Attuatori lineari: cosa sono e come sceglierli

Un attuatore lineare è un sistema strutturale autoportante in grado di trasformare un moto circolare generato da un motore in un moto lineare lungo un asse e, così, produrre un movimento di spinta, tiro, sollevamento, abbassamento o inclinazione di un carico. L’utilizzo più frequente degli attuatori prevede la loro combinazione in sistemi multi-asse di robotica cartesiana o come componenti integranti di macchine.

Attuatori lineari

I principali settori che vedono la presenza di attuatori lineari sono:

• automazione industriale
• asservimenti e pick and place in processi produttivi
• assemblaggio 
• packaging e pallettizzazione

Basti infatti pensare ad applicazioni come le macchine a taglio piano, laser o al plasma, il carico e scarico di pezzi lavorati, l’asservimento dei centri di lavoro in una linea di produzione o lo spostamento di un robot industriale antropomorfo su un asse aggiuntivo esterno al fine di aumentarne il raggio d’azione.

Tutte queste applicazioni utilizzano uno o più attuatori lineari.

In base alla tipologia di applicazione e alle performance che questa deve garantire in termini di precisione, capacità di carico, velocità esistono diverse tipologie di attuatori tra cui scegliere e, tipicamente, è la tipologia di trasmissione del moto a fare la differenza. Di queste ne esistono 3 principali:

• a cinghia 
• a pignone e cremagliera.
• a vite

Attuatore a cinghia

Come fare a scegliere l’attuatore corretto? Quali variabili deve considerare il progettista industriale alle prese con una nuova applicazione?

Come spesso accade quando si parla di soluzioni per il moto lineare, occorre porsi dal corretto punto di vista, ovvero quello dell’applicazione e, soprattutto, degli esiti e delle performance che ci si attende. Vale la pena, quindi, partire da dinamiche, lunghezza della corsa e precisione richieste.

Entriamo nel dettaglio.

Alte dinamiche

In numerosi ambiti della progettazione industriale, come ad esempio nel packaging, molto spesso le richieste che giungono al designer riguardano velocità e abbattimento dei tempi ciclo. Le dinamiche elevate sono dunque non di rado il punto di partenza nella definizione di una soluzione.

L’azionamento a cinghia è numerose volte la soluzione ideale, parlando di alte dinamiche, infatti:

• consente accelerazioni fino a 50 m/s2 e velocità fino a 5 m/s su corse che possono arrivare fino a 10-12 m
• un portale X-Y-Z con assi azionati a cinghia è tipicamente in grado di gestire carichi da molto contenuti fino a circa 200 Kg
• in funzione del tipo di lubrificazione i sistemi sono in grado di offrire degli intervalli di manutenzione particolarmente lunghi e garantire così continuità produttiva.

In caso di esigenze di alte dinamiche con corse superiori ai 10-12 m anche gli attuatori con un azionamento a pignone e cremagliera si rivelano un’ottima soluzione, infatti consentono accelerazioni fino a 10 m/s2 e velocità fino a 3,5 m/s su corse potenzialmente infinite.

La scelta di una diversa tipologia di attuatore non garantirebbe i medesimi risultati: un sistema a vite, sicuramente molto più preciso, sarebbe sicuramente troppo lento e non riuscirebbe a gestire corse così lunghe. 

Corse lunghe

I sistemi creati assemblando gli attuatori nelle tipiche configurazioni X-Y-Z di robotica cartesiana hanno spesso, in applicazioni come il pick and place e l’asservimento di centri di lavoro lungo linee produttive, corse molto lunghe, anche di decine di metri. In molti casi poi le lunghe corse, che solitamente interessano l’asse Y, sono abbinate alla gestione di carichi considerevoli, di centinaia di Kg, e a numerosi assi verticali Z che operano indipendentemente.

In questo genere di applicazioni la scelta migliore per l’asse Y, ricade senza esitazione sugli attuatori con azionamento a pignone e cremagliera, infatti:

• grazie alla rigidezza del sistema pignone e cremagliera sono in grado di operare lungo corse potenzialmente illimitate mantenendo rigidità, precisione ed efficienza
• attuatori con cremagliere a denti inclinati in acciaio temprato a induzione e scorrimento su guide a ricircolo di sfere o guide prismatiche a cuscinetti sono in grado di gestire carichi fino a oltre 1000 Kg
• la possibilità di prevedere più carri, ciascuno con una propria motorizzazione, consente di avere numerosi assi verticali Z indipendenti

Un sistema a cinghia è ottimale per corse fino a 10-12 m, mentre gli attuatori a vite a ricircolo di sfere avrebbero il limite, in caso di corse lunghe, della propria velocità critica.

Ripetibilità di posizionamento

Se, invece, il designer è alla ricerca di massima precisione, come in applicazioni quali l’assemblaggio di microcomponenti o certi tipi di movimentazioni in ambito, ad esempio, medicale, allora la scelta non può che andare su assi lineari azionati con vite a ricircolo di sfere.

Gli attuatori lineari a vite offrono infatti le massime performance da questo punto di vista, con ripetibilità di posizionamento fino a ±5 μ. Tali prestazioni non sono eguagliabili né dagli attuatori a cinghia, né da quelli a vite: entrambi infatti raggiungono massima ripetibilità di posizionamento pari a ±0,05 mm.

Se vuoi approfondire l'argomento e scoprire quali sono le nove caratteristiche essenziali per scegliere gli attuatori lineari, leggi il nostro contenuto di approfondimento: