabile è una scelta di gran lunga migliore per ambienti difficili.

Un indicatore chiave della resistenza agli agenti atmosferici è il grado di protezione IP (Ingress Protection). Un grado IP 65, ad esempio, significa che il dispositivo è a prova di polvere e protetto contro getti d'acqua a bassa pressione provenienti da qualsiasi direzione, come quelli che si possono trovare nelle operazioni di lavaggio nell'industria alimentare e delle bevande. Solo pochi attuatori elettrici raggiungono questo grado, ma in ambienti corrosivi è fondamentale. Un grado IP 54 offre una certa protezione contro gli schizzi d'acqua e una protezione inferiore al 100% contro la polvere, rendendolo accettabile per alcune applicazioni di lavaggio, ma non in presenza di pressione. Un grado IP 40, comune tra gli attuatori lineari, implica l'assenza di protezione contro polvere e liquidi.

Un grado di protezione IP più elevato dipende principalmente dall'utilizzo di guarnizioni migliori. Thomson, ad esempio, sigilla ogni vano, compresi i supporti del motore, nei suoi attuatori elettromeccanici. Tutte le guarnizioni devono inoltre essere sigillate e estendersi fino al motore, anziché fermarsi alla piastra di montaggio.

La prossima generazione di controllo del movimento

Con la crescente domanda del mercato di maggiore produttività, tempi di cambio formato più brevi, maggiore affidabilità, maggiore risparmio energetico e minori costi di manutenzione e di esercizio, sempre più progettisti e utenti finali stanno passando dagli attuatori pneumatici a quelli elettromeccanici. Per i macchinari che richiedono un controllo del movimento sofisticato, gli attuatori elettromeccanici sono praticamente l'unica alternativa. Ma anche per semplici attività di movimento lineare, i progettisti e gli utilizzatori di sistemi di controllo del movimento prediligono l'attuazione elettrica grazie a una manutenzione ridotta e/o più semplice, a un maggiore risparmio energetico e a un funzionamento più pulito.

Vantaggi ancora maggiori si possono ottenere confrontando attentamente diverse marche di attuatori elettrici. È fondamentale interpretare la "capacità di carico" nel contesto della durata di vita dichiarata del sistema e dei requisiti di spazio. In questi ambiti esistono dei compromessi concreti. La progettazione del carrello influisce sulla precisione, nonché sulla capacità di carico laterale e rotazionale, quindi è necessario prestare particolare attenzione al modo in cui il carrello è fissato nel canale e alla forma e alle dimensioni di eventuali meccanismi di guida.

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